胡鴻志，滕全進(jìn)，管 芳，徐翠鋒，黃俊鋒

(1.廣西自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西桂林 541004；2.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院,廣西桂林 541004)

0 引言

鉆削加工是機(jī)械制造業(yè)的重要分支，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造和工程機(jī)械制造等領(lǐng)域[1]。隨著制造業(yè)發(fā)展趨向于更加靈活的個(gè)性化生產(chǎn)，人們對(duì)于鉆削加工的可靠性和生產(chǎn)效率具有更高的需求，擬人行為的自適應(yīng)智能控制已經(jīng)成為鉆削過程控制的重要發(fā)展方向[2]。

鉆削過程智能控制需要大量標(biāo)注樣本進(jìn)行算法訓(xùn)練，這是建立鉆削力與鉆削控制參數(shù)映射關(guān)系的必要條件[3-4]。鉆削加工過程中，影響鉆削力的鉆削參數(shù)包括鉆頭的給進(jìn)速度和主軸轉(zhuǎn)速等[5-6]，鉆削力與鉆削控制參數(shù)之間映射規(guī)律的研究，可以采用鉆削力測(cè)量?jī)x器進(jìn)行在線鉆削力監(jiān)測(cè)[7]，替代復(fù)雜的鉆削過程建模，簡(jiǎn)化鉆削控制算法優(yōu)化工作。

目前，鉆削測(cè)力儀大多利用石英晶片的壓電效應(yīng)，將石英晶片受力產(chǎn)生的電荷信號(hào)，采用高阻抗電荷放大器轉(zhuǎn)換放大成電壓信號(hào)后進(jìn)行處理，因此必須解決電荷信號(hào)在噪聲環(huán)境中的抗噪問題，這是壓電式鉆削測(cè)力儀的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，導(dǎo)致測(cè)力儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝要求、調(diào)試難度和研制成本都較高[8]。

針對(duì)上述問題，避開壓電信號(hào)處理的繁瑣過程，本文設(shè)計(jì)出一種設(shè)備結(jié)構(gòu)和裝配工藝簡(jiǎn)單、成本較低的電阻應(yīng)變式鉆削測(cè)力儀。該測(cè)力儀將電阻應(yīng)變式傳感器和嵌入式技術(shù)相結(jié)合，能實(shí)時(shí)測(cè)量鉆削力的軸向、切向及兩個(gè)正交徑向分量。

1 鉆削測(cè)力儀的測(cè)量原理及構(gòu)造

1.1 鉆削測(cè)力儀系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)力儀主要由測(cè)力機(jī)械機(jī)構(gòu)、信號(hào)處理模塊以及計(jì)算機(jī)組成，如圖1所示，其中信號(hào)處理模塊又包括放大器、低通濾波器和內(nèi)嵌ADC的微控制器(MCU)。鉆削加工時(shí)，力傳感器將鉆削力轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，由放大器放大至ADC適當(dāng)?shù)臋z測(cè)范圍內(nèi)，再通過濾波器濾除高頻噪聲，最終在微處理器中使用ADC將模擬信號(hào)量化后，通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。

圖1 鉆削測(cè)力儀整體框圖

1.2 測(cè)力儀的鉆削力測(cè)量原理

鉆削測(cè)力儀能檢測(cè)鉆削軸向力Fz、切向力Ft以及徑向力Fr。測(cè)力原理如圖2所示，鉆削測(cè)力儀的夾持平臺(tái)正下方設(shè)置軸向傳感器，用于測(cè)量鉆削軸向力Fz；在夾持平臺(tái)邊緣設(shè)置切向傳感器，可隨夾持平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，用于測(cè)量鉆削切向力Ft；夾持工件的鉗塊內(nèi)設(shè)置徑向傳感器，用于測(cè)量鉆削徑向力Fr。

圖2 測(cè)力儀測(cè)力示意圖

測(cè)力儀是通過測(cè)量鉆削扭矩間接測(cè)量鉆削切向力，而鉆削扭矩可采用力矩法測(cè)量。切向傳感器安裝于夾持平臺(tái)的邊緣，傳感器軸線與其運(yùn)動(dòng)軌跡圓相切，傳感器凸臺(tái)頂部垂直于運(yùn)動(dòng)軌跡圓的半徑R。圖3中，F(xiàn)為切向傳感器所測(cè)的力，R為運(yùn)動(dòng)軌跡圓的半徑，F(xiàn)t為鉆頭鉆削切向力，d為鉆頭的直徑。由圖3可知：

(1)

(2)

從式(2)中可以看出，由于R是確定值，只要讀出力傳感器所檢測(cè)到力的大小，即可根據(jù)鉆頭直徑計(jì)算出鉆頭鉆削時(shí)的切向力。

圖3 鉆削力測(cè)量示意圖

鉆削徑向力通過2個(gè)軸線垂直的傳感器檢測(cè)，如圖2所示，2個(gè)傳感器的軸線在同一平面內(nèi)，且軸線交點(diǎn)是夾持平臺(tái)的圓心，兩條軸心線呈90°，傳感器的壓力敏感區(qū)與工件側(cè)面接觸。徑向力傳感器安裝于鉗塊內(nèi)，可隨鉗塊沿著平行于其軸線的軌道運(yùn)動(dòng)，因此可將鉆削徑向力分解為兩個(gè)正交分力Fx和Fy，如圖4所示，測(cè)出Fx和Fy即可合成鉆削徑向力Fr。

圖4 徑向力分解示意圖

1.3 測(cè)力儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖5為鉆削測(cè)力儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。鉆削測(cè)力儀主要由圓形支撐座、軸向傳感器、支撐圓盤、軸承和夾持平臺(tái)組成。圓形支撐座呈圓柱體結(jié)構(gòu)，其上沿著圓心均勻固定分布4塊弧形擋板，4塊弧形擋板構(gòu)成一個(gè)柱形空間。

圖5 鉆削測(cè)力儀的結(jié)構(gòu)圖

軸向傳感器設(shè)置于圓形支撐座的中心位置，支撐圓盤固定在軸向傳感器上，支撐圓盤上面采用螺栓固定設(shè)置有軸承，軸承固定設(shè)置有夾持平臺(tái)，夾持平臺(tái)能夠相對(duì)于支撐圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，軸向傳感器的軸線與支撐圓盤的軸線、軸承的軸線、夾持平臺(tái)的軸線重合。

如圖6所示，夾持平臺(tái)整體呈圓柱體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)開設(shè)有方形槽。方形槽內(nèi)設(shè)置有十字軌道，工件放置于十字軌道上且處于方形槽中心位置，在軌道上運(yùn)動(dòng)的4個(gè)鉗塊用于夾緊工件，其中2個(gè)鉗塊內(nèi)嵌有力傳感器，這2個(gè)鉗塊由絲桿推動(dòng)，另外沒有力傳感器的鉗塊由彈簧推動(dòng)。鉗塊內(nèi)力傳感器的軸線穿過夾持平臺(tái)的圓心。

圖6 夾持平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

于是，工件被固定在夾持平臺(tái)上，形成一個(gè)整體。當(dāng)鉆頭的切削作用力對(duì)工件作用時(shí)，工件有轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，從而帶動(dòng)夾持平臺(tái)有轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)。夾持平臺(tái)的外側(cè)邊沿設(shè)置有切向傳感器，切向傳感器與弧形擋板作用即可得出鉆削切向力。

1.4 力傳感器信號(hào)處理

測(cè)力儀采用電阻應(yīng)變片傳感器檢測(cè)鉆削力，電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。測(cè)力儀采用的傳感器其內(nèi)部是單臂橋電路，如圖7所示，其中一個(gè)橋臂是應(yīng)變片。傳感器受到外部作用力時(shí)，內(nèi)部應(yīng)變片由于形變導(dǎo)致阻值變化，從而引起電橋輸出電壓改變。

圖7 信號(hào)處理電路原理圖

圖7中，D、B端加入激勵(lì)電壓，在A、C端測(cè)量輸出信號(hào)電壓值。電橋設(shè)計(jì)為R1=R2=R3=R4=R，稱之為等臂橋，根據(jù)圖7可知：

(3)

式中UAC為電橋的輸出電壓。

由式(3)可知，當(dāng)激勵(lì)電壓Ui為恒定值時(shí)，電橋的輸出信號(hào)UAC與應(yīng)變片電阻的變化量呈正比。

由于傳感器在受力時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械形變微小，所以A、C端輸出信號(hào)電壓值很小，為0.01 mV量級(jí)，不能直接進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，需要經(jīng)過放大器放大到A/D轉(zhuǎn)換器要求的幅度。本文使用AD623作為測(cè)量放大器，信號(hào)處理電路原理圖如圖7所示。其輸入輸出表達(dá)式為

(4)

式中：Uo為信號(hào)處理電路的輸出信號(hào)；RK為100 kΩ的定值電阻；RG為增益電阻。

調(diào)節(jié)RG阻值大小可以改變AD623的放大倍數(shù)。調(diào)節(jié)RG在合適的阻值，使AD623輸出電壓在0～3.3 V之間，使其處于A/D轉(zhuǎn)換器適當(dāng)?shù)妮斎腚妷悍秶?。系統(tǒng)以O(shè)P07為核心構(gòu)成二階低通濾波器，濾除信號(hào)中的高頻干擾。

2 鉆削測(cè)力儀參數(shù)標(biāo)定

鉆削測(cè)力儀輸出的是電壓值，需要線性映射到鉆削力數(shù)值，因此需要對(duì)測(cè)力儀所測(cè)量的軸向力、徑向力和扭矩進(jìn)行標(biāo)定。靜態(tài)標(biāo)定采用階梯加載法，標(biāo)定時(shí)應(yīng)確保測(cè)力儀水平放置在標(biāo)定臺(tái)上，力軸方向與力傳感器受力方向嚴(yán)格一致，保證測(cè)量放大器AD623的放大倍數(shù)在合適范圍內(nèi)。

2.1 軸向力的標(biāo)定

軸向力的標(biāo)定過程中，首先滿量程載荷3次，調(diào)節(jié)儀表放大器AD623的增益，然后用一組砝碼依次測(cè)試其對(duì)應(yīng)的輸出。軸向力量程設(shè)定為0～500 N，標(biāo)定時(shí)依次加載力20～500 N的9個(gè)標(biāo)定點(diǎn)，得到如表1所示的標(biāo)定數(shù)據(jù)，擬合曲線如圖8所示。

圖8 軸向力標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合曲線

2.2 扭矩的標(biāo)定

采用力矩法對(duì)測(cè)力儀進(jìn)行扭矩標(biāo)定，選擇力臂為100 mm，依次加載力：10、20、30、40、50、100、150、200、

表1 軸向力標(biāo)定數(shù)據(jù)

250 N，得到扭矩為：1、2、3、4、5、10、15、20、25 Nm，標(biāo)定結(jié)果及擬合曲線分別如表2和圖9所示。

表2 扭矩標(biāo)定數(shù)據(jù)

圖9 扭矩標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合曲線

2.3 徑向力的標(biāo)定

測(cè)量徑向力由2個(gè)正交的傳感器完成，雖然2個(gè)傳感器型號(hào)都一樣，但是由于傳感器自身以及調(diào)理放大電路的差異，仍需要分別標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如表3、表4和圖10、圖11所示。

表3 徑向力a標(biāo)定數(shù)據(jù)

圖10 徑向力a標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合曲線

表4 徑向力b標(biāo)定數(shù)據(jù)

圖11 徑向力b標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合曲線

標(biāo)定數(shù)據(jù)表明，軸向力、扭矩以及徑向力與對(duì)應(yīng)的ADC數(shù)字量成線性關(guān)系，標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合曲線的擬合度R2都為0.999 9以上，且非線性誤差和不重復(fù)度誤差均小于1%，符合實(shí)際檢測(cè)需要。

3 實(shí)驗(yàn)

標(biāo)定工作完成后，采用直徑為6.5 mm的高速鋼鉆頭，對(duì)厚度為40 mm的碳鋼(50#鋼)試件進(jìn)行加工，對(duì)鉆削過程中的鉆削力信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。

采用分級(jí)給進(jìn)方式在厚度為40 mm的碳鋼試件上打孔，測(cè)力儀實(shí)時(shí)記錄鉆頭鉆削過程中所產(chǎn)生的軸向力、切向力、徑向力，其實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)采樣頻率為12 kHz，圖12、圖13記錄的是打單個(gè)孔時(shí)3個(gè)力幅值的變化情況，其中圖12中的徑向力為2個(gè)正交分力的合力數(shù)值，圖13記錄的是2個(gè)正交徑向分力的空間合成效果。

圖12 鉆削過程鉆削力數(shù)值曲線

圖13 鉆削過程徑向力空間示意圖

從圖12中可以看出，軸向力與切向力有著高度的相關(guān)性，軸向力對(duì)切向力的影響很大。從圖12、圖13可以看出，鉆削過程中，徑向力的大小和方向都在不斷變化，這是鉆削排屑過程中切屑與孔壁相擠壓而造成的。

4 結(jié)論

本文為實(shí)現(xiàn)微小深孔鉆削力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)而研制了一種電阻應(yīng)變式鉆削測(cè)力儀，可以在線測(cè)量鉆頭的軸向力、切向力和徑向力。本文介紹了測(cè)力儀工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和信號(hào)處理方法，鉆削力靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，標(biāo)定數(shù)據(jù)的曲線擬合度均為0.999以上，且非線性誤差和不重復(fù)度誤差均小于1%；動(dòng)態(tài)鉆削測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)力儀能實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)各個(gè)鉆削力的變化，滿足實(shí)際工程需求。