动态二维钻削力测试系统设计.doc

动态二维钻削力测试系统设计
1. 设计目的与意义
1.1 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 .
1.2 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。

1.3 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：①离线构建一个轴向力神经网络模型；②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；③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。

2. 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。

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

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。

2.2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
|με|
|△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为Fzmax=1600kg ，最大允许扭矩为Mmax=40kg-m

图2.3 钻削测力仪

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分力Fz与M。
3. 传感器设计
3.1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。

（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
R10

R12

R5

R2
R6

R11
R13
R1

图3.1 正面八片应变片的贴法
R16

R14

R7

R8

R9
R15
R4
R3

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
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：
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。

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：
αyy=Ny/Fy （式3.1）
αyz=Ny/Fz （式3.2）
αzy=Nz/Fy （式3.3）
αzz=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

4.1 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。

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
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。

图4.3交流放大电路

4.3 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
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ε>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。

图4.6 总电路图
参考文献
【1】 江征风 测试技术基础 北京大学出版社 2007年1月
【2】 张红润 传感技术与实验 清华大学出版社 2005年7月
【3】 梁渊 传感器应用电路集萃 中国电力出版社 2008年4月
【4】 赵庆海 测试技术与工程应用 化学工业出版社 2005年5月
【5】 Aggarwal J K. Multiple sensor integration and fusion though image processing: A Roviw. Opt. Eng.,25(3):380-386
【6】 Mauris G, Benoit E, Foulloy L. 1994. Fuzzy symbolic sensors from compet to apllication measurement, 12: 357-384

附件一：传感器图（上图为正面八片传感器贴法，下图为反面八片传感器贴法）
R13
R12

R6

R5

R11
R10

R2
R1

R16

R14

R7

R8

R9
R15
R4
R3

附件二：总电路图

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