一种快速铣削力测量、辨识与仿真计算系统

摘要

一种快速铣削力测量、辨识与仿真计算系统，它由硬件和软件构成，硬件由承力平台、三向力传感器、承力底座、航空接口插头、信号放大器、航天电源和数据采集卡组成，软件由铣削力采集、铣削力辨识和铣削力仿真模块组成；三向力传感器的上端面与承力平台连接；三向力传感器底部与承力底座相连，其数据连线通过航空接口插头一端与三向力传感器相连，另一端与信号放大器相连；信号放大器的信号输出端与数据采集卡输入和航天电源的输出共连；数据采集卡的输出USB接口与铣削力采集模块相连；铣削力采集模块的数据为铣削力辨识模块提供铣削力数据，铣削力辨识模块计算铣削力系数，铣削力仿真模块通过铣削力系数和参数间的关系，实现铣削力大小快速预测。

权利要求

1.一种快速铣削力测量、辨识与仿真计算系统，其特征在于：它由硬件和软件两部分构成，硬件部分由承力平台、三向力传感器、承力底座、航空接口插头、信号放大器、航天电源和数据采集卡组成，软件部分由铣削力采集、铣削力辨识和铣削力仿真模块组成；三向力传感器的上端面与承力平台连接；三向力传感器底部与承力底座相连，三向力传感器的数据连线，通过航空接口插头一端与三向力传感器相连接，另一端与信号放大器相连接；信号放大器的信号输出端与数据采集卡输入连接，由航天电源为信号放大器提供稳定的直流电压；数据采集卡的输出USB接口与电脑中的铣削力采集模块相连；铣削力采集模块的数据为铣削力辨识模块提供9组铣削力数据，铣削力辨识模块计算铣削力系数，铣削力仿真模块通过铣削力系数和铣削参数间的关系，实现铣削力大小快速预测；

所述承力平台为正方形金属板，平台上端面为多组螺纹孔用于将被铣削工件固定在承力平台上，与三向力传感器连接，起到力的传递作用；其功能用于三向力传感器的在承受任意三向力变化后，有对应的线性比例的电压输出；

所述承力底座为内空的正方体金属壳，一方面起保护三向力传感器的作用，防止冷却液和切屑飞溅到三向力传感器上影响测量的质量和精度，另一方面作为连接三向力传感器与任意的工作平台相连接构件，起到承力作用；

所述数据采集卡呈长方形，长、宽、高分别是145mm*120mm*20mm，其功能用于对获得的电压信号进行采集处理；

所述信号放大器为长方形，长、宽、高分别为110mm*75mm*50mm，将电压信号从mV级放大到V级，方便精确处理；

所述航天电源为长方形，长、宽、高分别为100mm*60mm*45mm，为信号放大器提高0-10V的直流电压；

所述三向力传感器是按需选用的市购件；

所述航空接口插头为标准六芯插头，用于连接各个设备的数据线间的接口；

软件部分是铣削力采集、铣削力辨识和铣削力仿真模块，它为VB程序语言开发，其功能用于对铣削力的数据进行采集，铣削力系数辨识和铣削力大小的仿真功能。

2.根据权利要求1所述的一种快速铣削力测量、辨识与仿真计算系统，其特征在于：该承力平台的外形尺寸为：长为150mm，宽为150mm，厚15mm。

3.根据权利要求1所述的一种快速铣削力测量、辨识与仿真计算系统，其特征在于：该承力底座的外形尺寸为：长为165mm，宽为165mm，厚8mm。

4.根据权利要求1所述的一种快速铣削力测量、辨识与仿真计算系统，其特征在于：该航空接口插头的数量是16个，型号为HZ-8500。

5.根据权利要求1所述的一种快速铣削力测量、辨识与仿真计算系统，其特征在于：该三向力传感器的型号为8219A。

6.根据权利要求1所述的一种快速铣削力测量、辨识与仿真计算系统，其特征在于：该信号放大器的型号为DFL-3。

7.根据权利要求1所述的一种快速铣削力测量、辨识与仿真计算系统，其特征在于：该数据采集卡的型号为INV306U-5160。

说明书

一种快速铣削力测量、辨识与仿真计算系统

（一）技术领域

[0001] 本发明涉及一种快速铣削力测量、辨识与仿真计算系统，通过该系统测量不同铣削参数下的工件的铣削力，进行辨识计算得到铣削力系数，实现任意参数下的铣削力的准确预测。基于该系统的应用，可以获得任意铣削参数下，六维铣削力系数和三向仿真铣削力值，本发明属于高精密加工研究与检测技术领域。（二）背景技术

[0002] 铣削参数作为影响加工表面质量的重要因素之一，与铣削力变化有着直接的联系，铣削力的大小对加工过程的稳定性、工件表面质量及刀具的磨损和破损在很大程度上都有影响，而铣削参数选择的不合理，会使铣削力过大，产生让刀变形，或引起刀具的振动，使得表面生成振纹，不仅严重地影响了表面的加工质量，而且需要第二次打磨，大大地降低了加工的效率。长期以来，尽管人们在选择加工的铣削参数方面积累了较为丰富的经验数据，但机床-刀具-工件的组合的条件发生变化，许多经验参数就不在适用，尤其在当今国内制造企业引进了大量先进的数控设备，但由于缺乏铣削参数选取的有效方法和工具，只能依靠国外机床和刀具厂商提供的数据进行参考，不能充分发挥先进设备应有的效能，很大程度地制约了制造业的发展。所以，发明一种能够在实际生产加工过程中通过简单测量即可获得准确的铣削力系数，然后实现对任意铣削参数下的快速铣削力的进行准确预测的系统就显得尤为必要了。（三）发明内容

[0003] 1、目的：本发明的目的就是为了提供一种快速铣削力测量、辨识与仿真计算系统，它克服了现有技术的不足，实现了铣削力的测量、铣削力系数的辨识与铣削力仿真一体化功能，还能快速、准确出刀具变形、刀具位移、应力等加工过程中的重要参数。

[0004] 2、技术方案：本发明一种快速铣削力测量、辨识与仿真计算系统，它由硬件和软件两部分构成，硬件部分由承力平台、三向力传感器、承力底座、航空接口插头、信号放大器、航天电源、数据采集卡组成，软件部分由铣削力采集、铣削力辨识和铣削力仿真模块组成。

[0005] 它们之间的位置连接关系是：三向力传感器的上端面与承力平台连接；三向力传感器底部与承力底座相连，三向力传感器的数据连线，通过航空接口插头一端与三向力传感器相连接，另一端与信号放大器相连接；信号放大器的信号输出端与数据采集卡输入连接，由航天电源为信号放大器提供稳定的直流电压；数据采集卡的输出USB接口与电脑中的铣削力采集模块相连。铣削力采集模块的数据为铣削力辨识模块提供9组铣削力数据，铣削力辨识模块计算铣削力系数，铣削力仿真模块通过铣削力系数和铣削参数间的关系，实现铣削力大小快速预测。具体可参考图1。

[0006] 所述承力平台为正方形金属板，平台上端面为多组螺纹孔，主要功能将被铣削工件固定在承力平台上，与三向力传感器连接，起到力的传递作用。其主要功能用以三向力传感器的在承任意三向受力变化后，有对应的线性比例的电压输出。

[0007] 所述承力底座为内空的正方体金属壳，主要功能：一方面起保护三向力传感器的作用，防止冷却液和切屑飞溅到三向力传感器上影响测量的质量和精度，另一方面作为连接三向力传感器与任意的工作平台（机床平台）相连接构件，起到承力作用。

[0008] 所述数据采集卡呈长方形，长、宽、高分别是145mm*120mm*20mm，主要功能用以对获得的电压信号进行采集处理。

[0009] 所述信号放大器为长方形，长、宽、高分别为110mm*75mm*50mm，将电压信号从mV级放大到V级，方便精确处理。

[0010] 所述航天电源为长方形，长、宽、高分别为100mm*60mm*45mm，为信号放大器提高0-10V的直流电压。

[0011] 所述三向力传感器是按需选用的市购件。

[0012] 所述航空接口插头为标准六芯插头，用于连接各个设备的数据线间的接口。

[0013] 软件部分为VB程序语言开发，主要功能用于对铣削力的数据进行采集，铣削力系数辨识和铣削力大小的仿真功能。

[0014] 其中，承力平台的外形尺寸为：长为150mm，宽为150mm，厚15mm；

[0015] 其中，承力底座的外形尺寸为：长为165mm，宽为165mm，厚8mm；

[0016] 其中，航空接口插头的数量是16个，型号为HZ-8500；

[0017] 其中，三向力传感器的型号为8219A；

[0018] 其中，该信号放大器的型号为DFL-3；

[0019] 其中，该数据采集卡的型号为INV306U-5160。

[0020] 整个发明的工作原理：在铣削加工过程中工件受到铣削力的作用，工件将承受铣削力传递至三向力传感器，三向力传感器的弹性元件产生变形，弹性元件上的应变片由于其变形产生了电压信号的变化，通过对信号的采集、计算和分析处理，就可以实现铣削力测量、铣削系数的辨识以及铣削力的仿真。具体的硬件采集和软件计算原理如下：

[0021] 1.三向铣削力传感器硬件的原理

[0022] 三向力传感器主要由两部分组成：外保护套和弹性元件，外保护套主要起支撑、保护弹性元件及密封的作用，弹性元件上贴有应变片，起响应和感受铣削过程产生力的作用。

[0023] （1）布片方式

[0024] 测量铣削力及侧向力部分：在两相互垂直的方向上对称地布八片，应变片方向均平行于轴线方向。如图2中的A、A′、B、B′、E、E′、F、F′（对称方向）[0025] 测量轴向力部分：在同一圆周上布四片，其中两片平行与轴线对称位置，另两片垂直于轴线方向对称位置，如图2中的C、C′、D、D′

[0026] （2）组桥方式

[0027] 以上共贴十二片应变片，组成三个全桥，分别测量X、Y、Z。Z向力测量桥见下图3[0028] （a），X、Y向力测量桥见下图3(b)

[0029] 采用全桥方式能实现温度补偿和增大电桥输出信号。Z方向的轴向力测量桥消除了弯矩的影响，对于偏心的轴向力也能准确测出。X方向铣削力和Y方向铣削力测量桥则消除了轴向力的影响，并且电桥的输出信号只X方向铣削力和Y方向铣削力大小有关，而与力臂长短无关，既该桥具有恒定标定系数。

[0030] （3）三向力传感器实现三向力测量原理

[0031] 见图4，三向力传感器上有X方向Fx铣削力、Y方向铣削力Fy、Z方向铣削力Fz、偏心产生的弯矩M，以及由于温度变化引起的温度应力T（规定：拉应力为正，压应力为负）。由材料力学知，各力在各应片产生的应变分别为：

[0032] Fz：εAz=εA′z=εBz=εBz=-εz

[0033] Fy:εAy=-εA′y=FyLa/(E-W1)

[0034] εBy=-εB′y=FyLb/(E-W1)

[0035] Fx:εAx=-εA′x=εBx=εB′x=0

[0036] M：εAM=-εA′M=εBM=-εB′M=εM

[0037] T：εAT=εA′T=εBT=εB′T=εT

[0038] 由力的叠加原理可得到各应变片上的应变：

[0039] εA=εAx+εAy+εAM+εAT+εAz

[0040] 将以上各式代入得：

[0041] εA=FyLa/(E-W1)-εM+εx+εT

[0042] 同理：

[0043] εA′=FyLa/(E-W1)-εM–εx+εT

[0044] εB=FyLb/(E-W1)-εM+εx+εT

[0045] εB′=-FyLb/(E-W1)-εM–εx+εT

[0046] 应变片A、A′、B、B′组成一全桥

[0047] 由电桥的和差特性得该桥的输出应变为：

[0048] ε=εA+εB-εA′-εB′

[0049] 将以上各式代入得：

[0050] ε=2（Lb-La）Fy/(E-W1)

[0051] 式中（Lb-La）为应变片A、B之间的距离，是常量，E、W1分别为材料的弹性模量和抗弯截面模量，两者均为常数。

[0052] 所以该桥的输出只和Y方向力成正比，而与X方向、Z方向、弯矩、温度和长度无关。

[0053] 其它方向力的测量原理与此相同。

[0054] 2.铣削力系数的辨识及计算仿真原理

[0055] 铣削力是研究铣削加工机理的重要因素之一，在铣削加工过程中，铣削力模型通常依据铣刀形状与参数进行建立，本发明主要采用圆柱螺旋端面铣刀模型进行计算。铣削力辨识的基础为，分别在不同铣削参数条件下，获得铣削力的大小，通过6个参数的辨识计算式，获得6组方程进行求解，获得铣削力系数，得到铣削力系数可全面表达出刀具的特性等参数。具体计算如下：

[0056] 根据图5将铣刀沿轴向方向取高度为dz的微元，那么在螺旋微元上的切向力dFt，径向力dFr，和轴向力dFa可由式（1）表示，

[0057]

[0058] 在进行坐标变化后，对瞬时铣削力进行积分求解，得到下式，

[0059]

[0060] 将切入角φ1=0，切出角φ2=90代入上式后得到式（3）

[0061]

[0062] 通过（3）式，当已知每组铣削力的大小就可反推出铣削力系数Ktc、Krc等值。

[0063] 即可获得不同铣削条件的铣削力系数。

[0064] 铣削力大小的仿真，将获得的铣削力系数带入（1）式中，对于任意给定的铣削条件铣刀的参数、切宽、切深，即可获得任意铣削力的值。

[0065] 3、优点及功效

[0066] 本发明是一种快速铣削力测量、辨识与仿真计算系统，可以实现预测不同铣削参数的铣削力大小。它的优点是可以仿真0-1500Hz（0-20000r/min）内频率以及0-15000N内的任意大小的三向铣削力，通过铣削力辨识的方法，快速实现铣削力系数的确定。通过辨识后的铣削系数，可仿真预测出任意铣削参数下的铣削力的大小。铣削力的大小对加工参数的合理性进行验证，从而实现铣削参数的优化。（四）附图说明

[0067] 图1为本发明一种快速铣削力测量、辨识与仿真计算系统的整体结构示意图[0068] 图2为本发明弹性元件应变片的贴片位置图

[0069] 图3（a）为Z方向应变片布置的示意图

[0070] 图3（b）为X,Y方向应变片布置的示意图

[0071] 图4为本发明弹性元件受力的示意图

[0072] 图5（a）为铣刀承受三维力的示意图

[0073] 图5（b）为铣刀截面单元的承受力的示意图

[0074] 图6（a）软件的登录界面；

[0075] 图6（b）铣削力信号采集界面；

[0076] 图6（c）铣削力系数辨识界面；

[0077] 图6（d）铣削力仿真界面。

[0078] 图1中的符号说明如下：

[0079] 1承力平台；2三向力传感器；3承力底座；4航空接口插头；5信号放大器；6航天电源；7数据采集卡；8铣削力采集、辨识以及仿真模块；

[0080] 图2中的符号说明如下：

[0081] A、B、C、A′、B′、C′、D、E、F表示三向力传感器上的应变片[0082] 图3中的符号说明如下：

[0083] A、B、C、A′、B′、C′、D表示三向力传感器上的应变片；U表示电源电压。

[0084] 图4中的符号说明如下：

[0085] Fy表示Y方向的力，Fx表示X方向的铣削力，Fz表示Z方向的铣削力；A、B表示三向力传感器上的应变片；La,Lb表示应变片A和B到弹性元件的顶部的距离。

[0086] 图5中的符号说明如下：

[0087] X，Y，Z表示三个方向；dz表示沿刀具方向的微分单元；dFr,dFa,dFt表示单元上径向铣削力，轴向铣削力和切向铣削力；Fx(φ)，Fy(φ)表示截面单元X和Y方向铣削力；

[0088] Fr Ft表示截面上的径向铣削力和切向铣削力；ae表示切深；n表示转速（五）具体实施方式

[0089] 以下结合附图详细说明本发明的实施方案。

[0090] 见图1，本发明一种快速铣削力测量、辨识与仿真计算系统，它由硬件和软件两部分构成，硬件由承力平台1，三向力传感器2，承力底座3，信号放大器5，航天电源6，数据采集卡7和航空接口插头4组成。见图6（a）—图6（d），软件部分由铣削力采集、辨识以及仿真模块8构成。它们之间的位置连接关系是：三向力传感器2的上端面与承力平台1连接；三向力传感器2底部与承力底座3相连，三向力传感器2的数据连线一端与三向力传感器2的航空接口插头4相连接，另一端与信号放大器5相连接；信号放大器5的信号输出端与数据采集卡7输入连接，由航天电源6为信号放大器5提供稳定的直流电压；数据采集卡7的输出USB接口与电脑中的铣削力采集、辨识以及仿真模块8相连。软件部分由软件铣削力采集、辨识以及仿真模块8构成，进入软件系统后，先利用软件的铣削力功能对铣削铣削实验过程进行实测和采集，采集后获取6组铣削力数据，由软件的辨识功能计算出铣削力系数，最后利用铣削仿真功能获得铣削力系数和铣削参数间的关系，实现铣削力大小快速仿真和预测。图2为本发明弹性元件应变片的贴片位置图；图3（a）为Z方向应变片布置的示意图，图3（b）为X,Y方向应变片布置的示意图；图4为本发明弹性元件受力的示意图；图5（a）为铣刀承受三维力的示意图，图5（b）为铣刀截面单元的承受力的示意图。

[0091] 所述承力平台1为正方形金属板，长为150mm，宽为150mm，厚15mm，平台上端面为多组螺纹孔，主要功能将被铣削工件固定在承力平台1上，与三向力传感器2连接，起到力的传递作用。

[0092] 所述三向力传感器2的压力信号数显表是呈圆柱体形状，直径为70，长为120，三个数据输出端分别输出X方向、Y方向、Z方向的电压信号，电源电压为10V，主要功能用以三向力传感器的在承任意三向受力变化后，有对应的线性比例的电压输出。

[0093] 所述承力底座3为内空的正方体金属壳，长为165mm，宽为165mm，厚8mm，主要功能：一方面起保护三向力传感器2的作用，防止冷却液和切屑飞溅到三向力传感器2上影响测量的质量和精度，另一方面作为连接三向力传感器2与承力平台1相连接构件，起到承力作用。

[0094] 所述数据采集卡7呈长方形，长、宽、高分别是145mm*120mm*20mm，主要功能用以对获得的电压信号进行采集处理。

[0095] 所述信号放大器5为长方形，长、宽、高分别为110mm*75mm*50mm，将电压信号从mV级放大到V级，方便精确处理。

[0096] 所述航天电源6为长方形，长、宽、高分别为100mm*60mm*45mm，为信号放大器提高0-10V的直流电压。

[0097] 所述航空接口插头4为标准六芯插头，用于连接各个设备的数据线间的接口。

[0098] 软件系统是铣削力采集、辨识以及仿真模块8，它为VB程序语言开发，主要功能用于对铣削力的数据进行采集，铣削力系数辨识和铣削力大小的仿真功能。

[0099] 其中，航空接口插头4的数量是16个，型号为HZ-8500；

[0100] 其中，三向力传感器2的型号为8219A；

[0101] 其中，该信号放大器5的型号为DFL-3；

[0102] 其中，该数据采集卡7的型号为INV306U-5160。