基于加工中心机床切削力信号的在线监测设计

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1、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：①实时性好，能够对切削力进行实时在线测量；②测量范围大、高精度以及高分辨率；③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

2、加工中，刀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

3、此结论来确定何时换刀，从而提高生产质量。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

4、）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

5、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

6、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

7、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