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精密加工系统综合实时监测技术研究 |
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作者：陈东生 李尚政 |
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为提高机械加工的精度，对精密加工系统的状态进行综合的监测是技术发展的趋势。精密加工系统的状态监测和故障诊断技术是近年来国内外发展较快的一门新兴学科，它包括对机械状态量(力、位移、振动、温度、压力、和流量等)的监测，状态特征参数变化的辨识，机械产生振动和损伤时的原因分析、振源判断、故障预防等等。通过对精密数控车床精密加工过程中设备状态(刀具三向切削力、振动、刀具温度、主轴轴向位移)和旋转工件部分参数(工件表面温度)的实时监测，其实质是了解和掌握加工系统在运行过程中的状态，优化设备运行和加工过程，在出现异常时，可提供分析的数据。
本系统的目的是通过对精密加工系统中一些影响精密加工的因素的监测，了解加工系统的工作状态，并为提高加工精度、深化对精密加工过程的认识而提供分析依据。
在精密加工中，车床的振动，主轴的位移、刀具温度、刀具切削力、工件温度对工件的加工精度影响较大，故本装置主要监测以上5个参数。图1是系统原理图。所监测的非电参数信息通过不同的传感器被检测，然后经信号的转换和放大后送入数据采集系统。通过对监测数据处理，实现在线显示。当前对刀具的温度检测和旋转工件的温度场的检测并不十分理想，本系统对其进行一些探讨。另外，该系统采用一种新型的刀具三向切削力检测装置。
1 系统构成
图1 精密加工系统实时监测原理图
2 监测参数及原理
1) 刀具温度
对刀具温度监测的目的是了解刀具温度与切削参数的关系。在切削过程中，刀尖淘度很高，较常用的刀具测温方法是在刀具中埋入热电偶的热电偶法，但该方法由于热电偶的埋入较困难，而且其精度受刀具材料、温度和时间的影响较大。本装置采于红外探头来监测刀尖温度，如图2，在夹持刀具的刀架上引出一纵向支架，其上固定放置红外探头，使得探头与刀具相对位置不变而同时移动。由于红外测温仪测量的温度是其视场的平均温度．根据红外探头的光学焦距图，选择适当测量的距离，可以测量其刀尖的温度。使用该装置能够在线监测切削过程中刀尖的温度变化。
图2 刀具温度测量图
2) 旋转工件的温度
一般来说．固体的线性膨胀系数为10-6～10-8/K的数量级：因此机械加工过程中的温度变化会带来工件大的机械变形。旋转工件的温度采用红外测温仪测量。红外测温仪测量的温度是平均温度，如果检测区域的比较小，可以认为是测量点所在截面的温度。
在本装置中采用快速移动传感器的方法对其工件进行匀速扫描来实现温度场的监测。如图3所示：将传感头安装车床的第二刀架上，测量时，红外传感头随刀架匀速移动，其工件温度信号经运放后送入数据采集卡中。要获得工件的温度场，必须利用软件来处理所采集到的温度信号，根据工件的长度、刀架移动的速度，得出在一个扫描周期内温度的变化．建立一个坐标，将工件长度与温度变化对应起来，得出不同时刻扫描的温度曲线。由于工件温度变化不是很大，调整刀架移动速度，缩短周期时间，这样可以近似认为工件不同处的温度具有同一个时基，这样就可以得到某一时刻(我们以开始扫描的时间为标准)工件的温度分布曲线；每隔5 秒对车削工件进行一次再扫描就可以得到不同时刻的温度曲线，这样就得到了以5 秒时间间隙的工件各个位置的温度，用计算机处理绘出该工件的温度场。本方法测得的温度场是二维的。
图3 温度场在线监测系统框图
3) 主轴的轴向位移
主轴轴向位移里利用涡流传感器进行非接触检测。涡流检测是以电磁慈应原理为基础的，其检测响应快。由于精密车床的主轴精度本身就比较高，故在选用涡流传感器时应选适当的量程。设计探头安装支架，将探头安装于支架上，而后将支架固定在主轴端面前方，在安装时．尽量让探头接近主轴端面，其距离大于主轴的最大位移。这样使测量精度更高。随着主轴位移重的变化，探头和前置器组成的测量系统产生相应的电量变化，将其变化输出送入采集器，用软件系统读出主轴位移量。
4) 加工系统振动
振动使刀具和工件之间产生相对的位移和其它影响加工精度的效应，精密加工中应尽量减小振动．本系统中机床的振动利用压电传感器进行测量。精密机床的振动并不是很大，采用1g的加速度传感器。为了测量机床上某点的三向振动，如图4将方形磁座吸附在机床上．然后把三个小圆磁座吸附在方形磁座三个方向上，压电传感器固定在磁座上，该位置的振动信息经)长电传感器转换后接入电荷放大器，最后送入数据采集器。
图4 磁座布置图
5) 刀具切削力
切削力的实时检测有利于优化切削参数，为精密加工提供依据。采用压电石英力传感器来测量刀具三个方向的切削力。其原理是通过传感器受力获得信号，送入电荷放大器，经放大后送入数据采集卡，由软件系统读出数据，实时显示受力曲线和力值，刀具切削力的检测其关键足设计特殊的测力仪刀体，如图5是测力刀体结构图，使用时用材料试验机将半环长槽拉开后，将压电传感器放进中．定位后慢慢去掉外力使传感器夹紧。给以一定的预紧力后平圆长槽两侧面用盖板采用电子束焊封装，尾部引线孔用室温固化硅橡胶密封。
图5 测力刀体结构图
3 数据采集
1) 数据采集系统需求
a. 本系统是对加工系统的在线监测，故其监测时间长。
b. 监测参数多，但各参数对采集率的要求并不一样。
振动与主轴位移的数据采集率相对于刀具和工件温度及切削力要高，但它们最好在同一个时基下进行采集，这徉才能保证分析数据时的同步性。
2) 数据采集方案
基于本系统采集特点，我们采用两块数据采集卡同时基进行采集，刀具、旋转工件温度、两方向的切削力共用一个采集块，三方向振动和主轴位移测量共用一个采集块。该采集卡是PCI插槽，12位，4通道，最高采集率为100KsPs，其 采集的数据可以连续存盘，数据存储方式是DMA方式，直接进入硬盘，这样能够满足对加工系统的连续监测。
4 数据处理及分析
1) 测量值的标定 各个测量参数的标定需进行不同的实验来确定。这样才能准确的测量该参数，尤其是利于红外测温仪对旋转工件温度的测量中，由于发射率受工件材料和环境影响很大，必须用实脸进行测量值的标定。
2) 测量值的分析 经过测量得到了加工过程中各参数的测量值，对这些测量值的分析是监测系统设计的主要目的。计算机分析软件应具备较强的数据处理与分析功能，主要是频域和时域上分析，时域分析有波形跟踪、一次徽分、一次积分、相关分析、波形倒向、波形相加、波形相减、波形相乘、数字滤波、矢量盈加，频域分析有FFT幅度谱、FFT相位谱、功率谱、传递幅度谱、Chip-Z变换。
5 应用
1) 优化加工参数 在精密加工中，对工件加工精度的影响因素较多，包括刀具温度、工件温度、切削速度、切削深度、切削进给量等。通过实验监测得到切削速度、切削深度、进给量与刀具的切削力、刀具的温度、工件的温度场分布及振动的关系，可以深化认识，提高技术水平，最终使加工过程达到一个最优化的状态。
2) 故障诊断 精密加工机床有时会出现一些故障，过去一般只有在机器运行出现问题，或拆开后才知道机器中某部分发生了故障。通过本装置的参数监测和分析，可以对故障的危害进行早期理报、识别并最快地查找到故障产生的原因。对于机床的故障诊断，通过对机床正常加工状态下长期的监测，在获取机械稳态数据、瞬态数据以及过程参数和运行工作状态等信息的基础上，通过信号分析数据处理从中提取机器特有的故障征兆及故障敏感参数等，经过综合分析判断，确定故障原因，做出符合实际的诊断结论。另外对加工系统的实时监测可保证机器运行状态在设计的范围内，提供机械状态的准确描述，并随时报告运行状态的变化悄况和恶化趋势，虽然振动监测系统不能制止故障发生，但能在故障还处于初期和局部范围时就发现并报告它的存在。
6 结束语
以上介绍了精密加工系统综合实时监测系统的原理、组成及应用．该装置中刀具的温度和旋转工件的温度监测是一个难点，对于刀具的温度，我们关心的是其温度变化，通过间接方法基本上可以监测其刀具温度变化；而工件的很度是通过采用快速移动传感器的方法对工件进行匀速扫描来实现温度场的监测，该方法能实时快速地测量工件的温度场。
作者单位：中国工程物理研究院机械制造工艺研究所
原载：《机械》2002年增刊(end)
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(8/1/2006) |
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