CN102785127B - 微小型机械加工切削力实时无线检测及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微小型机械加工切削力实时无线检测及控制系统，该系统力传感器采集工件受到的mN级切削力，并将力信号转换成电信号输出给信号处理模块a，并通过无线发送模块和无线接收模块输出给信号处理模块b，控制器将接收到的电信号转化为切削力的大小并与标准切削力进行比较，进而生成控制指令输出给微动平台，微动平台根据控制指令调整铣削主轴在x、y、z三个轴向的微位移，进而控制铣刀实现微位移调整，实现对切削参数的实时调整，从而实现对切削力的实时控制。本发明通过六维力传感器检测切削力，并通过无线模块传输给控制器，进而控制各切削参数实现对切削力的实时检测和控制，从而提高精密微细复杂结构件的加工精度和表面质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种微小型机械加工切削力实时无线检测及控制系统，特别是用于精密微细复杂结构件高精度加工过程中的切削力实时检测和控制，属于精密机械制造技术领域。
背景技术
随着航空、航天、军事、医疗等行业的发展，对精密微细复杂结构件的需求日益增长，车铣复合加工以其独有的优势特别适用于该类结构件的加工。在高速车铣复合加工过程中，对切削力进行实时监测和控制对提高零件的加工精度、表面质量等有重要作用。
目前并没有可应用于高速车铣复合加工的毫牛级切削力检测和控制的系统及相关装置，现有的切削力检测方法也大多处于实验研究阶段，应用局限性很大，通常仅适用于车、铣、钻等单一加工方式中，如：在车削加工中，通常将应变片贴在车刀上；在钻、铣加工中，通常将测力装置放置于工件下方，通过线缆将所测得力信号传输出来进行处理。对于上述车削加工中切削力的测量，由于通常车刀的刚度远远大于工件的刚度，要使刀具产生形变就需要较大的切削力，而这样就会导致传感器的灵敏度太低。同理，对于铣削或钻削中切削力的测量，由于工件装夹装置本身的重量就较大，也需要大量程的传感器，测力精度也会受影响。
另外，在车铣复合加工中，车削主轴和铣削主轴是共同运动的，因此以上所述方法都无法应用于车铣复合加工中切削力的检测，主要原因是传感器固定安装后引起的线缆缠绕问题。同时，在精密微细复杂结构件加工过程中的切削力是比较小的，一般的传感器无法实现此过程中切削力的高精度测量，要使用高精度的传感器，其安装位置就需要重新考虑。另外，要实现切削力的实时控制，还需要对影响切削力的相关因素，如：切削速度、切削深度、进给速度等进行实时控制。因此，有必要研制一种微小型机械加工切削力实时无线检测及控制系统来满足精密微细复杂结构件的加工需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种微小型机械加工切削力实时无线检测及控制系统，该系统适用于测量0.1mm~10mm尺度范围内微小型零件粗精加工过程中的毫牛级切削力的实时高精度检测和控制。
该检测及控制系统包括力传感器、转接盘a、转接盘b、信号处理模块a、无线发送模块、无线接收模块、信号处理模块b、控制器和微动平台；其中力传感器为环形结构；转接盘b为圆柱形空腔结构，且转接盘b的两端设置有端盖；
安装关系：转接盘b一端的端盖与车削主轴的端面固连，转接盘b另一端的端盖与力传感器的一个端面固连，力传感器的另一个端面通过转接盘a与夹持工件的三爪卡盘端面固连，且力传感器、转接盘及三爪卡盘与车削主轴同轴安装，在转接盘b内部的空腔内设置无线发送模块，信号处理模块a与无线发送模块集成在一起，且力传感器的线缆从其中心孔穿过转接盘b的端盖与信号处理模块a连接，微动平台安装在机床Y向溜板箱上，铣削主轴安装在微动平台上，控制器设置在车铣主轴之外并与微动平台通过线缆连接，无线接收模块和信号处理模块b集成在一起并设置在车铣主轴之外并与控制器通过线缆连接；
各模块功能如下：力传感器采集工件受到的切削力，并将力信号转换成电信号输出给信号处理模块a；信号处理模块a将接收到的电信号转换成数字信号并输出给无线发送模块；无线发送模块将接收到的数字信号输出给无线接收模块；无线接收模块将接收到的数字信号输出给信号处理模块b；信号处理模块b将接收到的数字信号转换成电信号并输出给控制器；控制器将接收到的电信号转化为切削力的大小并与标准切削力进行比较，进而生成控制指令输出给微动平台，微动平台根据控制指令调整铣削主轴在三个轴向的微位移，进而控制铣刀实现微位移调整。
所述的力传感器采用六维力传感器，实现对x、y、z三个轴向切削力及绕x、y、z的三个轴向扭矩的测量，其测力精度达4mN。
有益效果：（1）本发明通过力传感器检测切削力并通过无线模块传输给控制器实现对切削力的实时检测和控制，从而提高精密微细复杂结构件的加工精度和表面质量，满足实际生产加工的要求；（2）本发明的力传感器采用六维力传感器，，其测力精度可达1/256N（约4mN），可满足微小型切削中切削力高精度测量要求。
附图说明
图1为本发明高速车铣复合加工机床的示意图。
图2为本发明切削力检测及控制系统的原理图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1及附图2所示，本发明提供了一种微小型机械加工切削力实时无线检测及控制系统，该检测及控制系统包括六维力传感器、转接盘a、转接盘b、信号处理模块a、无线发送模块、无线接收模块、信号处理模块b、控制器和微动平台；其中六维力传感器为环形结构；转接盘b为圆柱形空腔结构，且转接盘b的两端设置有端盖。
安装关系：转接盘b一端的端盖与车削主轴的端面固连，转接盘b另一端的端盖与力传感器的一个端面固连，力传感器的另一个端面通过转接盘a与夹持工件的三爪卡盘端面固连，且力传感器、转接盘及三爪卡盘与车削主轴同轴安装，以保证传感器与工件之间直接的刚性连接，这样在切削时工件受到的切削力就可以直接由六维力传感器进行测量，保证最高的测量准确性；六维力传感器可以实现对x、y、z三个轴向切削力及绕x、y、z的三个轴向扭矩的测量，其测力精度可达1/256N（约4mN），可满足微小型切削中切削力高精度测量要求。
信号处理模块a与无线发送模块集成在一起并设置在转接盘b内部的空腔里，且力传感器的线缆从其中心孔穿过转接盘b的端盖与信号处理模块a连接，在加工时，随工件和车削主轴一起转动，避免了线缆缠绕问题。微动平台安装在机床Y向溜板箱上，铣削主轴安装在微动平台上，控制器设置在车铣主轴之外并与微动平台通过线缆连接，无线接收模块和信号处理模块b集成在一起并设置在车铣主轴之外并与控制器通过线缆连接。
各模块实现功能如下：
在切削过程中，工件受到的切削力由与之连接的三爪卡盘和转接盘a传递给六维力传感器。六维力传感器将该力信号转化为模拟电压信号并输出给信号处理模块a；信号处理模块a将接收到的电信号转换成数字信号并输出给无线发送模块；无线发送模块将接收到的数字信号输出给无线接收模块；无线接收模块将接收到的数字信号输出给信号处理模块b；信号处理模块b将接收到的数字信号转换成电压信号并输出给控制器；控制器将接收到的电信号转化为切削力的大小并与标准切削力进行比较，进而生成控制指令输出给微动平台，微动平台根据控制指令调整铣削主轴在x、y、z三个轴向进行μm级甚至nm级的微位移，进而控制铣刀实现微位移调整，实现对切削参数的实时调整，从而实现对切削力的实时控制。
本实施例中，当控制器运算所得的实时切削力大于标准切削力时，控制器根据两者的偏差生成控制指令输出给微动平台，控制铣削主轴在切削深度和切削进给的反方向做μm级甚至nm级微小调整，减小切削深度和进给速度，从而使切削力降低到标准值；反之亦然。
该系统主要应用于微小型车铣复合机械加工中切削力实时无线检测和控制，也适用于普通机械加工（如车、铣、钻、磨等）过程中切削力的检测和控制，只需根据切削力的大小更换合适量程的传感器即可。
本发明主要针对采用非开放的数控系统的机床来说，对于使用开放数控系统的机床，其不需要借助于微动平台，可以通过在数控系统直接对车铣主轴的各个切削参数进行实时控制，从而实现对切削力的实时控制。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.微小型机械加工切削力实时无线检测及控制系统，其特征在于，该检测及控制系统包括力传感器、转接盘a、转接盘b、信号处理模块a、无线发送模块、无线接收模块、信号处理模块b、控制器和微动平台；其中力传感器为环形结构；转接盘b为圆柱形空腔结构，且转接盘b的两端设置有端盖；
安装关系：转接盘b一端的端盖与车削主轴的端面固连，转接盘b另一端的端盖与力传感器的一个端面固连，力传感器的另一个端面通过转接盘a与夹持工件的三爪卡盘端面固连，且力传感器、转接盘a、转接盘b及三爪卡盘与车削主轴同轴安装，在转接盘b内部的空腔内设置无线发送模块，信号处理模块a与无线发送模块集成在一起，且力传感器的线缆从其中心孔穿过转接盘b的端盖与信号处理模块a连接，微动平台安装在机床Y向溜板箱上，铣削主轴安装在微动平台上，控制器设置在车铣主轴之外并与微动平台通过线缆连接，无线接收模块和信号处理模块b集成在一起并设置在车铣主轴之外并与控制器通过线缆连接；
各模块功能如下：力传感器采集工件受到的切削力，并将力信号转换成电信号输出给信号处理模块a；信号处理模块a将接收到的电信号转换成数字信号并输出给无线发送模块；无线发送模块将接收到的数字信号输出给无线接收模块；无线接收模块将接收到的数字信号输出给信号处理模块b；信号处理模块b将接收到的数字信号转换成电信号并输出给控制器；控制器将接收到的电信号转化为切削力的大小并与标准切削力进行比较，进而生成控制指令输出给微动平台，微动平台根据控制指令调整铣削主轴在三个轴向的微位移，进而控制铣刀实现微位移调整。
2.如权利要求1所述的微小型机械加工切削力实时无线检测及控制系统，其特征在于：所述的力传感器采用六维力传感器，实现对x、y、z三个轴向切削力及绕x、y、z的三个轴向扭矩的测量，其测力精度达4mN。
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