基于數(shù)控車床的切削力測量

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)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(jī)測量切削力的方法，以及介紹了DSP與虛擬儀器這種應(yīng)用于切削力測量的新方法。希望本文能為相關(guān)研究人員提供新的思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車床；切削力；測量；單片機(jī)；DSP

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

0 引言

在數(shù)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(dǎo)致了切削熱的產(chǎn)生，切削熱會使刀具產(chǎn)生不同程度的磨損，進(jìn)而對降低刀具的耐用度與加工表面的質(zhì)量，會影響整個加工過程。其次，可以根據(jù)切削力計(jì)算出切削功率的大小，選擇合適的機(jī)床、刀具與夾具。最后，通過對切削力的測量可以保證數(shù)控機(jī)床順利的運(yùn)行，在數(shù)控加工中可以實(shí)時監(jiān)控，有利于數(shù)控機(jī)床的自動加工，避免出現(xiàn)過載等問題。在研究數(shù)控車床切削力的時候，根據(jù)實(shí)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(jìn)行測量。

1 數(shù)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(jīng)驗(yàn)公式，帶入數(shù)據(jù)得出切削力的數(shù)值。例如，機(jī)床在加工的時候，產(chǎn)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(jīng)驗(yàn)公式可以得出具體的切削力數(shù)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(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)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(yōu)點(diǎn)但是耗時大、誤差大、測量精度較高，可以通過不同的數(shù)據(jù)處理方法提高測量精度。

2 基于單片機(jī)的數(shù)控車床切削力測量

利用單片機(jī)測量數(shù)控車床的切削力，系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般為將力通過傳感器進(jìn)行測量，通過電橋放大器把信號進(jìn)行放大，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)單片機(jī)進(jìn)行信號處理，通過設(shè)計(jì)按鍵電路使LED數(shù)碼管進(jìn)行循環(huán)顯示切削力的大小，設(shè)置通信接口，當(dāng)切削力過大時進(jìn)行過載報警。

電阻應(yīng)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(yīng)變片具有靈活性大、適應(yīng)性廣、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。在數(shù)控車床車削時，車削力經(jīng)工件轉(zhuǎn)動傳遞于車刀刀架上，使緊貼在上面的電阻應(yīng)變片產(chǎn)生變形。無論應(yīng)變片受拉伸使電阻絲直徑變細(xì)，或者應(yīng)變片受壓縮變形使電阻絲直徑變粗，都會使電阻值發(fā)生變化，從而產(chǎn)生電信號。

3 基于DSP實(shí)現(xiàn)機(jī)床切削力信號在線監(jiān)測

我們選取壓電測力采集機(jī)構(gòu)，采取壓電刀桿式的測力方法進(jìn)行測量。機(jī)構(gòu)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(jìn)行采集。機(jī)床工作產(chǎn)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(jìn)行分解并輸出。測得的輸出信號需要經(jīng)過電荷放大器處理后，連接采集系統(tǒng)TMS320C5402。利用TMS320C5402數(shù)字信號處理器組成的采集系統(tǒng)，對壓電傳感器測得的切削力信號進(jìn)行實(shí)時采集并動態(tài)顯示信號。實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與通信采集系統(tǒng)的通信，從而來監(jiān)控?cái)?shù)控機(jī)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(jìn)行反應(yīng)。通過電荷放大器，我們可以將微弱的電荷量進(jìn)行處理，進(jìn)行完這一系列的操作后，就能利用DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)的處理。數(shù)字信號處理器將采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理與分析。具體的操作包括顯示、濾波、相關(guān)分析譜分析等，在時域和頻域上對信號進(jìn)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(dāng)今時代，科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展尤其迅速，有各種各樣新式儀器，現(xiàn)在出現(xiàn)了一種基于計(jì)算機(jī)和軟件的儀器——虛擬儀器。

切削力測量的傳統(tǒng)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(shù)值，之后需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)處理，才能得到經(jīng)驗(yàn)公式。虛擬分析儀可以對作用在刀具上的力和力矩進(jìn)行分析，對數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)據(jù)的理解和解釋，可對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫管理 ，充分體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)在數(shù)據(jù)計(jì)算 、存儲 和顯示等方面的巨大優(yōu)勢。在節(jié)省財(cái)力、人力的條件下，具有精確度高，速度快，穩(wěn)定性高，使用方便的優(yōu)點(diǎn)。

力信號可以應(yīng)用八角環(huán)測力儀轉(zhuǎn)換成電阻變化信號，再通過動態(tài)電阻應(yīng)變儀將電阻變化信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過 A/D 轉(zhuǎn)換將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，后面連接計(jì)算機(jī)，再通過虛擬式分析儀器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

在數(shù)控機(jī)床車削加工中，利用虛擬分析儀器對輸出的電信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以得到切削力的值。通過實(shí)驗(yàn)可以得出，對各種電信號可以利用虛擬式信號分析儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)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(fā)展?jié)摿Α?/p>

5 存在的問題以及發(fā)展

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)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(fā)展。這會大大提高生產(chǎn)者對切削力測量系統(tǒng)的要求。切削力的測量系統(tǒng)應(yīng)該具有較寬的測量范圍、以及較高的分辨率；實(shí)時監(jiān)測性好，能在線進(jìn)行測量；數(shù)據(jù)處理與分析能力強(qiáng)大，能夠?qū)Ω鞣N復(fù)雜的切削力信號進(jìn)行快速準(zhǔn)確的分析。

針對切削力測量系統(tǒng)精度的問題，可以開發(fā)新型的彈性元件，將彈性元件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善，合理設(shè)計(jì)應(yīng)變片的擺放方案，可以有效解決應(yīng)變式測力儀靈敏度低問題，提高測量系統(tǒng)的精度。將集成電路與微電子技術(shù)應(yīng)用到切削力測量系統(tǒng)中，集成化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的速度與精度得到提高。

6 結(jié)論

切削力的測量有著重要的實(shí)際意義，有利于數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)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(jī)技術(shù)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(shù)將會有更大的發(fā)展前景。

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作者簡介：黃錫祥（1993-），男，貴州黃平人，本科，研究方向： 機(jī)械。