动态二维钻削力测试系统设计.doc
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1、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
2、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
3、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,IslamAU和LiuMC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KawajiS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
4、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,ChenY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,StrenkowskiJS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,YangJA等人提出了一种用I-DEASCAE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
5、(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
6、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)FzM|ue|R|/RixiyizixiyizNzTm 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
7、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
8、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
9、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BLR1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 ,
10、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
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