基于隔振式电涡流传感器测量动态铣削力装置及测量方法

摘要

本发明涉及一种基于隔振式电涡流传感器测量动态铣削力装置及测量方法。目前测量动态铣削力的传感器一般安装在主轴和刀具之间，使用时承受过大的轴向力、弯矩，同时这些旋转测力计结构复杂，对主轴系统有较大的附加质量，降低了主轴系统的刚度。本发明组成包括：铣削设备（16），所述的铣削设备包括主轴（5），所述的主轴侧面具有平面，所述的平面上通过磁力与动态铣削力测量装置（6）连接，所述的动态铣削力测量装置的另一端安装有电涡流传感器（8），所述的电涡流传感器前端面与刀杆（4）的外表面贴合，所述的电涡流传感器后端与计算机（7）电连接。本发明用于基于隔振式电涡流传感器测量动态铣削力装置。

权利要求

1.一种基于隔振式电涡流传感器测量动态铣削力装置，其组成包括：铣削设备，其特征是：所述的铣削设备包括主轴，所述的主轴侧面具有平面，所述的平面上通过磁力与动态铣削力测量装置连接，所述的动态铣削力测量装置的另一端安装有电涡流传感器，所述的电涡流传感器前端面与刀杆的外表面贴合，所述的电涡流传感器后端与计算机电连接；

所述的动态铣削力测量装置包括减振滑动杆、磁力座，所述的减振滑动杆前端平面上安装有锁紧滑动机构A，所述的锁紧滑动机构A侧面穿有螺杆旋钮A并同时穿过所述的减振滑动杆，所述的减振滑动杆内具有孔，所述的孔内安装有减振块，所述的孔与所述的减振块之间装有阻尼液，所述的减振块端面安装有垫圈，所述的锁紧滑动机构 A 内安装有所述的电涡流传感器；

所述的减振滑动杆穿过锁紧圈，所述的锁紧圈与锁紧滑动机构 B 固定，所述的锁紧滑动机构 B 内分别装有螺杆旋钮 B、滑动杆，所述的滑动杆外部套有锁紧滑动机构 C，所述的锁紧滑动机构 C 内穿有螺杆旋钮 C 并同时穿过连接支架；

所述的磁力座内部具有锥形凹槽，所述的锥形凹槽内装有锥形夹紧机构，所述的锥形夹紧机构内部装有锥形压紧块，所述的锥形夹紧机构底面与两个侧面分别安装有隔板底垫、隔板侧垫，所述的磁力座上方通过螺栓与上挡板连接，所述的磁力座与所述的上挡板之间安装有隔板垫，所述的上挡板中间部位通过螺纹与所述的连接支架连接，所述的连接支架与所述的上挡板之间装有小垫圈，所述的磁力座侧面安装有调整按钮；

所述的主轴下方通过锥面与所述的刀杆连接，所述的刀杆具有铣刀刃，所述的铣刀刃与工件贴合，所述的工件下平面与工作台固定。

2.一种利用权利要求 1 所述的基于隔振式电涡流传感器测量动态铣削力装置的测量方法，其特征是：该方法包括如下步骤：首先是将隔振底垫、隔振侧垫、隔振垫、垫圈、锥形夹紧机构、滑动杆连接支架、锥形压紧块、依次放到磁力座里面，并通过沉槽螺钉压紧上挡板与磁力座，将滑动杆通过锁紧滑动机构安装在滑动杆连接支架上；

将减振滑动杆里面放入减振块、垫圈，并锁紧，再次通过锁紧滑动机构安装在滑动杆上，通过滑动杆和减振滑动杆与锁紧机构的配合，使其可以实现空间六自由度的伸长与旋转，然后在减振滑动杆上放上电涡流传感器，并将整个隔振系统通过磁力座固定在机床主轴上，调整滑动杆和减振滑动杆使电涡流传感器能够准确测量刀杆的振动位移；

测量时，先通过电涡流传感器，测量铣削加工时铣刀刀杆的振动位移，之后根据测量系统的静态校准结果，基于神经网络来辨识振动位移和铣削力之间的传递关系，由此，通过铣刀刀杆的振动位移确定相应的铣削力，对于高速铣削时的铣削力测量失真问题，通过补偿环节对测量系统进行动态补偿，最后对动态铣削力的测量进行实验验证。

说明书

基于隔振式电涡流传感器测量动态铣削力装置及测量方法

[0001] 技术领域：

[0002] 本发明涉及一种基于隔振式电涡流传感器测量动态铣削力装置及测量方法。

[0003] 背景技术：

[0004] 目前测量动态铣削力的传感器一般安装在主轴和刀具之间，使用时承受过大的轴向力、弯矩，同时这些旋转测力计结构复杂，对主轴系统有较大的附加质量，降低了主轴系统的刚度。

[0005] 汽车外覆盖件模具与普通冲压模具相比体积较大，形状复杂，其制造难度大、加工质量及精度要求很高，凹、凸模部分结构复杂，在自由形面上又存在大量的诸如沟槽、转角、凸起、凹陷等包含曲率的型面。在复杂曲面区域，由于铣削特性的复杂，动态铣削力严重影响工件的加工质量并使其加工成本增加，由此可见，对于大型模具加工过程中动态铣削力的测量具有十分重要的意义。

[0006] 对于汽车外覆盖件模具的动态铣削力测量，受限于测力计与模具间的接触面积，测力计只能测量较小模具的动态切削力，同时测力计还存在对过载敏感、需要专门辅助装置等，其动态特性会随着模具质量的改变而变化等，这些原因都制约与测量大型模具的动态铣削力。目前，使用的扭矩力传感器一般安装在主轴和刀具之间，使用时需要避免承受过大的轴向力、弯矩，以免影响扭矩传感器的使用，这些旋转测力计结构复杂，对主轴系统有较大的附加质量，且为悬伸式结构，进一步降低了主轴系统的刚度，因此，需要一个简单的、低成本的、通过测量铣削加工时旋转铣刀刀杆的径向振动位移动，来间接测量动态铣削力的方法。

[0007] 在切削加工的过程中，伴随着高速旋转机械和往复式运动机械的状态，在振动研究、分析测量中，对于非接触的高精度振动、位移信号，我们需要能够连续准确地采集到刀具与机床振动状态的多种参数，而电涡流传感器能直接非接触测量转轴的状态，可提供关键的振动信息。而一般情况下我们通常将电涡流传感器通过某一连接装置连接在主轴旁边进行非接触检测，但是主轴高速运转时产生振动严重影响着电涡流传感器的工作，所以，为了解决主轴振动对测量的影响，有效的将电涡流传感器集成在主轴上，我们就需要一个电涡流传感器隔振式支承装置。

[0008] 针对现有的动态铣削力测量方法在加工工件尺寸、质量、测量带宽以及安装方式等方面的局限性，本产品提出一种利用电涡流传感器隔振式支承装置的测量系统，测量铣削加工时旋转铣刀刀杆的径向振动位移, 根据铣刀振动位移与铣削力之间的关系，通过振动位移间接确定动态铣削力的方法。并对铣刀高速铣削速度下的铣削力测量失真问题，进行动态补偿, 提高测量系统的带宽，实现动态铣削力的精确测量。

[0009] 发明内容：

[0010] 本发明的目的是提供一种基于隔振式电涡流传感器测量动态铣削力装置及测量方法。

[0011] 上述的目的通过以下的技术方案实现：

[0012] 一种基于隔振式电涡流传感器测量动态铣削力装置，其组成包括：铣削设备，所述的铣削设备包括主轴，所述的主轴侧面具有平面，所述的平面上通过磁力与动态铣削力测量装置连接，所述的动态铣削力测量装置的另一端安装有电涡流传感器，所述的电涡流传感器前端面与刀杆的外表面贴合，所述的电涡流传感器后端与计算机电连接。

[0013] 所述的基于隔振式电涡流传感器测量动态铣削力装置，所述的动态铣削力测量装置包括减振滑动杆、磁力座，所述的减振滑动杆前端平面上安装有锁紧滑动机构A，所述的锁紧滑动机构A侧面穿有螺杆旋钮A并同时穿过所述的减振滑动杆，所述的减振滑动杆内具有孔，所述的孔内安装有减振块，所述的孔与所述的减振块之间装有阻尼液，所述的减振块端面安装有垫圈，所述的锁紧滑动机构A内安装有所述的电涡流传感器。

[0014] 所述的基于隔振式电涡流传感器测量动态铣削力装置，所述的减振滑动杆穿过锁紧圈，所述的锁紧圈与锁紧滑动机构B固定，所述的锁紧滑动机构B内分别装有螺杆旋钮B、滑动杆，所述的滑动杆外部套有锁紧滑动机构C，所述的锁紧滑动机构C内穿有螺杆旋钮C并同时穿过连接支架。

[0015] 所述的基于隔振式电涡流传感器测量动态铣削力装置，所述的磁力座内部具有锥形凹槽，所述的锥形凹槽内装有锥形夹紧机构，所述的锥形夹紧机构内部装有锥形压紧块，所述的锥形夹紧机构底面与两个侧面分别安装有隔板底垫、隔板侧垫，所述的磁力座上方通过螺栓与上挡板连接，所述的磁力座与所述的上挡板之间安装有隔板垫，所述的上挡板中间部位通过螺纹与所述的连接支架连接，所述的连接支架与所述的上挡板之间装有小垫圈，所述的磁力座侧面安装有调整按钮。

[0016] 所述的基于隔振式电涡流传感器测量动态铣削力装置，所述的主轴下方通过锥面与所述的刀杆连接，所述的刀杆具有铣刀刃，所述的铣刀刃与工件贴合，所述的工件下平面与工作台固定。

[0017] 一种基于隔振式电涡流传感器测量动态铣削力装置及测量方法，该方法包括如下步骤：首先是将隔振底垫、隔振侧垫、隔振垫、垫圈、锥形夹紧机构、滑动杆连接支架、锥形压紧块、依次放到磁力表座里面，并通过沉槽螺钉压紧上挡板与磁力座，将滑动杆通过锁紧滑动机构安装在滑动杆连接支架上；

[0018] 将减振滑动杆里面放入减振块、垫圈，并锁紧。再次通过锁紧滑动机构安装在滑动杆上，通过滑动杆和减振滑动杆与锁紧机构的配合，使其可以实现空间六自由度的伸长与旋转，然后在减振滑动杆上放上电涡流传感器，并将整个隔振系统通过磁力座固定在机床主轴上，调整滑动杆和减振滑动杆使电涡流传感器能够准确测量刀杆的振动位移；

[0019] 测量时，先通过电涡流传感器，测量铣削加工时铣刀刀杆的振动位移，之后根据测量系统的静态校准结果，基于神经网络来辨识振动位移和铣削力之间的传递关系，由此，通过铣刀刀杆的振动位移确定相应的铣削力，对于高速铣削时的铣削力测量失真问题，通过补偿环节对测量系统进行动态补偿，最后对动态铣削力的测量进行实验验证。

[0020] 有益效果：

[0021] 1.本发明是利用隔振式电涡流传感器对动态铣削力进行测试的装置，主要解决了由于汽车外覆盖件模具太大，测力仪安装不了的问题，本产品的动态铣削力间接测量系统完全可以代替测力仪，该装置成本低，简单实用，测量的动态铣削力的精度较高，和测力仪测得的动态铣削力相比，误差只有7%。

[0022] 本发明是对加工外覆盖件模具复杂曲面时动态铣削力的测量，以及五轴联动加工整体叶轮时动态铣削力和铣削过程稳定性的预测等，通过对动态铣削力测量和加工稳定性实时预测，可以修正加工参数、优化刀具进给方向，也可以控制刀具、工件变形，为刀具设计、刀具磨损和破损监测提供重要的参考价值。

[0023] 本发明系统中的电涡流传感器隔振式支承装置减振效果明显，使得铣刀刀杆的振动位移测量准确，测试的装置内部设有隔振垫、隔振底垫、隔振侧垫，在使用的过程中可以起到很好的隔振作用。

[0024] 本发明的减振滑动杆内部设有减振机构，通过与隔振垫的配合，隔振效果十分明显，该装置设有滑动杆、锁紧滑动机构，可以根据实际情况很方便的调节位置。

[0025] 本发明系统具有多功能性，可以根据实际情况来预测颤振，即根据刀具振动的实际情况来预测颤振，铣削过程中随着切深不断增大，刀具会发生颤振，这时得到的铣削振动信号会发生混沌现象，所谓混沌是指在确定性系统中出现的一种貌似无规则, 类似随机的现象，可以采用Lyaunov指数和近似熵等方法来监测铣削过程中振动位移信号的非线性特征变化，以此来预测颤振，通过电涡流传感器获得铣刀刀杆的振动位移信号数据，如果振动信号的采样频率为5000Hz，对于信号每隔1024点（时间间隔0.2048秒）进行最大Lyapunov指数和近似熵计算，计算结果对应于铣削振动信号。

[0026] 本发明在铣削孕育时，当最大Lyapunov指数嵌入的维数 2时，最大Lyapunov指数变化较大，大于0.5并有突变；颤振孕育阶段和颤振产生阶段的最大Lyapunov指数大于平稳铣削时的最大Lyapunov指数，阈值大约在0.5-0.65之间。当平稳切削时，铣削振动信号的近似熵数值在0.1左右，一旦颤振孕育、颤振发生近似熵数值将提高到0.4～0.6之间。

[0027] 本发明对振动信号的最大Lyapunov指数和近似熵分析，在相同的工况条件下进行过多组类似的试验研究，试验的重复性很好，重复率达94%以上，如果设定相应的阈值，可以准确地确定加工系统是否发生了颤振，因此本产品具有多功能的用途。

[0028] 附图说明：

[0029] 附图1是本发明的结构示意图。

[0030] 附图2是附图1中A的放大图。

[0031] 附图3是附图1中的动态铣削力测量装置结构示意图。

[0032] 附图4是附图3的A-A剖视图。

[0033] 附图5是附图3的B-B剖视图。

[0034] 附图6是附图3的分解图。

[0035] 具体实施方式：

[0036] 实施例1：

[0037] 一种基于隔振式电涡流传感器测量动态铣削力装置，铣削设备16，所述的铣削设备包括主轴5，所述的主轴侧面具有平面，所述的平面上通过磁力与动态铣削力测量装置6连接，所述的动态铣削力测量装置的另一端安装有电涡流传感器8，所述的电涡流传感器前端面与刀杆4的外表面贴合，所述的电涡流传感器后端与计算机7电连接。

[0038] 实施例2：

[0039] 根据实施例1所述的基于隔振式电涡流传感器测量动态铣削力装置，所述的动态铣削力测量装置包括减振滑动杆12、磁力座9，所述的减振滑动杆前端平面上安装有锁紧滑动机构A13，所述的锁紧滑动机构A侧面穿有螺杆旋钮A27并同时穿过所述的减振滑动杆，所述的减振滑动杆内具有孔，所述的孔内安装有减振块18，所述的孔与所述的减振块之间装有阻尼液15，所述的减振块端面安装有垫圈17，所述的锁紧滑动机构A内安装有所述的电涡流传感器。

[0040] 实施例3：

[0041] 根据实施例2所述的基于隔振式电涡流传感器测量动态铣削力装置，所述的减振滑动杆穿过锁紧圈11，所述的锁紧圈与锁紧滑动机构B28固定，所述的锁紧滑动机构B内分别装有螺杆旋钮B14、滑动杆10，所述的滑动杆外部套有锁紧滑动机构C29，所述的锁紧滑动机构C内穿有螺杆旋钮C30并同时穿过连接支架24。

[0042] 实施例4：

[0043] 根据实施例3所述的基于隔振式电涡流传感器测量动态铣削力装置，所述的磁力座内部具有锥形凹槽，所述的锥形凹槽内装有锥形夹紧机构25，所述的锥形夹紧机构内部装有锥形压紧块23，所述的锥形夹紧机构底面与两个侧面分别安装有隔板底垫22、隔板侧垫21，所述的磁力座上方通过螺栓与上挡板19连接，所述的磁力座与所述的上挡板之间安装有隔板垫20，所述的上挡板中间部位通过螺纹与所述的连接支架连接，所述的连接支架与所述的上挡板之间装有小垫圈26，所述的磁力座侧面安装有调整按钮。

[0044] 实施例5：

[0045] 根据实施例2所述的基于隔振式电涡流传感器测量动态铣削力装置，所述的主轴下方通过锥面与所述的刀杆连接，所述的刀杆具有铣刀刃3，所述的铣刀刃与工件2贴合，所述的工件下平面与工作台1固定。

[0046] 实施例6：

[0047] 一种利用实施例1-5所述的基于隔振式电涡流传感器测量动态铣削力装置及测量方法，本方法是：首先是将隔振底垫、隔振侧垫、隔振垫、垫圈、锥形夹紧机构、滑动杆连接支架、锥形压紧块、依次放到磁力表座里面，并通过沉槽螺钉压紧上挡板与磁力座，将滑动杆通过锁紧滑动机构安装在滑动杆连接支架上；

[0048] 将减振滑动杆里面放入减振块、垫圈，并锁紧，再次通过锁紧滑动机构安装在滑动杆上，通过滑动杆和减振滑动杆与锁紧机构的配合，使其可以实现空间六自由度的伸长与旋转，然后在减振滑动杆上放上电涡流传感器，并将整个隔振系统通过磁力座固定在机床主轴上，调整滑动杆和减振滑动杆使电涡流传感器能够准确测量刀杆的振动位移；

[0049] 测量时，先通过电涡流传感器，测量铣削加工时铣刀刀杆的振动位移，之后根据测量系统的静态校准结果，基于神经网络来辨识振动位移和铣削力之间的传递关系，由此，通过铣刀刀杆的振动位移确定相应的铣削力，对于高速铣削时的铣削力测量失真问题，通过补偿环节对测量系统进行动态补偿，最后对动态铣削力的测量进行实验验证。

[0050] 实施例7：

[0051] 根据实施例1-6所述的基于隔振式电涡流传感器测量动态铣削力装置，动态铣削力间接测量系统首先通过电涡流传感器，测量铣削加工时铣刀刀杆的振动位移，即在铣削加工工件的过程中，电涡流传感器通过隔振式支承装置吸附在主轴旁边，对铣刀刀杆的振动位移进行非接触式测量，通过确定测量系统的传递函数，并通过测量系统的静态校准和动态补偿等，得到模具加工过程中动态铣削力。如图1所示。

[0052] 对于振动位移和铣削力之间的传递关系可以用神经网络来辨识得到，这样有益于建立动态铣削力p 与振动位移a 的非线性关系，从而实现动态铣削力的测量。本发明的测量系统选用的神经网络为三层BP 网络，从理论上讲，只要训练样本足够，三层BP 网络能以任意精度逼近任何一个实际系统。输入向量a 为铣刀的某一转速、某一切深下X、Y、Z三个方向的振动位移信号，输出向量p 为该转速、切深下X、Y、Z三个方向的动态铣削力信号，隐含层有k 个神经元， [w] 、[v] 为权值矩阵，b 、c为阈值向量。隐含层选用双曲正切S 型函数，输出层选用线性函数。

[0053] 网络的输入输出关系为

[0054] 式中。

[0055] 在相同工艺参数下以X、Y、Z三个方向的振动位移值为输入、以X、Y、Z三个方向的振的动态铣削力值为输出，训练BP 神经网络。但不同工艺参数下, 该时段采样点数不同，因此网络输入、输出层的神经元数也可不同。因此针对每个工艺参数需要建立一个神经网络。本神经网络的输入、输出层的神经元数为3个。隐含层神经元数的确定没有规律可循，靠实算确定。神经网络的训练次数为1 000 次。网络训练后, 对没有用作训练的试验样本进行重构。

[0056] （1）静态校准

[0057] 当机床主轴转速低于1000转/每分钟时, 所测的铣削力与所测的振动位移之间存在着线性关系, 即，该静刚度可以通过计算得出。将静态时悬伸的铣刀看作为一个悬臂梁, 其中悬伸长度已知。悬伸的刀杆部分为一个圆柱梁，截面惯性矩已知；刀齿部分为螺旋槽结构, 可通过等质量法方法将其等效为一个圆柱梁。

[0058] 对测量系统进行静态校准实验，实验中使用电涡流传感器测量刀杆的振动位移。在较低铣刀转速下进行铣削加工，改变切削参数。测得几组不同铣削参数下的铣削力和铣刀刀杆上测量点的振动位移，采用最小二乘法对测量数据进行线性拟合，确定铣刀的实验静刚度，静态校准实验最后得出的静刚度与计算所得静刚度接近。

[0059] （2）动态补偿

[0060] 当铣刀转速较高时，测量系统工作频带将无法覆盖铣削力所有频谱分量而导致实测的动态铣削力失真，通过补偿环节对测量系统进行动态补偿，补偿环节的离散传递函数通过实验辨识得出，可以使刀具系统动态特性引起的在固有频率附近的测量失真得到补偿。

[0061] （3）实验验证

[0062] 为了验证本文铣削力测量系统及动态补偿方法的有效性和准确性, 进行了实际铣削加工的动态铣削力测量与验证实验。实验机床为VDL-1000E型三轴立式加工中心，刀具为山特维克整体硬质合金球头立铣刀（R216.64-08030-AO09G 1610）直径8mm、螺旋角30°的四刃硬质合金球头铣刀，工件材料为不同硬度的淬硬钢。为了验证测量结果的准确性，实验时使用Kistler 9527B 型三维力传感器实时测量铣削加工中的动态铣削力, 并将其作为参考铣削力。铣削力的时域幅值基本上与参考铣削力相同，相位有所滞后，在激励频率处幅值与参考铣削力之间误差为7%左右。

[0063] 基于刀杆振动位移的模具铣削力测量方法及传感器隔振装置，该隔振装置主要包括：磁力座、隔振底垫、隔振侧垫、隔振垫、上挡板、垫圈、锥形夹紧机构、连接支架、锥形压紧块、滑动杆、减振滑动杆（减振块、垫圈）、旋钮、锁紧滑动机构组成，如图2、3、4、5、6所示。

[0064] 磁力座：磁力座通过磁铁固定在机床主轴上，同时连接着各个隔振部件。

[0065] 隔振底垫：当主轴旋转时，对存在的纵向振动可以起到隔振作用，材料选用弹性钢。

[0066] 隔振侧垫：隔振侧垫放在锥形夹紧机构与磁力表座之间，当主轴旋转时，对存在的纵向、横向振动可以起到隔振的作用，材料选用弹性钢。

[0067] 隔振垫：隔振垫放在上挡板与磁力座之间，进一步对纵向振动起到隔振作用，材料选用弹性钢。

[0068] 上挡板：压紧隔振垫起到隔振作用，材料选用弹性钢。

[0069] 锥形夹紧机构：隔振夹紧机构放在隔振侧垫与内置块之间，当安装的时候可以起到夹紧的作用，当产生振动的时候可以起到调节作用。

[0070] 滑动杆连接支架：通过锁紧滑动机构连接滑动杆与隔振装置。

[0071] 锥形压紧块：既是隔振的质量块，也起到压紧作用。

[0072] 锁紧滑动机构：既可以调整电荷位移传感器的空间位置，也可以锁紧滑动杆。

[0073] 锁紧圈：锁紧圈与旋转螺栓配合锁紧滑动杆。

[0074] 滑动杆：滑动定位作用，可以360度旋转。

[0075] 减振滑动杆：减振滑动杆内置减振块与垫圈，减振块四周有阻尼油，可以起到一定的减振作用，也可以360度旋转。

[0076] 螺杆旋钮：既可以调整滑动杆的任意空间位置，也可以起到锁紧作用。