基于加工中心机床切削力信号在线监测设计-毕业论文.doc
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1、济南大学毕业设计1 前言1.1 选题背景与意义1.1.1国内外研究现状随着计算机技术、电工电子技术、数控技术等各种技术的发展,制造技术正朝着精密化、集成化、网络化、全球化、虚拟化、智能化的方向发展。由于现代削加工过程正在向高速切削、强力切削、精密以及超精密加工方向发展以及数控机床、加工中心等先进设备的广泛应用,因此迫切需要新型、可靠、实用的切削过程在线监测系统。加工过程中切削力的测量系统就应该满足以下要求:实时性好,能够对切削力进行实时在线测量;测量范围大、高精度以及高分辨率;能够对复杂多变的切削力信号进行各种处理与分析。刀具磨损是引起加工误差的主要原因之一,尤其是在自动化生产的精密加工中,刀
2、具磨损产生的加工误差是不容忽视的问题。一直以来,国内外的专家和学者大都通过在线检测刀具的磨损状态来采取相应的措施(误差补偿、更换刀具等)来减少和避免由于刀具磨损产生的加工误差2。 华东交通大学的郭厚焜等人就针对铣削加工过程中刀具磨损的状态进行了研究和分析,提出了以后刀面磨损作为主要参数的加工误差计算方法。图1.1 后刀面磨损图1.1是铣削过程中后刀面的磨损情况。通过对铣削过程中刀具的磨损情况分析得出对于以主切削刃承担主要切削任务的铣削加工,后刀面的磨损是导致加工误差的主要因素。最终,其通过一系列的分析、实验得出了后刀面磨损与加工误差的数学关系式。因此,可以通过此结论来确定何时换刀,从而提高生产
3、质量。近几年来,很多学者研究利用神经网络来对端面铣削时刀具磨损进行在线实时监测。即采用网络技术来识别刀具磨损状况,将切削力和进给速度等其他已知的参数的平均值输入到网络中,通过一系列的研究和分析得出这些参数与刀具磨损情况的关系。随着切削加工技术的发展,切削力的测量技术将朝着以下几方面进行发展:(1)应用微电子和集成电路技术,使数据采集系统集成化,提高数据采集的速度与精度;(2)开发新型弹性元件。优化弹性元件的结构和应变片的布片方案,提高应变式测力仪的固有频率,有效解决应变式测力仪的刚度和灵敏度之间的矛盾问题,降低各向力之间的耦合程度;(3)完善数据分析处理的功能,例如将虚拟仪器技术引入切削力测试
4、系统,以便对测量数据进行多种操作和数据库处理;建立专家系统,通过对测试数据进行分析和处理,从而对刀具磨损、切削颤振等情况做出预报并提出相应的治理措施3。1.1.2选题目的及意义 在机械加工过程中,为了使加工更好地完成,对加工过程进行在线监测和实时控制是很有必要的,这就要求监控系统具有很好的实时性,能对变化做出快速的反应。刀具作为切削过程的直接执行者,在切削加工过程中不可避免地存在磨损和破损等现象。如果不对磨钝的刀具采取措施,将可能导致工件的报废,甚至有可能损坏机床。在传统的机械加工过程中,可以通过辨别切屑及加工过程中的噪声来判断刀具的磨损、破损状态。但是,随着自动化程度的日益提高,由人工判别刀
5、具状态已经成为阻碍加工自动化发展的主要因素。因此对机床切削力信号的在线监测系统的研究更加有深远的意义,它将会为制造业揭开崭新的一页。1.2 设计内容1.2.1设计内容研究 本课题是研究利用计算机采集数据和信息,对加工过程中刀具受力实现在线实时监测。本课题是以加工中心机床切削力在线状态检测系统为基础,它主要包括切削力信号的采集、实时监控和后续处理与分析。信号采集是利用压电式传感器测得信号并送入计算机,通过对信号进行实时采集并动态显示信号,从而监控整个加工过程。信号处理是将采集来的信号进行后续处理与分析,它包括显示、滤波、相关分析、谱分析等,通过对信号进行时域和频域分析,可以得出信号的特征。本课题
6、的主要工作:一是从整体对系统进行分析,设计出方案;二是根据具体的对象,对监测系统进行构建,并使它有一定的通用性;三是对系统进行测试,并进行分析。具体的工作是:1.从整体上对监测系统进行分析,了解每个部分的组成及功能。2.对加工中心切削力信号在线监测系统进行硬件设计,介绍各控制部分和测量部分的原理和应用,并对其硬件部件进行选择定型。3.了解压电式测力仪的工作原理,信号的采集原理和方法;了解数据采集板的构成,熟悉信号转换的原理。4.了解系统功能,完成软件设计。(1)切削力信号的采集利用现有的台湾研华公司的MP-04A视频采集卡作为数据采集板,对信号进行采集和转换,计算机接口软件实现了采集、显示和存
7、储的功能,具有实时、快速的特点;(2)切削力信号的处理与分析将采集的数据进行显示、滤波、相关分析、谱分析等,在时域和频域同时分析信号,以便进行监控。(3)调试程序并与实际结合。在不同的切削用量或切削条件下对系统进行调试,以便体统能够精确的对数据进行采集、处理和分析。5.系统的整体测试及实验。首先,对软件系统本身做标定和检测,其次,对压电测力仪进行静态标定后,然后联机成为切削力实验系统,监测采集的切削力信号,从而得到实际的验证。6.系统的完善。经过多次实验对硬件和软件系统进行运行、校验,观察其运行效果并对其不足之处进行改进。1.2.2研究结果预期 通过对本课题的研究设计,能够实现加工中心机床切削
8、力信号的在线实时监测,该系统利用压电测力仪测得信号,而后进行放大、补偿、A/D转换,再利用计算机进行采集、处理和分析。与传统的机械加工过程中人工判别刀具状态相比,该在线监测系统通过对切削力信号进行在线实时监测从而能够非常精确的判别刀具状态。因此能够提高生产质量、生产效率以及机械生产加工的自动化程度。 2系统的设计2.1系统的工作原理本课题的主要研究目的是对切削力信号进行采集,并进行后续的数据处理与分析,为机床加工过程中刀具的磨损情况以及何时换刀提供一定的理论依据。由于该系统的监测对象是加工过程中机床的切削力信号,因此系统必须对其进行在线实时监测。为了使该系统可以在各种数控机床上安全运行,故系统
9、的整体示意图如图2.1所示:压电式传感器电荷放大器数据采集板计算机(内有数据处理软件)件)图2.1 系统整体示意图系统的实体外观如图2.2所示:图2.2 系统实体外观图本文中切削力信号的采集是利用压电式传感器测得信号并通过电荷放大器将微弱的电荷信号放大成电压信号,然后通过数据采集板将模拟信号转换成数字信号,最后将信号输入计算机,在计算机上利用软件DEWESoft对信号进行实时采集并动态显示,从而可以监测整个加工过程。经过对信号进行时域和频域分析,从而得出信号特征,最后获得正确的动态切削力信号。由系统的示意图可以很容易的看出该监测系统的工作原理:压电式传感器将难以直观表达的物理信号转换成易于测量
10、的模拟信号。此时得到的模拟信号是非常微弱的电荷信号,由于信号的强度仍不能使计算机对其进行处理,因此就将采集到的模拟信号进行放大、滤波等处理。然后将处理过的信号进行A/D转换后输入到计算机,最后计算机通过软件对信号进行监测、控制和分析。通过一系列的实验验证与调试,最终可实现通过对切削力信号的监测实时判别刀具状态以及刀具磨损情况。2.2系统部件的选取2.2.1传感器的选用随着测试、控制与信息技术的发展,传感器作为这些领域里的一个重要构成因素受到了普遍重视。传感器作为测试与控制的首要环节,能把被测物理量直接转换为和其有确定对应关系模拟信号,以满足对信息的传输、记录、显示、分析、处理以及控制等要求4。
11、其性能直接影响整个监测系统,对测量精度至关重要。因此,该系统的传感器的选择就非常重要。传感器的选用原则有:(1)灵敏度:一般来说,传感器的灵敏度越高越好,因为若灵敏度越高,就意味着传感器所能感知变化量就会越小。但当灵敏度过高又很容易受其他信号的干扰。因此,往往要求传感器的信噪比越大越好,既要求传感器的本身噪声小,且不易从外界引入干扰。(2)响应特性:传感器的响应特性必须满足不失真的测量条件且响应时间越短越好。(3)线性范围:线性范围越宽,就表明传感器的工作量程越大。传感器工作在线性区域内,是保证测量精度的基本条件。(4)可靠性:为了保证传感器在应用中具有高的可靠性,必须选用设计、制造良好,使用
12、条件适宜的传感器。(5)精确度:传感器的精度表示传感器的输出与被测量真值一致的程度。(6)测量方法:传感器在实际条件下的工作方式,工作方式不同对传感器的要求就不同5。传感器有多种类型,作者根据传感器的选用原则综合考虑了各种传感器的优点以及实验条件,在该系统中选用压电式传感器。它是一种可逆性换能器,既可以将机械能转换成电能,又可以将电能转换成机械能。这种性能使它广泛用于压力、应力加速度测量,也被用于超声波发射与接收装置。 X y + + + + + + + + + + 图2.3 压电效应原理图压电式传感器是利用压电效应来进行测量的。某些介电物质,在沿一定方向对其施加压力或拉力使它变形后,在它的表
13、面上就会产生电荷,而当外力去掉时,其又回到不带的电状态,这种现象就称为压电效应6。如图2.3所示,当在X方向上对压电晶体施加一压力时,在垂直于X轴的晶体表面上产生电荷Q。电荷Q的大小可表示为: (2.1)式中d为X轴方向受压时的压电系数,它能够表征压电材料的性能,但是同一材料在不同的受力和变形方式下其值也不同。 反过来,如果在压电晶体上垂直于X轴平面上加上电场,会使晶片产生机械变形;如果加交流电压,则切片沿电极方向有伸缩而产生机械振动,这种现象就称为“逆电压效应”或“电致伸缩效应”7。压电式传感器的传感元件是压电材料,压电材料有压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜等。压电传感器的工作原理就是利用这
14、些压电材料的压电效应。如图2.4所示,当对压电材料施加一压力时,其就会将机械能转换为电能,当将其置于电场中,压电材料就会产生机械振动,即将电能转化为机械能8。机械能电能正压电效应逆压电效应图2.4 压电效应在自然界中大多数晶体都具有压电效应, 但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究, 发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。石英晶体的突出优点是具有较好的机械强度和时间、温度稳定性。与其它传感器相比,石英力传感器具有动态特性好、静态特性好、使用性能好、稳定性好等优点。而且石英晶体的输出具有较大的线性范围与较好的响应特性等特点9。由于切削力是动态的信号,所以在本系统中我们选用石
15、英晶体作为敏感元件。最后通过对多种石英压电式传感器性能进行比较,作者最终选用了实验室现有的奇石乐公司的Kistler9257B型测力仪。该测力仪在受到外力作用后,其内部的四组压电传感器将会产生8组力信号,这8个力信号将分别以8个通道进入电荷放大器。该测力仪的特点如下:(1)刚性好,高固有频率;(2)测量范围宽;(3)线性度高且范围宽,较小的滞后性;(4)各通道间的干扰很小;(5)操作简单:按一个按钮(复位键)测量;(6)结构简单,寿命长;Kistler9257B型测力仪的实体外观如下图所示:图2.5 Kistler9257B型测力仪 图2.6 测力仪受力时传感器产生力矩示意图 如图2.6所示,
16、当测力仪受到外力作用时,其内部四组压电传感器就会产生8组(X方向的X1和X2,Y方向的Y1和Y2,Z方向的Z1、Z2、Z3、Z4)切削力信号。由此我们可以依据公式得出X、Y、Z向的合力与力矩:F=F+FF=F+FF=F+F+F+FM=b(F+F-F-F)M=a(- F+F+F-F)M=b(- F+F)+a(F-F)其中a和b是功率常数,对于9257B型测力仪来说,a和b的理论值分别为a=30mm,b=57.5mm。2.2.2信号放大器的选用传感器所产生的电信号一般非常弱。因此,我们需要通过电荷放大器对其进行放大。理想的电荷放大器是一个具有极大电容Cf负反馈的高增益运算放大器。其由电荷变换级、调
17、试级、高通滤波器、低通滤波器、末级功放、电源等几部分组成10。电荷变换级的作用是将电荷转换成与其成正比的电压信号,将高输出阻抗转换为低输出阻抗。其采用高输入阻抗、低噪声、低漂移宽带精密运算放大器。反馈电容Cf有有101pF、102pF、103pF、104pF四档。低通滤波器为二阶巴特沃斯有源滤波器,其特点是元件少,通带平坦,调节方便,可以非常有效的消除高频干扰信号对有用信号的影响。高通滤波器为二阶无源高通滤波器,其可以非常有效地抑制低频干扰信号对有用信号的影响11。放大器的原理图如下所示:图2.7 信号放大器原理图当放大器开环增益 A 、输入电阻 Ri和反馈电阻 Rf 相当大时,在计算时,可以
18、将输入电阻 Ri 和反馈电阻 Rf 忽略不计,放大器的输出电压 U0正比于输入电荷 Q设 C 为总电容,则有 U0 = -AUa = -AQ / C。根据密勒定理,反馈电容 Cf 折算到放大器输入端的等效电容为(1 + A)Cf,则有: (2.2)当 A 足够大时,则(1 + A)Cf(Ca + Cc + Ci),上式变为: (2.3)由此可见,电荷放大器的输出电压仅与反馈电容和输入电荷有关,电缆电容以及其他因素的影响可忽略不计,但需满足两个条件:(Ca + Cc + Ci)(1 + A)Cf;增益A,但电缆也不能太长,否则会降低信噪比,使低频特性变差12。根据市场导向和对各种信号放大器的性能
19、进行对比,作者最终决定采用Dewetron公司生产的电荷放大器。Dewetron公司是世界著名的设计和生产便携式数据采集系统的专业厂家,其便携式数据采集分析系统享誉世界。其一贯以精密的测量仪器、产品质量可靠和优异的性价比而著称,且目前已经成为信号处理和基于开放IPC平台的测试仪器主要生产厂商。基于Dewetron公司仪器的诸多优点和对实验条件的研究,最终决定采用其公司的 DAQPad-CHARGE-B型电荷放大器。其实体外观如下图所示:图2.8 DAQPad-CHARGE-B型电荷放大器2.2.3数据采集板的选择数据采集就是将获取的信息通过传感器转换为电信号,并通过信号采样、量化、编程以及传输
20、等步骤,最后将信号送到计算机系统中进行处理、分析、存储和显示。数据采集系统是计算机获取信息的主要途径13。驱动程序 Buffer DAQ板卡 A/D Buffer(FIFO)硬件LabVIEW程序 信号 A?显示外触发图2.9 数据采集系统结构图2.9表示了数据采集系统的结构,在采集数据之前,程序将对采集板初始化,采集板上和内存中的Buffer是数据采集与存储的中间环节。在计算机测试系统中,由于压电式传感器、信号放大器输出的信号是模拟信号,而计算机所能识别的信号是数字信号,因此在计算机和传感测试电路之间,就需要用A/D转换器来实现信息的转换和传递,进而实现监测系统对信号的控制。A/D转换器是数
21、据采集系统的核心,承担着将模拟信号转化为适合于计算机数字处理的二进制代码的任务。A/D转换器的主要功能有:(1)抽样:将模拟信号在时间上离散化,使其成为抽样信号;(2)量化:将抽样信号的幅度离散化,使其成为数字信号;(3)编码:将数字信号表示成计算机所能接受的形式14。A/D转换器的主要技术指标有:(1)分辨率:分辨率是与最低二进位的模拟量值相应的。它是A/D转换器能够区分的模拟量的最小变化值。因为能够分辨的模拟量值取决于二进制位数,因此,通常用位数表示分辨率,如8为、12位等。(2)转换时间:A/D转换时间指的是从转换命令开始到转换结束,得到稳定的数字输出量的时间。(3)量化误差:A/D转换
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