基于數控車床的切削力測量

摘 要：隨著科學技術的快速發展，切削力的測量顯得尤其重要。本文一開始，從總體上介紹了切削力測量的大致方法。后面介紹了一種常用的利用單片機測量切削力的方法，以及介紹了DSP與虛擬儀器這種應用于切削力測量的新方法。希望本文能為相關研究人員提供新的思路。

關鍵詞：數控車床；切削力；測量；單片機；DSP

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.021

0 引言

在數控車床的加工過程中，切削力對整個加工過程有著重要的影響。首先在切削過程中，切削力導致了切削熱的產生，切削熱會使刀具產生不同程度的磨損，進而對降低刀具的耐用度與加工表面的質量，會影響整個加工過程。其次，可以根據切削力計算出切削功率的大小，選擇合適的機床、刀具與夾具。最后，通過對切削力的測量可以保證數控機床順利的運行，在數控加工中可以實時監控，有利于數控機床的自動加工，避免出現過載等問題。在研究數控車床切削力的時候，根據實際需要通常把總的切削力分解成X、Y、Z方向上三個互相垂直的力來進行測量。

1 數控車床切削力測量方法分類

最開始的方法，是利用一些已有的經驗公式，帶入數據得出切削力的數值。例如，機床在加工的時候，產生的功率可以用儀器測量出來。如果切削速度可以確定，代入經驗公式可以得出具體的切削力數值。這種方法可以粗略估算切削力的值，誤差大。以下常用的方法大致可以分為直接測量和間接測量。

直接測量一般利用測力儀將測得的力信號轉化為電信號，經過一系列處理后讀出三個方向上的切削分力值。這種方法具有靈敏度高、量程范圍大等優點但是耗時大、誤差大、測量精度較高，可以通過不同的數據處理方法提高測量精度。

2 基于單片機的數控車床切削力測量

利用單片機測量數控車床的切削力，系統設計一般為將力通過傳感器進行測量，通過電橋放大器把信號進行放大，然后進行模數轉換，設計單片機進行信號處理，通過設計按鍵電路使LED數碼管進行循環顯示切削力的大小，設置通信接口，當切削力過大時進行過載報警。

電阻應變片和壓電晶體是我們測量力的時候常用的傳感器。其中電阻應變片具有靈活性大、適應性廣、性能穩定等優點。在數控車床車削時，車削力經工件轉動傳遞于車刀刀架上，使緊貼在上面的電阻應變片產生變形。無論應變片受拉伸使電阻絲直徑變細，或者應變片受壓縮變形使電阻絲直徑變粗，都會使電阻值發生變化，從而產生電信號。

3 基于DSP實現機床切削力信號在線監測

我們選取壓電測力采集機構，采取壓電刀桿式的測力方法進行測量。機構在外形上與普通外圓車刀相似，在后面加一個三向的壓電傳感器對信號進行采集。機床工作產生切削力的時候，切削力會作用在壓電傳感器上，自動在X 、Y 、Z 三個方向進行分解并輸出。測得的輸出信號需要經過電荷放大器處理后，連接采集系統TMS320C5402。利用TMS320C5402數字信號處理器組成的采集系統，對壓電傳感器測得的切削力信號進行實時采集并動態顯示信號。實現計算機與通信采集系統的通信，從而來監控數控機床的加工過程。

電荷是壓電力傳感器的輸出信號，作用力的大小可以通過電荷的多少來進行反應。通過電荷放大器，我們可以將微弱的電荷量進行處理，進行完這一系列的操作后，就能利用DSP進行數據采集和數據的處理。數字信號處理器將采集來的數據進行后續處理與分析。具體的操作包括顯示、濾波、相關分析譜分析等，在時域和頻域上對信號進行分析，可以得出信號的特征。

4 基于虛擬分析儀的切削力測量

當今時代，科學技術迅速發展，計算機技術發展尤其迅速，有各種各樣新式儀器，現在出現了一種基于計算機和軟件的儀器——虛擬儀器。

切削力測量的傳統方法需要用專門的測力儀、示波器、記錄儀等，這種方法的局限性是只能測量力的數值，之后需要進行大量的數據分析與數據處理，才能得到經驗公式。虛擬分析儀可以對作用在刀具上的力和力矩進行分析，對數據進行濾波、平滑等一系列的處理。虛擬儀器可以顯示圖形，這可以提高對測量數據的理解和解釋，可對測量數據進行數據庫管理 ，充分體現了計算機在數據計算 、存儲 和顯示等方面的巨大優勢。在節省財力、人力的條件下，具有精確度高，速度快，穩定性高，使用方便的優點。

力信號可以應用八角環測力儀轉換成電阻變化信號，再通過動態電阻應變儀將電阻變化信號轉換成電壓信號，通過 A/D 轉換將電信號轉換成數字信號，后面連接計算機，再通過虛擬式分析儀器對數據進行處理。

在數控機床車削加工中，利用虛擬分析儀器對輸出的電信號進行數據采集，可以得到切削力的值。通過實驗可以得出，對各種電信號可以利用虛擬式信號分析儀器進行數據的采集、處理和分析。此種方法包含了各種儀器，方便使用，有很好的發展潛力。

5 存在的問題以及發展

現代數控機床的切削加工正在朝著高速度、高精度、高自動化的方向快速發展。這會大大提高生產者對切削力測量系統的要求。切削力的測量系統應該具有較寬的測量范圍、以及較高的分辨率；實時監測性好，能在線進行測量；數據處理與分析能力強大，能夠對各種復雜的切削力信號進行快速準確的分析。

針對切削力測量系統精度的問題，可以開發新型的彈性元件，將彈性元件的結構進行完善，合理設計應變片的擺放方案，可以有效解決應變式測力儀靈敏度低問題，提高測量系統的精度。將集成電路與微電子技術應用到切削力測量系統中，集成化數據采集系統，使數據采集系統的速度與精度得到提高。

6 結論

切削力的測量有著重要的實際意義，有利于數控機床實現自動化。切削力的測量方法，總體上分為間接測量與直接測量。其中間接測量誤差大，適用于一些特定的場合。利用單片機技術可以較為方便、快速的測量出切削力的大小，性價比高但精度低。DSP與虛擬儀器等新技術將會有更大的發展前景。

參考文獻：

[1]徐哲，施志輝.虛擬分析儀器及其在切削力測量中的應用[J].航空制造技術，2005（05）：99-100.

[2]岳文輝，陳雪華，何艷芳.虛擬儀器及其在切削力測量中的應用[J].現代科學儀器，2010（05）：133-137.

[3]陳興文，劉燕.基于DSP實現機床切削力信號在線監測[J].微計算機信息，2005（04）：94-95.

作者簡介：黃錫祥（1993-），男，貴州黃平人，本科，研究方向： 機械。