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安全可靠的現(xiàn)代機(jī)械加工自動(dòng)化生產(chǎn)要求對(duì)切削過(guò)程和刀具狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這樣可及時(shí)識(shí)別由于刀具磨損或斷裂而導(dǎo)致的切削條件惡化，以防止損壞工件或加工設(shè)備。

目前各類測(cè)量力、應(yīng)變、振動(dòng)、聲發(fā)射和功率的傳感器被用于切削過(guò)程和刀具的監(jiān)測(cè)。一般而言，監(jiān)測(cè)金屬切屑分離過(guò)程中產(chǎn)生的力能夠獲得最有價(jià)值的信息。也就是說(shuō)，要進(jìn)行可靠的刀具磨損監(jiān)測(cè)，必須精確地測(cè)量切削力。許多探測(cè)車(chē)床刀具磨損的研究表明，三向切削力分量的加權(quán)分析，遠(yuǎn)比只監(jiān)測(cè)單個(gè)分力可靠。單向力監(jiān)測(cè)通常只適用于監(jiān)測(cè)碰撞和刀具斷裂。即使是在這些場(chǎng)合，測(cè)量三向力無(wú)疑會(huì)提高監(jiān)測(cè)可靠性。

基于測(cè)量三向切削力原理的壓電式切削過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)固有的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，動(dòng)態(tài)范圍寬和頻響高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合切削過(guò)程對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求。然而，切削加工環(huán)境，現(xiàn)代精密加工過(guò)程對(duì)測(cè)量分辨率的高要求以及各種新式加工中心對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可安裝性的特殊要求，對(duì)現(xiàn)代切削監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。

1 現(xiàn)代切削加工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1. 內(nèi)置式切削力傳感器 多分量壓電力傳感器因其優(yōu)異的剛性和小型化，已成功地用于車(chē)床來(lái)監(jiān)測(cè)碰撞、斷裂和磨損。新型內(nèi)置式切削監(jiān)測(cè)三向力傳感器由于外殼氣密，焊接電纜滿足防護(hù)等級(jí)IP68和便于傳感器安裝和布線的電纜插接形式，更適合應(yīng)用于嚴(yán)酷的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。
   

   圖1 內(nèi)置式力傳感器及其優(yōu)異線性
   圖2 用內(nèi)置式力傳感器監(jiān)測(cè)車(chē)床加工過(guò)程
   (a)	(b)
   圖3 高精度切削測(cè)力儀的設(shè)計(jì)
   圖4 精密磨削的敏感棒的過(guò)程監(jiān)測(cè)
   圖5 多分量測(cè)力環(huán)
   圖6 安裝了測(cè)力環(huán)的監(jiān)測(cè)主軸
   n=8000r/min,vc=2400mm/min 圖7 銑削中心軸承測(cè)量主軸切削力的測(cè)量8mm鉆頭
   n=15000r/min,vc=3600mm/min 圖8 鉆削中心軸承測(cè)量主軸切削力的測(cè)量2mm鉆頭

   1. 設(shè)計(jì)原理 內(nèi)置式多分量力傳感器由一組精確安裝在一個(gè)鋼殼體內(nèi)的石英晶片和內(nèi)置微型電荷放大器組成。利用不同壓電效應(yīng)的晶片和晶軸的不同定位，一個(gè)力傳感器可以同時(shí)測(cè)量三個(gè)力分量-軸向力(F_z)和兩個(gè)正交剪切力(F_x和F_y)。依據(jù)傳感器的安裝位置和方向不同，相應(yīng)的三向力與切削力(主切削力，切深抗力和進(jìn)給抗力)的對(duì)應(yīng)關(guān)系亦不同。因?yàn)榇怪庇趥鞲衅鬏S向的剪切力是通過(guò)摩擦力傳遞的。這意味著傳感器必須在法線方向上預(yù)加載。多分量可靠監(jiān)測(cè)的先決條件(線性好和交叉效應(yīng)小)是傳感器必須精密制造，保證載荷以最佳方式作用到敏感元件上。圖1的線性標(biāo)定曲線表明，新型內(nèi)置式力傳感器的線性極為優(yōu)異。

      內(nèi)置電荷放大器具有兩個(gè)不同的測(cè)量范圍，可通過(guò)外部信號(hào)控制來(lái)選擇電荷放大器的放大倍數(shù)(1:5)。這為不同切削過(guò)程的監(jiān)測(cè)提供了便利，因?yàn)椴煌募庸み^(guò)程，比如粗加工和磨削，它們的加工力一般差異較大。

      
      

   2. 應(yīng)用便利性 內(nèi)置電荷放大器的力傳感器具有標(biāo)準(zhǔn)化的外形尺寸(16mm高，25mm深，25mm寬)，使得不同傳感器的互換安裝相當(dāng)便利。如果在車(chē)床設(shè)計(jì)時(shí)考慮傳感器的安裝槽，則為車(chē)床監(jiān)測(cè)提供了便利接口。在現(xiàn)有車(chē)床上加工安裝槽亦比較容易。利用一個(gè)雙楔機(jī)構(gòu)，可將傳感器安裝在結(jié)構(gòu)的袋狀凹槽或在兩個(gè)機(jī)器部件之間(圖2)，同時(shí)也提供了多分量傳感器準(zhǔn)確測(cè)量所需的預(yù)載荷。

   這類力傳感器也可直接安裝在部件連接處，比如車(chē)床拖板和刀架之間，或者主軸和磨床床身之間。在這些應(yīng)用場(chǎng)合，傳感器可以裝在機(jī)床導(dǎo)軌的凹槽中，或者固定到一個(gè)中間安裝板上。利用螺栓和傳感器的環(huán)形安裝孔，可將具有微凸安裝表面的傳感器預(yù)緊固定到機(jī)床部件上。

   多分量測(cè)力和分析可為車(chē)床碰撞，刀具斷裂和磨損監(jiān)測(cè)提供可靠的信息。特別是對(duì)于刀具的磨損監(jiān)測(cè)，必須通過(guò)測(cè)量三向力來(lái)實(shí)現(xiàn)。要識(shí)別因刀具磨損而引起加工過(guò)程力的變化，對(duì)力傳感器的質(zhì)量要求較高。要求力傳感器三個(gè)方向的靈敏度均勻，不同方向力分量之間的交叉效應(yīng)小，同時(shí)要適于嚴(yán)酷加工條件。迄今的應(yīng)用表明:新型內(nèi)置式力傳感器完全滿足上述條件，是車(chē)床碰撞、刀具斷裂和磨損監(jiān)測(cè)的理想工具。

   
   

2. 高速精密切削過(guò)程的監(jiān)測(cè)

   1. 高速精密切削測(cè)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 高速精密切削過(guò)程由于加工力微小，轉(zhuǎn)速高，要求監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有很高的測(cè)量分辨率和固有頻率，才能精確捕捉切削力峰值，獲得可靠的監(jiān)測(cè)結(jié)果。

      高精密切削測(cè)力計(jì)(圖3a)采用了新型壓電敏感材料和一種獨(dú)特設(shè)計(jì)，主面板和兩個(gè)翼板之間在鉛垂方向上分別安裝兩個(gè)三向力傳感器(圖3b)，相對(duì)于兩塊翼板對(duì)稱安裝的傳感器共用一個(gè)預(yù)載螺栓預(yù)緊。測(cè)力計(jì)通過(guò)兩個(gè)翼板固定在機(jī)床工作臺(tái)上。這種傳感器對(duì)稱推挽式的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可完全補(bǔ)償由于溫度變化而引起的誤差。實(shí)驗(yàn)室測(cè)量和工業(yè)應(yīng)用表明:這種測(cè)力計(jì)受溫度影響極小，比傳統(tǒng)測(cè)力計(jì)的溫度效應(yīng)改善了15倍。由于設(shè)計(jì)巧妙，高精密切削測(cè)力計(jì)具有如下特點(diǎn):

      • 測(cè)量閾值小(<2mN)可測(cè)量非常小的切削力，信號(hào)重復(fù)性強(qiáng)：

      • 完全沒(méi)有漂移，單次測(cè)量可持續(xù)長(zhǎng)達(dá)3min：

      • 溫度誤差?。?/p>

      • 剛度高即使在超載情況下，實(shí)際形變亦可忽略：

      • 固有頻率高(5.5kHz)。

      
      

   2. 精密切削測(cè)力系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)應(yīng)用 這種測(cè)力計(jì)由于其薄形設(shè)計(jì)，可簡(jiǎn)便地安裝在各種機(jī)床上，適合于精密銑、車(chē)、磨削，晶片切割，硬材料的高精度車(chē)削等高速機(jī)加工和超精密機(jī)加工過(guò)程監(jiān)測(cè)。圖4表示的是這種高精密測(cè)力計(jì)用于硅敏感材料的磨削加工過(guò)程，根據(jù)切削力變化識(shí)別工件斷裂，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加工過(guò)程。

      由圖4可見(jiàn)，此精密磨削過(guò)程的切削力很小，正常加工狀態(tài)下的法向、切向和軸向切削力均小于0.1N，而工件斷裂時(shí)軸向和法向切削力急劇增大，分別達(dá)到1.9N和0.8N。由此可實(shí)時(shí)識(shí)別出磨削過(guò)程中發(fā)生的工件斷裂事件。

      
      

   
   

3. 現(xiàn)代加工中心測(cè)量主軸 由于加工中心結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工件尺寸大，特別是新式加工中心，幾乎沒(méi)有可能安裝力傳感器。通過(guò)專門(mén)制做一些內(nèi)置力傳感器的部件與主軸一起，構(gòu)成所謂測(cè)量主軸來(lái)測(cè)量作用在主軸上的切削力，實(shí)現(xiàn)在加工中心上的切削過(guò)程監(jiān)測(cè)。

   1. 多分量測(cè)力環(huán)—監(jiān)測(cè)主軸 多分量測(cè)力環(huán)為內(nèi)置若干個(gè)超薄型力傳感器的環(huán)形架，傳感器按測(cè)力方向?qū)ΨQ安裝見(jiàn)圖5。圖6顯示的是一個(gè)在軸承后面安裝了測(cè)力環(huán)的測(cè)量主軸。

      當(dāng)傳感器環(huán)正確安裝在主軸結(jié)構(gòu)上后，就可測(cè)量X，Y，Z三個(gè)方向的切削力。傳感器環(huán)被固定在軸承法蘭盤(pán)和外殼結(jié)構(gòu)之間，因力傳感器在測(cè)力環(huán)架上凸起，故作用在主軸和軸承上的力全部通過(guò)此測(cè)力環(huán)，以這種方式安裝力傳感器測(cè)力很靈敏。壓電石英力傳感器的高靈敏和高剛度特性使得主軸的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性幾乎不受影響。通過(guò)在后續(xù)儀器(電荷放大器)上選擇測(cè)量范圍，用同一個(gè)傳感器環(huán)可以測(cè)量大小不同的切削力。將測(cè)量主軸獲得的銑削信號(hào)與用臺(tái)式測(cè)力計(jì)的測(cè)量結(jié)果比較，兩者信號(hào)相當(dāng)一致。

      
      

   2. 軸承測(cè)力環(huán)-監(jiān)測(cè)主軸 為測(cè)量加工中心上的軸向切削力，采用內(nèi)置力傳感器的軸承測(cè)量環(huán)，將其安裝在主軸前軸承(固定軸承)之間或后面。軸承測(cè)力環(huán)測(cè)量很敏感，精度較高。用旋轉(zhuǎn)式切削測(cè)力計(jì)對(duì)軸承測(cè)力環(huán)的標(biāo)定試驗(yàn)和部分銑削和鉆削應(yīng)用表明:軸承測(cè)量環(huán)的測(cè)量結(jié)果與旋轉(zhuǎn)式切削測(cè)力計(jì)非常一致。圖7和圖8分別為銑削中心和鉆削中心上用軸承測(cè)力環(huán)獲得的切削測(cè)量結(jié)果。

   利用這種測(cè)量主軸，也可測(cè)量組裝主軸時(shí)的軸承預(yù)緊力。還可識(shí)別影響主軸壽命的非正常載荷狀態(tài)。

   
   

2 結(jié)論

現(xiàn)代切削加工要求可靠的過(guò)程測(cè)量和監(jiān)測(cè)。針對(duì)各種切削加工過(guò)程監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì)的不同的壓電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為這一領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有效手段。這些技術(shù)的深入研究和應(yīng)用范圍的開(kāi)拓仍在進(jìn)行，將為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展不斷提供功能完善，性能可靠的測(cè)量手段。

文章來(lái)源：中國(guó)刀具信息網(wǎng)　　添加人：阿刀