CN103143988A

CN103143988A - 一种切削过程中微型刀具与工件接触精确检测的方法

Info

Publication number: CN103143988A
Application number: CN2013101087864A
Authority: CN
Inventors: 曹自洋; 李华; 殷振; 薛晓红; 郭丽华; 宋娜; 谢鸥; 汪帮富; 杨建锋
Original assignee: Suzhou University of Science and Technology
Current assignee: Suzhou University of Science and Technology
Priority date: 2013-03-31
Filing date: 2013-03-31
Publication date: 2013-06-12

Abstract

本发明公开了一种切削过程中微型刀具与工件接触精确检测的方法，属于微细加工领域。其特征在于：基于主轴振动信号功率谱特性的变化来检测微型刀具与工件是否接触，利用固定在主轴壳体上的加速度计检测主轴的振动信号，用软件对信号进行处理，确定对应于最高微型刀具-工件检测精度的主轴转速，计算该转速对应频率的功率谱，设置检测阈值范围，然后工件向刀具步进进给，实时检测主轴转动频率峰值功率的大小，一旦检测值落在预设的阈值范围之外，就停止工件进给，检测结束。本发明的检测方法能够实现亚微米级的检测精度，而且可以在线检测刀具-工件的接触，同时该检测方法所需设备简单，成本低，实施方便。

Description

一种切削过程中微型刀具与工件接触精确检测的方法

技术领域

本发明涉及一种切削过程中微型刀具与工件接触精确检测的方法，属于微细加工领域。

背景技术

微细切削加工技术因具有多种材料适应性、可加工复杂三维形状和精确的几何误差控制等优点而在微细加工技术中具有独特的优势，但是微细切削所采用的刀具尺寸很小，一般是长度范围在10mm-100mm 之间，直径在0.01mm-0.5mm之间，由于刀具直径的减小，加工过程中微型刀具不易准确定位，严重影响微细切削的加工精度，如何精确检测微型刀具与工件的接触、准确定位微型刀具已经成为微细切削技术无法普及于工业应用的重大瓶颈之一。

Kumar和Singh等人基于激光技术来检测微型刀具-工件的接触（A Preliminary Investigation of the Laser Assisted Micromilling Process），但是只能达到50μm的精度，定位精度过低。Otieno和Pedapati等人采用机器视觉技术来检测刀具-工件的接触（Imaging and Wear Analysis of Micro-tools Using Machine Vision），但是这种技术需要极高倍率的相机，检测成本过高。Sodemann和Mayor等人采用刀具-工件相接触时产生的电信号来检测二者的定位（Parametric Investigation of Precision in Tool–Workpiece Conductivity Touch-Off Method in Micromilling），但是这种方法只有在刀具和工件都是导电材料的情况下才能使用。而目前常用的接触式刀具定位技术，其定位过程是先以一组LVDT传感器接触刀具的切削刃，使刀尖位置及刀刃形状得到确认，这种方式的定位精度取决于探针的分辨率，精度一般在1-10μm之间，定位系统灵敏度低，容易因定位不准确而使微型刀具破损或折断。从上面的分析可以看出，目前已见诸文献的切削过程中微型刀具与工件接触的检测方法，存在种种问题，所以急迫需要开发一种新型、实用、通用的微型刀具与工件接触的检测方法。

发明内容

为解决微细切削加工中刀具-工件接触难以精确检测的难题，本发明目的在于一种切削过程中微型刀具与工件接触精确检测的方法。

为了解决上述技术问题，实现上述目的，本发明的技术方案是：

基于主轴振动信号功率谱特性的变化来检测微型刀具与工件是否接触，利用固定在主轴壳体上的加速度计检测主轴的振动信号，用软件对信号进行处理，确定对应于最高微型刀具-工件检测精度的主轴转速，计算该转速对应频率的功率谱，设置检测阈值范围，然后工件向刀具步进进给，实时检测主轴转动频率峰值功率的大小，一旦检测值落在预设的阈值范围之外，就停止工件进给，检测结束。该发明的检测技术定位精度高，取代传统刀具定位技术过于依赖人工、费时且无法在线检测、适用性差等缺点，以保证微细切削的加工精度。

更进一步，所述测量方法采用单轴加速度计固定在主轴壳体上，检测主轴的横向振动信号；

更进一步，所述测量方法用数据处理软件对加速度计的输出信号进行方法和采样，使用带通滤波器对信号进行滤波，只保留主轴转速范围对应的频率信号；

更进一步，所述测量方法计算主轴转速范围频率对应的功率谱，确定对应于最高微型刀具-工件检测精度的主轴转速;

更进一步，所述测量方法确定该转速对应功率谱的峰值功率，设置刀具-工件接触检测的阈值范围;

更进一步，所述测量方法采用工件向刀具步进进给，实时检测主轴转速对应频率的峰值功率的大小，一旦检测值落在预设的阈值范围之外，就停止工件进给，检测结束。

本发明的主要优点是：

1、检测精度高，能够实现亚微米级的检测精度；

2、对各种刀具-工件材料的组合均适用，克服了传统检测方法对刀具-工件材料的硬度、导电性等性能的限制；

3、适用范围广，微细铣削、微细钻削等切削加工均可采用此检测方法；

4、可以在线检测刀具-工件的接触，更符合实际加工工况；

5、该测量方法成本低，设备简单，实施方便，应用前景广阔；

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为主轴振动检测装置结构示意图。

图中标号名称：1、加速度计；2、主轴；3、微型铣刀；4、工件；5、X、Y、Z工作台；6、PC机。

具体实施方式

如图1所示，本发明是一种切削过程中微型刀具与工件接触精确检测的方法，基于主轴振动信号功率谱特性的变化来检测微型刀具与工件是否接触。

1. 检测试验在自行研制的小型三坐标微细铣削机床上进行，X、Y、Z轴均采用无刷无槽直线伺服电机平台驱动，并集成RENISHAW公司分辨率为0.1μm的直线光栅编码测量系统，可实现伺服电机闭环反馈控制；空气静压电主轴的最高转速为120,000rpm，加工中可获得足够的切削速度；工件材料为硬铝，刀具为切削直径0.1mm的硬质合金二刃平头立铣刀。

2. 单轴加速度计（KISTLER，频带为8kHz）固定在主轴壳体上，检测主轴的横向振动信号。

3. 采用美国NI公司的数据处理系统（NI 6233）对加速度计的输出信号进行放大和采样，使用巴特沃斯带通滤波器对信号进行滤波，只保留主轴转速范围（0-120,000）对应的频率信号。

4. 计算主轴转速范围频率对应的功率谱，确定对应于最高微型刀具-工件检测精度的主轴转速，也就是功率谱峰值最大的频率，该实验中是400Hz，对应的主轴转速为24000rpm。

5. 对400Hz处的功率谱作峰值功率测试，设置刀具-工件接触检测的阈值范围为（600-700）（v²rms）×10^-6。

6. 采用工件向刀具步进进给，步长为0.2μm，在进给过程中实时检测主轴转速对应频率的峰值功率的大小，当实际检测到峰值功率为512（v²rms）×10^-6时，检测值落在预设的阈值范围之外，此时刀具接触工件，停止工件进给，检测结束。

7. 采用白光干涉仪对刀具进入工件的超调量进行检测，测量值为0.5μm，达到了亚微米的检测精度。

Claims

1.一种切削过程中微型刀具与工件接触精确检测的方法，其特征在于：基于主轴振动信号功率谱特性的变化来检测微型刀具与工件是否接触，检测主轴的振动信号，计算主轴转速对应频率的功率谱，设置检测阈值，工件向刀具进给，检测峰值功率，依据该测量值判定刀具与工件是否接触。

2.根据权利要求1所述的一种切削过程中微型刀具与工件接触精确检测的方法，其特征在于：单轴加速度计固定在主轴壳体上，检测主轴的横向振动信号。

3.根据权利要求2所述的一种切削过程中微型刀具与工件接触精确检测的方法，其特征在于：用数据处理软件对加速度计的输出信号进行放大和采样，使用带通滤波器对信号进行滤波，只保留主轴转速范围对应的频率信号。

4.根据权利要求3所述的一种切削过程中微型刀具与工件接触精确检测的方法，其特征在于：计算主轴转速范围频率对应的功率谱，确定对应于最高微型刀具-工件检测精度的主轴转速。

5.根据权利要求4所述的一种切削过程中微型刀具与工件接触精确检测的方法，其特征在于：确定该转速对应功率谱的峰值功率，设置刀具-工件接触检测的阈值范围。

6. 根据权利要求1所述的一种切削过程中微型刀具与工件接触精确检测的方法，其特征在于：工件向刀具步进进给，实时检测主轴转速对应频率的峰值功率的大小，一旦检测值落在预设的阈值范围之外，就停止工件进给，检测结束。