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路面铣刨机提升机构设计（全套含CAD图纸）,路面,铣刨机,提升,机构,设计,全套,CAD,图纸
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J Intell Manuf DOI 10.1007/s10845-011-0550-4基本计算方法和机械硬件对机器工作的相关扭矩的判断I. N. Tansel M. Demetgul K. Bickraj B. Kaya B. Ozcelik 接稿: 2011-3-28 / 刊发: 2011-6-9 Springer Science+Business Media, LLC 2011摘要：在工业中，当多主轴用于加工操作时，只有旋转式测力计，可用于监测。目前对于大多数的加工中心而言，商业轮转式测力计笨重，昂贵。基本计算方法和机械硬件需要更小，更符合成本效益的基于转矩加工监视器（TbMM）。TbMM概念的目的是估计余下的刀具寿命，从内拟议装置的扭矩信号检测振动，只有在出现问题时，中央计算机才与之与建立联系。余下的刀具寿命估计和颤检测算法的TbMM开发由商业轮转机测力计收集的实验数据分析。设计时，机械的TbMM的硬件产生的电压与使用压电复合元素的切削扭矩成正比。其余的刀具寿命估计从扭矩信号的标准差（或方差）获得。Teager-Kaiser算术法（TKA）的过程检测，只有一次性从四个样品的基础振动的频率估计上获得。机械组件的TbMM的信号的准确性这一特点，可以令人满意的找到加工中的问题，如磨损和振动的估计。该TbMM是一个不错的选择，尤其是当多个主轴同时工作在同一工件。关键词：刀具磨损估计振动检测测力计基于扭矩的加工监视器铣削多轴加工介绍：国际竞争迫使许多厂商使用多主轴机床，以提高生产率。国家的最先进的自动化技术，需要监测的自动化生产流程，以保持质量。研究界不断发现新的方法来提高生产率和引进的的判断方法却需要实施低成本传感器的多年工作（2002年Jeong和Chou）。在本文中，计算合理工具和机械扭矩为基础的加工监视器（TbMM）的硬件介绍。所有成分旨在保持在最低的成本和计算负荷。拟议TbMM元件的性能进行了评估在不同的实验。今天，大多数厂家使用先进的数控铣床TanselBickraj机和车床，保持部分的质量和运营的灵活性。多主轴数控机床已被广泛采用，以进一步提升制造业Gale2004; Murray 1998; Kamarthi 1994）。这些机器使用多个独立的活主轴，以执行一些操作，如攻丝，铣，和钻井同步（Korn2007）。工程师们已经安装传感器来以监测刀具状态和零件质量，测量温度，力，振动和电机的电流（Dimla 2000; Rehorn Gebze 技术研究所，Gebze, Kocaeli, Turkey et al. 2005; Juo 2000; Stein and Wang 1990; Altintas 1992; Lee et al. 1995; Kim and Kimt 1996）。使用不同的算法来检测振动，估计刀具磨损，确定断齿审视加工表面质量（Choi et al. 2004; Minis et al1990;Lee and Tarng 1999;Huang and Chen 2000;Liang et al. 2004; Heynes 2007; Castro et al. 2006）。测力计，精确地测量切削力和扭矩在所需方向（Tangjitsitcharoen2006）。收集到的数据提供了有价值的信息的加工操作，完整的工具，甚至表面粗糙度的条件。然而，这种方法也有大量的初始投资成本，需要不断地维护和加工系统（明等人，2005年-2006年;贝奈斯。施密茨等人2006年）的一部分必须考虑eration测力计的动态。两个对立的概念与理想传递函数测力计的设计要求完美的调整：最大的刚性，以保持最大的弹性最大的准确度（扭蛋等整个系统的动态1990年Tlusty等1987年至1997年; Lapujoulade。 ; Tounsi和奥托2000A，B）。其他一些监测加工操作的低成本替代品，包括主轴的力传感器（2002年军等。），力量戒指（雅伯和Heyns2004），应变计（2006年Yaldz和Unsacar; Kim和Kim1997;施密茨等人2002。 ），压电加速ometers（2006年Yaldz和Unsacar），压电薄膜accelerom eters（1997年Kim和Kim），弯梁式称重传感器（施密茨等，2002），轴位移测量工具可以安装主轴和刀具之间的TbMM，需要比传统测力计的工作空间明显较小，并不需要支持组件。 TbMM是设计到内部的扭矩信号分析和沟通中央计算机，无线时才发现问题。唯一的计算工具和机械部件的TbMM本文介绍了。应设计为TbMM电子SEP-arately考虑现有的商业组件和合法的通信平台。在下面的章节中，提出的理论背景，计算工具，机械设计，集成系统的建议操作，实验设置，结果和建议TbMM结束。理论背景：在本节中，标准差，方差，S-变换，Teager，凯泽算法术（TKA），压电陶瓷的压电材料和力测量的字符特征将简要讨论。在这项研究中的加工分析包（MAP）开发利用MATLAB的实验数据的分析。数据的方差是用下面的公式计算 其中，为标准偏差。习近平是具有n个样品的数据。 x是对样品的平均水平。很短的时间傅里叶变换（STFT）的x（t）的时间序列IZE视觉信号的时频域特性的变化与下列公式计算：其中，T和F的时间和频率。 W表示数据的不同部分傅里叶变换（FT）的计算。这就是所谓的翻译窗口。此窗口的位置是（次）。 STFT的时间和频率分辨率的矛盾。斯托克韦尔（斯托克韦尔等，1996年）用一个特殊的窗口。窗口的高度和宽度随频率的改变，同时获得最佳的频率和时域的决议：方程的逆（3）提供了原始时间序列X（t），S - 转型提供了出色的信号特征信息;但是，它需要许多calculations.A简单的微控制器或DSP可以在很短的时间内不执行的计算关系和分析。当振动的发展，增长幅度振荡的结构模式之一。 teager凯撒的混合进化计算米（TKA）的弗兰克排（2010），Maragos等。 （1993年），Vakman（1996年）的纯正弦波，通过使用下列公式计算的频率和幅度：其中，T为采样间隔。其中，F和一个信号的频率和振幅分别。压电材料产生时，其原始形状改变施加张力，剪切或压缩锡安（APC国际有限公司2002年）的费用。所产生的费用是成正比的应变。称重传感器是建立适用于外部负载的一部分，他们的压电元件（2005年图liola和比斯利。燕等人，2004年）。匹配电荷放大器可转换成可测量的电压根据选定的增益，线性化系统的特征，并提供用户数时间常数的选择，能够更准确地进行静态或动态测量费。压电片已没有收费用于测量应变振幅（Sirohi和乔普拉2000。Yenilmez等人，2007年）。在这种情况下，压电元件，而不是只建立一个负责，就像一个能量收割机使用。降低成本，复杂性和重量测量系统;然而，传感器的响应特性受到损害。压电复合材料产生大量的电荷，当他们受到部队（Yapici等，2007）。其特征的抽动可能会有所调整，选择密度和方向产生更多EF电力比传统TRIC复合iently .为能量收集应用和应变遥感（Yenilmez：等200for读取数据的最佳选择。不同长度，构成较小的REP-7）。在这项研究中，地图是使用MATLAB脚本在不同长度的读取数据，执行S-变换，光谱特性计算，估计从4个样品的幅度和频率使用，并模拟该控制器的输出。此外，基本功能和信号处理工具箱的MATLAB软件包被用于估计功率谱（快速傅立叶变换（FFT），平方的连贯性，频率响应估计（信号处理2008）。刀具剩下的使用寿命估算程序推荐：我们的实验结果确认（请参阅详情“与磨损的扭矩特性的变化”），扭矩增加的时间或后刀面磨损的增长标准差的增量。在这项研究中，采用由两个直线的解析表达式，以防止使用任何指数或其他复杂的功能，这会增加处理器和程序的大小的计算负载。一个表达式所表示的关系从开始的过渡点，其余刀具寿命，而其他的表达。转折点是在我们的测试工具寿命的2/3左右。该控制器的编程，唯一的开始，宁，过渡点和刀具寿命结束的扭矩值是必要的。扭矩的标准偏差和刀具寿命之间的关系，用以下公式表示：其中，T是扭矩。扭矩的标准偏差（T）表示。时间是t。 TTP对应切廷那里的坡度标准差的变化。这一点，可以选择约2/3的刀具寿命。在我们的例子中，我们选择了TTP10560时的刀具寿命为14,400小号。其余的工具，生活在任何时间（tremaining生活）（t）是由下列公式估计：刀具寿命的tfull-life（T（TTP）是刀具寿命达到转折点时的扭矩值的标准偏差。要获得方程的系数。 （9）和（10），用户应收集选定的切削实验数据条件工具，直到完全耗尽。一旦刀具磨损，用户将确定典型的刀具寿命。应选择的TTP2/3rd周围的刀具寿命。应计算的扭矩标准偏差三例实验的扭矩测量。这些是新的工具时，当刀具到达TTP该工具完全耗尽。 A1和M1将计算分离自T = 0和T = TTP确定的标准偏差值。同样，A2和M2将计算标准偏差值确定为T = TTP和T= tfull系数计算该式。可以用来估计在任何给定的（T）值选定的切削条件下，保持刀具寿命。建议振动检测程序。建议振动检测算法过滤与高通滤波器，以消除刀刃加工活动所造成的强迫振动的转矩信号。颤振频率是300赫兹以上，许多millifilter被选定在这项研究中，在250赫兹频率和错误操作时。截止频率的信号四阶巴特沃斯幅度估计，如果它是一个纯正弦波所使用。旋转式测力计TbMM附件，而他们固定到主轴和旋转执行加工操作过于复杂和实质性运行，关闭错误预期。此外，通过压电复合材料的电压输出外部测量suring的设备，而TbMM旋转需要复杂的仪器，并有许多障碍。TbMM的目标是处理旋转设备上的数据，并只与固定站沟通时发现问题。调查的TbMM直接的信号的特点，创建一个新的程序收集像一个固定的工具和旋转工件的信号端铣。图1:基于扭矩的加工显示器的机械设计（TbMM）。设计（左）的上限和下限的一半，向上显示压电复合圆盘之间的半扩展（右）Piezoelectric composite：压电复合材料Roller bearing：滚子轴承TbMM被连接到4组钻孔测力机。工具是固定的另一端TbMM。持有的TbMM钻井测力计螺栓的铣床表。要生成扭矩信号端铣的操作类似，像管工件的准备，减少中间。这程序提醒类似的方法，用于钻井固定工具（吕康1993）的实验，然而，工件的几何形状被修改为模拟的跨rupting端铣操作的切割。几何工件图2。工件重视主轴。在加工，工件旋转第二下移类似演习（图3）。由于工作一块有状管，在底部的刀刃去掉了立铣刀端铣类似的芯片两个相对较小的差异，为我们的操作应用。第一个区别是我们的芯片厚度不变（图4）。第二个区别是缺少掘宗塔尔在端铣刀具的相对运动。在我们的的情况下，刀具的切削刃尖不断上升，相对工件。但是，一般的字符芯片acteristics非常相似，刀刃被打断了类似的端铣操作。综合TbMM操作方法的建议：TbMM运作图是预先给出图5。由于外的TbMM电子杂志，唯一的计算工具和机械五金的焦点是已在本文讨论。应单独使用资商业电子CIAL无线通信协议，如WiFi或蓝牙齿。另外一个红外LED触发将减少无线通信和干扰。图2:半管形工件设计，以创建中断切削立铣刀的力量，而工件的旋转加工。尺寸均为毫米图3:切割与固定工具，工件的半管端铣操作的模拟Spindle ：主轴 component drilling dynamometer： 组件钻井测力计图4:端铣（简体）（左）与芯片比较。半管形工件的芯片具有恒定的厚度，并创建一个类似的相对运动的3-D螺旋（右）Tool positions at two subsequent rotations ：随后的两个旋转的刀具位置The drill like motion of the workpiece ：类似运动的工件钻图5:监测加工操作使用TbMM Multi-spindle machine tool： 多主轴机床Distributed transreceiver at the facility： 该设施的分布式收发信机Local infrared signal transmitter： 本地红外信号发射器图6:振动的发生过程中的数据采集实验装置实验装置：在这项研究中，三个实验组独立的测试收集相关数据。在第二实验组工作，振动的发展进行了监测。第三组的实验研究拟议的低成本机械部件的性能监测的扭矩信号。使用直径10毫米观察4立铣刀切削力和扭矩的变化，具有耐磨，采用AISI-1040钢工件被切断。主轴转速为4,775 RPM。切割和步骤（径向深度）深度为1毫米和3毫米。进给速度为1,050毫米/分钟。实验重复32次，直到工具磨损。奇石9123C1111转动测力计是连接到同一制造商5,223的信号conditionment PCMCI6034E数据采集卡使用。采样率ER和电荷放大器收集数据，全国仪器在实验中为10千赫。切削力和扭矩测量。在12秒长的加工周期在每个磨损水平的数据。实验每形成DECKEL MAHO DMU 60 P高高速数控铣床。研究振动发展，铝工件138.2毫米的长度和宽度122.25毫米，被切断。部分的厚度为5毫米。当部分是附着在桌子上，82.25毫米长的路段（平均）仍然可用于加工。加工板顶部有轻微的斜坡开始用0.5毫米的切割深度的切割操作，振动和噪音制服的工具之前，留在7毫米的深度切割工件与7毫米的冲程结束。实验装置如图6所示。实验中采用上一段所提到的测力机，机床，放大器和数据采集器。图7:实验装置图，获得频率响应的TbMM .Torque Arm extends outward in the z direction：在z方向向外延伸的扭矩臂Torque Analysis Device ：扭矩分析装置，Voltage Amplifier ：电压放大器Function Generator： 函数发生器，4 Component Dynamometer Table ：4分量测力计表，Composite Piezoelectric Sensor 复合压电传感器Amplifier 放大器 ，Digital Oscilloscope数字示波器，6-pin Converter 6针转换器，Charge Amplifier电荷放大器，Microcomputer for Signal Processing微机信号处理图8 TbMM被固定的4个组成部分的测力计动态测试和压电制动器激发Torque Arm ：扭矩臂图9:TbMM和钻井测力计加工测试数控铣床测试建议TbMM概念。主轴转速为2800 rpm的主轴与工件进给速度为5（12.7毫米/分钟）。切削力和扭矩测量采用Kistler9272型钻井测力计。尼310与Integra10型数字示波器用于监控和保存数据。从柱状-CAL铝6061与1.18（30毫米）直径的工件被切断。工件的内部直径为0.0787（2毫米）。立铣刀的直径为1/8（3.175毫米）。实验装置如图片9所示。结果与讨论：本节将开始讨论磨损和振动的转矩特性的变化。演算使用的文件建议的程序和建议机械的模拟控制器设计也将被分别评估图10:在10个不同的磨损水平的扭矩信号的S-变换。时间轴被压缩。获得后，0,3,000，5,340，7620，9600，10560，11 10011,520，12300，S分别为13,320切割测试之间的时间间隔忽略的信号图11:标准差的100个数据点长的段，建议用两个线性近似分析模型。实验是在不同的时间间隔。 10个标准偏差值计算在每个磨损的水平。他们出现在同一垂直线上，实验之间的时间间隔相比，在不同的磨损水平Variation of moment with wear and linear estimation on edited data ：磨损和编辑数据的线性估计的瞬间变化扭矩特性的变化。为了简化分析，有代表性的数据集是预先相比从第1000扭矩信号的磨损相关的实验样本，4RD，7，.及其他与31相同的序列测试。这些信号被收集后，工件被削减为0，3,000，5,340，7620，9600，10560，11 10011,520，12300，13,320和14160小号。此编辑11000点的数据进行分析。提出的第10次测试的信号转换的S-图10。时间频谱表明，扭矩信号的幅度增加磨损。标准差的100个数据点长相同的信号段是图11。标准偏差也增加了磨损。建议从方程的线性近似线9）和（10）估计的合理准确的扭矩信号的标准偏差。相比于计算的光谱特性，扭矩信号的标准偏差是更加令人满意的磨损和剩余刀具寿命的估计。振动的检测切削力和扭矩的在振动发展变化图12所示。切削力信号的突然增加的斜坡可检测振动的开始时，扭矩600 Hz的频率变化发展。滤波与高通滤波器截止频率为250 Hz的信号，可减少整体扭矩信号的受迫振动的影响。信号的频率和幅度估计使用TKA。S-变换的扭矩情况如图13所示。时间-频率图表明100和200赫兹左右的强迫振动情况。扭矩信号的每个数据点的平均值，和100频率估计的标准偏差的瞬时频率估计图14所示。由于TKA的纯谐波信号的频率估计，几乎符合随机分布的估计频率。图12:振动的发展过程中的切削力和扭矩信号的变化Cutting force variation during chatter development (feed direction) ，切割在数据发展（送纸方向）力变化Torque signal variation during chatter development 振动的发展过程中的扭矩信号变化图13:振动的发展过程中的扭矩信号的S-变换图14:TKA的算法（上图），平均（中图）和100个数据的标准偏差的瞬时频率估计指向数据段长Instantaneous frequency estimation 瞬时频率估计Mean of the ins. frequency estimations 平均插件的频率估计Standard deviation of the ins. frequency estimations 插件的标准偏差频率估计该控制器的模拟性能剩余刀具寿命估计计算“理论背景”，要评估的建议余下的刀具寿命估计程序的性能提出了程序后，一个新的具有代表性的数据集准备加入从1000点段的第二，第五的数据8日，与其他具有相同的序列第32磨损相关测试。模拟控制器的话，估计剩下的这一套新的工具寿命从先前确定的两个线性模型自动设置而讨论从第一次出现的数据。工具的实际及估计剩余的使用寿命如图15所示。估计精度是非常合理的，这个考虑的程序的简单性对于实施低成本的TbMM非常实用。图. 15 建议使用的余下的刀具寿命估计分析线性近似模型 提出的建议振动检测算法的性能如图16所示。振动指标上升至1时TKA的频率估计的标准偏差低于某一临界值下降的幅度和频率计算，幅度的频率的估算是基于平均值为100的TKA的估计。图. 16 振动测算法的性能。指标（上），振幅（中）和频率估计 Chatter indicator signal of the multi-conf. req. controller控制器振动的指示信号Chatter amplitude estimation of the multi-conf. req. controller控制器振动的幅度估计 Chatter frequency estimation of the multi-conf. req. controller控制器振动的频率估计TbMM机械部件的性能 TbMM被设计作为一种低成本的加工操作判断工具。它预计及研究不会有测力计般准确，且耗资超过30倍的商业TbMMs的目标价格。然而，信号的TbMM的代表的特点可接受的加工操作扭矩精度，允许软件来检测加工问题、振动和刀具磨损等。传感器和测力计的转矩信号进行了比较令人兴奋的TbMM与piezoelec-TRIC执行机构。正如该系统 “建议的振动之三检测程序“，压电致动器推杠杆而被连接到的TbMM的工具结束。TbMM被运用到钻井测力机的TbMM和测力计的信号进行比较如图17所示。表现出相似传感器输出的TbMM和钻井测力计的转矩信号（电荷放大器后）的振幅比如图1所示8。可以看出，这比2和10之间变化。如果这个比例是恒定的，用简单的大规模调整，这两个信号是相同的。相同的输出不能被预期，从TbMM和测力计加工操作过程中，它是明确的。图. 17 比较TbMM和4组件的测力计信号图. 18 180680赫兹的频率范围内传感器和测力计扭矩输出电压比TbMM传感器和钻井测力机的信号被收集在一个在其他学说所述的半加工管形工件。所建议的振动检测两个信号如图19所示。实验分别设定的工件进给速度和主轴转速在2,800 rpm和5（12.7毫米/分钟，每分钟）。由于传感器的特点的TbMM和测力机是不是在频率相同，信号不相同。我们相信，TbMM信号是足够代表在加工操作的基础上，比较两个信号的判断。预计的的总成本车间使用TbMM的监测加速度，位移或声发射是相似的。在这种成本类别，TbMM提供更有意义的比用于判断目的的上市传感器的信息。最重要的是，TbMM将可靠地工作，甚至当多个主轴上执行相同的工件同时加工操作。 FFT测力计的转矩信号和输出传感器的TbMM如图20所示。在频域信号的特点非常相似。我们假设测力计的信号输入和TbMM作为一个系统的输出信号的规模和阶段的这样一个系统传递函数的计算方法如图21所示。两个信号的连贯性（图22）表示，特别是在低频率信号的相似性。图. 19 扭矩测力计和压电复合材料图. 20 测力计的转矩信号的FFT（上）和传感器（下）的TbMMFrequency content of Piezo Ceramic：压电陶瓷频率范围图. 21 传统的测力计和频率响应Magnitude (db)：幅度（DB）图. 22 传统的扭矩信号之间的连贯估计 Coherence Estimate via Welch：韦尔奇连贯性预算结论：基于扭矩的加工监视器（TbMM）的计算和机械部件，提出监测铣削操作。在余下的刀具寿命和振动的检测估计的计算工具，开发了基于实验数据的验证。机械组件的TbMM的信号研究的特点，提出一个新的实验过程，以获得类似铣削扭矩信号，无旋转工具。专门设计的工件旋转和向下移动，以创建像立铣刀切削力，而工具是固定的代表。这种方法使铣削作业设计的旋转式测力计测试，没有把他们只是放在发展阶段。同样的步骤可以用来研究复杂的仪器，不能旋转铣削操作。有些例子是立铣刀的表面热分布测量与红外摄像机或测量用激光测振仪的振动变化。在这项研究中，TbMM钻井测力机上安装且被固定在机床工作台。计算机硬件的TBMM应该是小而强大的工作，而在高转速旋转与平衡的影响最小。如果TbMM生产线，它会磨损很快，需要约一年更换。因此，完整的硬件成本应该是今天的研究系统的成本的一小部分。估计其余的刀具寿命和检测振动的建议计算工具是足够简单，使用商用DSP的快速
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