动态二维钻削力测试系统设计

动态二维钻削力测试系统设计 1 1 设计目的与意义设计目的与意义 1 1设计对象分析设计对象分析 钻削力是机械加工过程 钻削 中的基本参数之一 钻削力的大小往 往是影响加工工艺精度 刀具耐用度和生产效率的重要因素之一 机械工 程上常通过测试钻削过程中的钻削力用于研究机床 刀具 夹具的设计 以及钻削机理的研究 自动控制和自动检测等 在机械工程中具有重要意 义 钻削力是一个动态矢量 包括大小和方向两个因素 为了便于测定 可以把钻削力分解成直角坐标系中三个方向上的分力 只要测出三个方向 上分力的大小 也就知道了钻削力的大小和方向了 由于钻削过程较为平 稳 稳态分量占较大成分 本实验就是要测定钻削力二维稳态分量 钻削 力二维稳态分力如图1 1所示 图1 1 钻削力二位稳态分量 在钻削过程中钻头的所有切削刃 两条主刃 两条副刃 和一条横刃 都 动态二维钻削力测试系统设计 2 产生轴向力 Fz 径向力 Fx 切向力 Fy 在理想状态下 即采用角度标准的新钻 头 材质均匀的工件等 由于钻头的两条左 右主 副切削刃刃磨的比较对称 径向分力Fx1和Fx2相互抵消 轴向分力Fz1 Fz2 Fz3合成Fz 切向分力Fy2和Fy3合 成为扭矩M 因此 在钻削过程中产生的钻削力主要表现为轴向力 Fz 和切向 力所形成的扭矩 M 本次测试系统的测试对象就是钻削过程中的轴向力 Fz 和扭矩 M 1 21 2设计目的与意义设计目的与意义 1 本次设计的题目为钻削力动态测试系统 通过本次设计过程 掌握机 械工程中钻削力的测力方法 2 了解钻削传感器的工作原理和测力方法 3 通过实验数据的处理 掌握消除交叉干扰的方法 并学会应用微机系 统进行测试 4 本测试系统的设计涉及多个学科的综合 含测试技术 电工学 机械 工程等相关学科 培养学生专业课程设计及综合运用知识的能力 1 31 3国内外研究现状国内外研究现状 随着科技的进步 建立预报钻削力模型的方法也在不断发展 1997年 Islam A U和Liu M C提出了用人工神经网络预报群钻轴向力和扭矩的方法 其 训练用数据直接从文献资料中提取 2001年Kawaji S等人也提出了一种用神经 网络模型估计和控制钻削轴向力的方法 离线构建一个轴向力神经网络模型 以该模型为基础 通过在线最小二乘法训练 建立一个模拟神经控制器 将经过训练的神经控制器应用于钻削系统 得到轴向力 1999年 Chen Y应用 有限元方法分析具有刃口圆弧半径刀具的斜角切削过程 建立了一个用有限次 任意刃形钻头标定的任意刃形钻头钻削力模型 2004年 Strenkowski J S等人 用一个欧拉有限单元模型模拟组成切削刃的单元刀具的切削力 提出了用有限 元技术预报麻花钻轴向力和扭矩的方法 2002年 Yang J A等人提出了一种用 I DEAS CAE软件系统实现的钻削过程仿真模型 可以预报动态钻削力 未来的研究发展趋势 1 钻削过程建模成为研究热点 影响钻削过程的各种因素 包括钻头几何结构 制造和安装误差 物理特 性 静态和动态特性 切削条件 环境温度 工件尺寸和材料等都将逐步纳入 建模研究的范围 各种钻型 切削条件和钻削工艺有关的钻削力 钻削温度 钻头磨损与寿命 切屑变形与排出 钻削质量 钻削效率和钻削成本等都将成 为钻削过程建模的对象 建模方法将更加多元化 模型预报的准确性将进一步 提高 钻削模型将不仅用于仿真和预报 而且将更多地用于指导钻头设计 制 造和钻削过程的优化与监控 2 钻头的几何设计和制造方法仍将是研究的重点 适合于加工各种材料和加工条件的新钻型将继续涌现 适用于微机械制造和 印刷电路板制造的微型钻头的研究将走向深入 钻头制造方法的研究将向集成 制造系统的方向发展 钻头特别是群钻的自动刃磨问题将得到解决 并会特别 注重设计与制造的一体化 自动化和智能化 动态二维钻削力测试系统设计 3 2 总体方案设计总体方案设计 2 1 钻削力测试系统方案设计原理钻削力测试系统方案设计原理 钻削力测定方法很多 目前使用较多的是电阻应变式电测法 经典的用 电阻应变式传感器测力系统如图2 1所示 图2 1 钻削力测定原理框图 在上图中 Fz M 输入信号 是待测的未知量 单位 N N m Nz Tm 输出信号 即示波器记录曲线稳态分量高度 通过钻削试验后 可观察到的已知物理量 单位 mm 本实验采用的即是这种方法 在上图中 钻削过程中产生的轴向力Fz和扭 矩M作为输入信号 是测试对象 切削力作用在传感器上是传感器上的应变片产 生应变 转化交流电桥中应变片中电阻变化 这样就将切削力转化为电路中的 电压 进而再通过动态应变仪与传感器显示出Nz和Tm 最后根据相应的转化关系 即可求得轴向力Fz和扭矩M 其中Nz和Tm作为示波器的输出信号 即示波器上显示曲线的最大幅值 在没有其他因素干扰的作用下 轴向力Fz和扭矩M应该与Nz和Tm分别为一一 对应关系 表现为 Nz f Fz Tm f M 由于在实验过程中 由于系统或者外界各种原因的干扰 轴向力Fz和扭矩M 应该与Nz和Tm并不表现出准确的一一对应关系 而是这两个力之间相互作用 表现为 Nz f Fz M Tm f Fz M 因此在整个测试系统中 影响轴向力 Fz 和扭矩 M 最终测定结果的主要因素 机床 电阻 应 变片 弹性 元件 交流 电桥 动态 应 变仪 光线 示 波器 观测者 中间转换装置 测量系统 传感器 测力仪 Fz M ue R R ix iy iz ix iy iz Nz Tm 动态二维钻削力测试系统设计 4 就是 Fz 和 M 之间的相互干扰 在测试系统设计中一方面要在传感器设计上 在 测试过程中采取种种措施尽量减小相互之间的干扰 另一方面要定量测出互干 扰灵敏度系数 以便在数据处理过程中去掉互干扰因素 使测量精度得以保证 2 22 2 标定试验设计原理标定试验设计原理 通过钻削实验求得了 Nz 和 Tm 为了进一步求得 Fz 和 M 就一定要坐测量 系统的标定试验 以求得测量系统输出和输入之比值 即两个灵敏度系数和四 个互干扰灵敏度系数 其标定系统如下图 2 2 所示 N 四个 K 标定架 记录 标准 传感器 静态应 变仪 观察 模拟力 基准量 测量系统 mm 模拟力 基准量 K 已知 R R 图 2 2 标定试验原理框图 在图 2 2 中输入信号 模拟钻削力每一级力值均由已知的标准传感器灵 敏度设定 在图 2 1 与图 2 2 中 弹性元件 测钻削力时采用的珩架式套筒 电阻应变片 采用金属箔式电阻应变片 8F120 5A 型 交流电桥 采用全桥形式 静态应变仪采用 YJD 17 型 动态应变仪采用 YD 15 型 标准传感器 钻削标定试验时采用 BLR 1 型拉压传感器 2 3 钻削测力仪及传感器的安装设计钻削测力仪及传感器的安装设计 钻削测力弹性元件采用桁架式套筒 如图2 3所示 我们以 Z3040 型钻床为测试对象 如图 2 4 所示 该机床最大允许轴向力 动态二维钻削力测试系统设计 5 为 Fzmax 1600kg 最大允许扭矩为 Mmax 40kg m 图2 4 Z3040型钻床 在设计传感器的时候 将传感器放置在工件与工作台中间 用螺栓固定 钻头至上而下加工时 即可测定二维钻削力 放置示意图 2 5 如下 图 2 5 传感器的安装设计图 上图所示的即为传感器的安装设计图 显示的是传感器在机床上的安装方 法 传感器的下方有一个法兰盘 用螺栓可以将传感器固定在工作台上 而传 感器的上方则有一个凸台 并开有小槽 而采用的专用工件的下方则有一个凹 台 其与传感器的凸台是为过盈配合 这样的话工件在上面也会同时被固定 而不会在加工测定二维分力时出现问题 这样的话 就刚好能够测定二维动态 图2 3 钻削测力仪 动态二维钻削力测试系统设计 6 分力 Fz 与 M 3 传感器设计传感器设计 3 1传感器的设计传感器的设计 钻削测力弹性元件采用的桁架式套筒 如图 2 3 是用一块钢材整体加工 而成的 这样更能够保证测定的准确度 电阻应变片传感器的贴片如下页图 3 1 与图 3 2 为了更加直观的看到应变 片的贴片方法 我们将钻削测力仪展开 得到其受力分析图 见图 3 3 图 3 3 钻削测力仪展开图 传感器的贴片原理则是根据材料力学中的受力分析所得到的 所设计的 传感器正是为了方便测定 Fz 与 M 故设计的套筒上有着对称的横梁与竖梁 其可以在 Fz 与 M 的作用下发生弯曲或者是扭曲变形 均属于超静定梁 受力 特点相同 这 8 条横梁可简化为图 3 4 a 所示的单端固定梁力学模型来表示 钻削测力的下半部的 4 条纵梁也可简化为图 3 4 所示的单端固定梁的力学模型 动态二维钻削力测试系统设计 7 a 受Fz力作用的横梁的受力应变图 b 受M力作用的纵梁的受力应变 图 图 3 4 弹性元件上超静定弯曲梁受力应变图 图 3 1 正面八片应变片的贴法 R 1 R 2 R 6 R1 1R1 3 R1 0 R1 2 R 5 动态二维钻削力测试系统设计 8 图 3 2 反面八片应变片的贴法 根据材料力学分析可以知道 梁的中点是应变节点 应变为零 而梁的根 部所受的应变力最大 才是贴片的有利部位 这是因为应变片传出的信号是非 常微弱的 应变越小信号越微弱 那么最后产生的误差就越大 所以要尽可能 的将应变片贴在应变大的地方 为了使电桥输出最大 不会被抵消 同时尽量消除 Fz 与 M 之间相互干扰 的影响 在联电桥的时候必须要符合上面所述的符号规则 另外 为了提高抗 干扰能力 测 Fz 与 M 是两个电桥分别采用了每臂双片的形式 3 2 误差分析与处理误差分析与处理 由前面总体方案设计知 这种设计的测定方法存在着两个力的相互之间的 干扰误差 为了去除干扰误差 应进行标定试验 由图3 标定试验原理框图分析可知 传感器的静态标定系统主要由以下几 部分组成 1 被测物理量标准发生器 标定架 2 被测物理量标准测试系统 标准传感器 静态应变仪 显示器 3 被标定测试系统 被测试传感器 应变仪 记录器或示波器 具体标定步骤如下 R 9 R1 5 R 4 R 3 R 8 R1 4 R1 6 R 7 动态二维钻削力测试系统设计 9 1 将传感器测量范围分成若干等间距点 2 根据传感器量程分点情况 输入量由小到大逐渐变化 并记录各输入输 出值 3 再将输入值由小到大逐渐变化 并记录各输入输出值 4 重复上述两步 对传感器进行正反形成多次重复测量 将得到的测量数 据用表格列出或者绘制曲线图 5 进行测量数据处理 根据处理结果确定传感器的互干扰灵敏度和系统直 接灵敏度 钻削力标定实验架如图 3 5 所示 图中 BLR 1 为标准传感器 图中的螺旋千斤顶是起到了传递力的作用 下 面的三爪卡盘则是为了固定螺旋千斤顶与我们所设计的传感器 而传感器的另 一端是固定在工作台上 而图中钢丝绳缠绕在三爪卡盘上 与标准传感器相连 接 同时其中还加了一个螺旋加力器 为了产生一个力 是桁架式套筒传感器 受到扭矩 M 以上就是钻削力标定实验架的工作原理 我们需要根据以上装置测出四个灵敏度系数 由以上装置 我们施加力 Fz 与 Fy 之后 由标准传感器可以得到输出量为 Ny 与 Nz 由此可以得到钻削力 测量系统静态标定曲线如图 3 6 所示 动态二维钻削力测试系统设计 10 图 3 5 钻削力标定试验架 在图 3 6 中 Fy Fz 代表各项所加载荷 Ny Nz 代表示波器各项输出 Ny Fy 代表系统 y 方向直接灵敏度曲线 Nz Fz 代表系统 z 方向直接灵敏度曲线 Ny Fz 代表系统 y 方向相互干扰灵敏度曲线 Nz Fy 代表系统z方向相互干扰灵敏度曲线 图 3 6 钻削力测量系统静态标定曲线 根据图 3 6 可以求得最终的四个灵敏度系数为 动态二维钻削力测试系统设计 11 yy Ny Fy 式 3 1 yz Ny Fz 式 3 2 zy Nz Fy 式 3 3 zz Nz Fz 式 3 4 测得钻削力Ny Nz 后 根据标定试验 4 个灵敏度系数 可建立下列 经验公式 Ny ayyFy ayzFz 式 3 5 Nz azyFy azzFz 式 3 6 解方程课求得各向真实分力 其中 将Fy乘以转盘直径即可求得扭矩M 4 测试电路设计测试电路设计 4 1 电桥的联接与电路原理框图电桥的联接与电路原理框图 根据所设计的传感器 联接电桥如图 4 1 所示 电桥上所示阻值变化符号 均是在直接输入信号所为 而互干扰输入信号 M 使第 1 8 片符号均为 互 干扰输入信号 Fz 使 9 12 片符号亦均为 故上述两电桥的互干扰输出信号 理论上趋于零 yyz zzz y N N F yyy z yz z N N F yyyz z yzz 动态二维钻削力测试系统设计 12 图4 1测Fz M电桥 根据所学的专业课测试技术我们设计的电路原理框图如图 4 2 所示 图 4 2 动态电阻应变仪电路原理框图 由于应变片受力变化而导致的电阻变化 经由电桥输出的信号十分的微弱 而且信号较杂 故需要通过交流放大电路 相敏检波电路 低通滤波电路之后 再输出到示波器上 4 2 交流放大电路交流放大电路 由应变片受力而导致电阻变化 从电桥输出信号 但是输出的这个信号是 非常微弱的 如果直接输出 那么不仅误差会十分的大 甚至有可能得不到信 号 故需要将输出信号进行放大 此处选用的交流放大电路是共发射极放大电 路 因为这种放大电路不仅改善了波形 而且提高了放大倍数的稳定性 放大 后的波形误差小 其放大电路图如图 4 3 动态二维钻削力测试系统设计 13 图 4 3 交流放大电路 4 3 相敏检波电路相敏检波电路 经过交流放大电路放大后的信号强度增大了 但信号还是原来的没有变 此时的信号很杂乱 无法准确的判断出信号的相位 此时就要用到相敏检波电 路 相敏检波电路时一种即能反映出调制信号的幅值 又能反映调制信号的极 性 相位 的解调器 采用相敏检波电路就可以容易的判断出输出信号的极性 便于后面滤波后的分析 其采用相敏检波电路的电路图如图 4 4 图 4 4 相敏检波电路 4 4 低通滤波电路低通滤波电路 滤波器是一种选频装置 它可以使信号中特定的频率成分通过 同时极大 的衰减其他频率成分 故在将信号接到示波器上显示出来之前应该滤波 这样 动态二维钻削力测试系统设计 14 的话才可以观察到我们所需要的信号 而不被别的信号所干扰 此处选用的滤波器为多路负反馈型二阶有源低通滤波器 由于一阶有源滤 波器在隔离增益性能方面由于无源滤波器 故应该用有源的 但是一阶有源滤 波器仍存在着通带外高频成分衰减缓慢的弱点 为了减少这一弱点 就需要加 高滤波器的阶次 采用的多路负反馈型滤波器的特点是运算放大器工作在负反 馈的状态 而且 0 其动态性能好 其电路图如图 4 5 图 4 5 多路负反馈型二阶有源低通滤波器 综合以上各个部分电路 再加上一个振荡器 总的电路图如下页的图 4 6 所示 动态二维钻削力测试系统设计 15 图 4 6 总电路图 动态二维钻削力测试系统设计 16 5 小结与体会小结与体会 该测试系统经过实例运行课实现功能 本次课程设计的题目是钻削力动态测试系统 时间为三周 不知不觉三周 时间已接近尾声 课程设计也已基本完成 虽然时间短暂 但是在这短暂的三 周里 我学到了很多关于传感器方面的知识 作为机械工程及自动化专业的学 生 以后从事的工作大多仍是机械方面的 而传感器则是与机械密不可分的 在机械的许多方面都需要用到传感器方面的知识 这次课设为以后工作做了个 很好的铺垫 这次课设题目难度适中 刚好能够发挥我们所学的知识 将我们学过的测 试技术 机械设计 电工技术 传感器原理等知识综合起来 以课程设计的题 目为中心将这些知识进行综合运用 从而完成本次课程设计 三周的课设不仅让我们将以前所学的知识系统的梳理了一遍 同时通过查 找资料 也学到了许多课本上学不到的知识 扩宽了视野 增长了见识 不论 是为以后进一步深造或是工作都打下了坚定的基础