CN103358183A - 在线测量铣削刀具变形的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在线测量铣削刀具变形的装置及方法。采用两个电涡流位移传感器在线测量铣削刀具加工过程中的形变，通过刀具数学模型可计算出刀具刀尖位置处的形变量，本发明所涉及的装置和测量方法计算方便，便于操作使用，具有很好的实用价值。为合理选择加工工艺参数、优化刀具和提高刀具的使用寿命提供了依据，对提高铣削加工表面质量和加工效率有重要意义。

Description

在线测量铣削刀具变形的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种在线测量铣削刀具变形的装置及方法。

背景技术

数控铣削加工过程中，铣削刀具变形将影响加工精度、刀具使用寿命和已加工表面质量，铣削刀具变形又是计算切削效率，制定合理的切削用量，设计刀具、夹具的重要指标。因此，如何获得准确的铣削加工过程中的刀具变形量，对提高铣削加工质量和加工效率有着重要意义。而以往计算铣削刀具变形量，是通过测量铣床刀具的动刚度和铣削力来实现，该方法测量过程较为复杂且影响因素众多，计算过程繁琐，对普通机床操作人员难以掌握，在实际应用中难以推广，使得准确获得铣削加工过程中刀具变形成为一个难题。

发明内容

针对上述问题，本发明是要提供一种在线测量铣削刀具变形的装置及方法，可以实现在线测量铣削刀具加工过程中变形，通过刀具数学模型可计算出刀具刀尖位置处的变形量，据此可以合理选择加工工艺参数，提高刀具的使用寿命。

为实现上述目的，可以采取以下步骤：

本发明提供了一种在线测量铣削刀具变形量的装置，包括：刀具；工件；机床；数据采集卡；以及计算机；其中，刀具通过刀柄固定在机床的主轴上，工件通过梯形螺栓安装在机的床工作台上，铣削工具变形的测量信号可以通过数据采集卡，由计算机采集获得，其特征在于：两个电涡流位移传感器，分别为第一电涡流位移传感器和第二电涡流位移传感器，第一电涡流位移传感器和第二电涡流位移传感器通过专用夹具呈水平相对的固定在刀具上，其中，第一电涡流传感器用于测量刀具在水平方向上的变形量，得到关于水平方向变形的测量信号，并将测量信号发送到数据采集卡，第二电涡流传感器用于测量刀具在垂直方向上的变形量，得到关于垂直方向上变形的测量信号，并将测量信号发送到数据采集卡。

本发明涉及了一种在线测量铣削刀具的变形量的方法，其特征在于，通过以下步骤完成在线测量铣削刀具变形量和刀具的刀尖的变形量：（1）对机床进行主轴转速、进给转速、铣削深度和铣削宽度的参数设定后进行铣削实验；（2）将水平方向上的变形量和垂直方向上的变形量利用距离公式计算出刀具的总变形量；（3）根据刀具的总变形量，刀具的刀尖到刀具的刀柄的距离和电涡流传感器到刀具的刀柄的距离来计算刀尖的变形。

发明的作用与效果

本发明提供的一种在线测量铣削刀具变形的装置及方法。采用两个电涡流位移传感器在线测量铣削刀具加工过程中的形变，通过刀具数学模型可计算出刀具刀尖位置处的形变量，本发明所涉及的装置和测量方法计算方便，便于操作使用，具有很好的实用价值。为合理选择加工工艺参数、优化刀具和提高刀具的使用寿命提供了依据，对提高铣削加工表面质量和加工效率有重要意义。

附图说明

图1是铣削刀具变形测量装置图。

图2是铣削刀具变形简图。

具体实施方法

以下结合附图对本发明所涉及的一种在线测量铣削刀具变形的装置和方法的优选实施例做详细阐述，但本发明并不仅限于该实施例。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施力中详细说明了具体细节。

图1为铣削刀具变形测量装置图。

如图1所示，用于测量铣削刀具变形测量的装置100包括：刀具103，工件104，机床，数据采集卡106以及计算机107。刀具103通过刀柄102固定在机床的主轴101上，工件104通过梯形螺栓安装在机床的工作台105上。第一电涡流位移传感器108和第二电涡流位移传感器109通过专用夹具水平相对的固定在刀具103的A位置处，并作为测量点。第一电涡流位移传感器108用于测量刀具的水平方向上的变形量，即X方向。第二电涡流位移传感器109用于测量刀具的垂直方向上的变形量，即Y方向。机床在加工时刀具产生变形位置110由虚线表示。两个电涡流位移传感器所测得的测量信号，包括水平方向的变形量和垂直方向上的变形量可以通过数据采集卡106，由计算机107采集获得，采样频率可取为2000Hz。

此外，铣削刀具的刀尖处于图中的B位置，工件进给速度f_w和工件进给的力F在图中以箭头符号表示。

可以通过以下步骤利用在线测量铣削刀具变形的装置对铣削刀具的变形量以及刀具的刀尖的变形量实现在线测量：

步骤S1-101:

启动机床，设置好加工工艺参数，如：主轴转速、进给转速、铣削深度和铣削宽度等参数的设定，进行铣削刀具的变形量实验。

步骤S1-102:

由上述测量测量装置可测量出铣削加工过程中刀具103的A位置处的水平方向，即X方向变形量δ_x和垂直方向上，即Y方向变形量δ_y，据此可计算出A位置处刀具总变形量δ₁，并利用距离公式，如下式所示：

${\mathrm{\δ}}_1=\sqrt{{\mathrm{\δ}}_x^2+{\mathrm{\δ}}_y^2}---\left(1\right)$

式中，δ_x为铣削加工过程中第一电涡流位移传感器108在水平方向上，即X方向测量的变形量，δ_y为铣削加工过程中第二电涡流位移传感器109在垂直方向上，即Y方向测量的变形量。

步骤S1-103:

图2为铣削刀具变形简图。

如图2所示，铣削刀具可简化为悬臂梁，根据悬臂梁的挠度计算公式可计算出刀具A位置和刀具的刀尖位置‐B位置的变形量δ₁和δ：

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{F}{\mathrm{EI}}(\frac{{\mathrm{LL}}_1^2}{2}-\frac{L^3}{6})---\left(2\right)$

$\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{FL}}^3}{3\mathrm{EI}}---\left(3\right)$

式中，F为铣削X方向分力F_x和Y方向分力F_y的合力，即

EI为弯曲刚度系数，L为刀具刀尖距刀柄的距离，L₁为电涡流传感器安装位置，即测量位置A点距刀柄的距离。根据上式（1）、式（2）和式（3）可计算出刀尖位置的变形量δ，如下式所示：

$\mathrm{\δ}=\frac{{2L}^3\sqrt{{\mathrm{\δ}}_x^2+{\mathrm{\δ}}_y^2}}{3{\mathrm{LL}}_1^2-L^3}---\left(4\right)$

根据上式（4）结合通过步骤S1‐103实验测量得到的刀具总变形量δ₁，和L为刀具刀尖距刀柄的距离，L₁为电涡流传感器安装位置，即测量位置A点距刀柄的距离。可方便有效计算出铣削刀具在线加工过程中的变形量。

Claims (2)

1.一种在线测量铣削刀具变形的装置，包括：刀具；工件；机床；数据采集卡；以及计算机；其中，所述刀具通过刀柄固定在所述机床的主轴上，所述工件通过梯形螺栓安装在机的床工作台上，铣削工具变形的测量信号可以通过数据采集卡，由计算机采集获得，其特征在于：

两个电涡流位移传感器，分别为第一电涡流位移传感器和第二电涡流位移传感器，所述第一电涡流位移传感器和第二电涡流位移传感器通过专用夹具呈水平相对的固定在所述刀具上，

其中，第一电涡流传感器用于测量所述刀具在水平方向上的变形量，得到关于水平方向变形的测量信号，并将测量信号发送到所述数据采集卡，

第二电涡流传感器用于测量所述刀具在垂直方向上的变形量，得到关于垂直方向上变形的测量信号，并将测量信号发送到所述数据采集卡。

2.一种基于权利要求1所述的装置用于在线测量铣削刀具的变形量的方法，其特征在于，通过以下步骤完成在线测量铣削刀具变形量和刀具的刀尖的变形量：

（1）对所述机床进行主轴转速、进给转速、铣削深度和铣削宽度的参数设定后进行铣削实验；

（2）将所述水平方向上的变形量和所述垂直方向上的变形量利用距离公式计算出所述刀具的总变形量；

（3）根据所述刀具的总变形量，所述刀具的刀尖到刀具的刀柄的距离和所述电涡流传感器到刀具的刀柄的距离来计算所述刀尖的变形。

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