CN106002486B - 基于微铣床主传动系统功率的微铣削力测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于微铣床主传动系统功率的微铣削力测量方法属于微铣削力测量领域，涉及一种基于微铣床主传动系统功率的微铣削力测量方法。测量方法采用功率采集模块和带有PXI数据采集模块的NI数据采集箱进行测量；采集软件编程过程中采用分段循环采样方法，在LabVIEW数据采集模块外部嵌套一个循环程序，每次循环得出的数据信息在内存中暂存，并将下一次循环得到的数据信息拼接，最终得到完整的数据信息。该方法具有采样频率高、精度高、搭建及使用过程简单等优点，搭建及使用过程简单、成本较低。可以满足微铣床主传动系统功率测量的需求，并保证微铣削力的测量精度，具有实际应用价值。
Description
技术领域
本发明属于微铣削力测量领域，涉及一种基于微铣床主传动系统功率的微铣削力测量方法。
背景技术
目前，微铣削力测量主要集中于使用测力传感器，但考虑到微铣削力量级较小，一般精度的测力传感器无法满足测量需求，高精度测力传感器价格昂贵，且搭建及操作不便；而目前关于机床主传动系统功率及能耗采集系统的研究较为广泛，考虑到切削功率与切削力之间计算关系，可以为微铣削力测量提供新思路。
刘霜等人的名称为《机床主传动系统加工过程能耗信息在线监测方法》的发明专利,ZL201110095627.6，公开了一种机床主传动系统加工过程能耗信息在线监测方法，通过测量机床总输入功率，利用所建立的机床加工过程中主传动系统能量流和主要能耗信息的数学模型，得到机床主传动系统能耗信息的实时数据，但该方法操作过程较为麻烦，精度不高。唐任仲等人的名称为《一种数控车床主传动系统非切削能耗获取方法》的发明专利，CN201210240326.2,公开的方案是通过实验获取主传动系统变频器和主轴电机空载功率，主轴空转摩擦转矩、主传动系统转动惯量、主轴角加速度等模型中的系数值，就可以求出主轴空载和主轴加速的功率和能耗值，但该方法精度较低，无法满足微铣床主传动系统功率测量需求。
综上所述，现有机床主传动系统功率及能耗采集技术存在着精度低等问题，无法满足微铣床主传动系统功率及进一步微铣削力的测量。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，发明一种基于微铣床主传动系统功率的微铣削力测量方法，测量方法采用功率采集模块和带有PXI数据采集模块的NI数据采集箱进行测量；基于LabVIEW的数据采集模块克服了由于采样频率大导致的采样时间短的问题。采样频率高、精度高、与采用高精度微力测量传感器相比搭建及使用过程简单、成本较低。
本发明采用的技术方案是一种基于微铣床主传动系统功率的微铣削力测量方法，其特征在于，测量方法采用功率采集模块和带有PXI数据采集模块的NI数据采集箱进行测量；采集软件编程过程中采用分段循环采样方法，在LabVIEW数据采集模块外部嵌套一个循环程序，每次循环得出的数据信息在内存中暂存，并将下一次循环得到的数据信息拼接，最终得到完整的数据信息；为保证精度，采样频率达200,000Hz；基于LabVIEW的数据采集模块克服了由于采样频率大导致的采样时间短的问题；具体测量步骤如下：
第一步：测量系统数据采集软件编程
本发明在测量系统采集软件编程过程中采用分段循环采样方法，在LabVIEW数据采集模块外部嵌套一个循环程序，每次循环得出的数据信息在内存中暂存，并将下一次循环得到的数据信息拼接，最终得到完整的数据信息；有效减少了缓存区内存，克服了因采样频率过大导致的采样时间短的问题；
第二步：测量系统的安装
将微铣床8与主传动系统变频器7连接，测量系统中的功率采集模块1由电流传感器3和电压变压器4构成，电流传感器3输入端与微铣床主传动系统变频器7连接，电压变压器4输入端与微铣床8相连接，电流传感器3和电压变压器4输出端分别与NI数据采集箱2中安装得PXI数据采集模块5连接；计算机6与NI数据采集箱2连接；
第三步：设定测量参数
测量微铣床主传动系统功率时，需要在测量系统采集软件面板中设定采样频率及时间；
第四步：测量及微铣削力计算
启动微铣床，分别测量主传动系统在空载过程及切削过程状态下的功率值；在采集数控微铣床主传动系统功率时，与数控微铣床连接的功率采集模块实时采集数控微铣床主传动系统的功率数据，并且传送至带有PXI数据采集模块NI数据采集箱进行处理；微铣床主传动系统功率分为空载过程部分及切削过程部分；采用以下公式计算：
空载过程：P＝Pn+Pf (1)
加工过程：P＝Pn+Pf+Pc (2)
其中，P为微铣床主传动系统功率，Pn为微铣床主轴功率，Pf为微铣床变频器功率，Pc为微铣削过程切削功率；
功率值的测量是基于电流传感器与电压变压器测得的电流、电压数据导入PXI数据采集模块计算得到，计算过程通过LabVIEW编程实现，微铣床主传动系统功率P为：
其中，Ui为电压测量值；Ii为电流测量值；f为采样频率；K为采样总数。
测量微铣床主传动系统在空载过程及切削过程的功率后，利用公式(2)得到微铣削过程的切削功率Pc，并通过公式(4)计算得到微铣削力Fc：
其中，v为切削速度，d为铣刀直径，单位为mm，n为主轴转速，单位为转/分。
本发明的有益效果是该方法具有采样频率高、精度高、搭建及使用过程简单等优点，可以满足微铣床主传动系统功率测量的需求，并保证微铣削力的测量精度。
附图说明
图1-基于微铣床主传动系统功率的微铣削力测量方法流程图。
图2-测量系统示意图。图中，1-功率采集模块，2-NI数据采集箱，3-电流传感器，4-电压变压器，5-PXI数据采集模块，6-计算机，7-主传动系统变频器，8-微铣床。
图3-测量系统数据采集软件程序图。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。
图1是基于微铣床主传动系统功率的微铣削力测量方法流程图。
微铣削过程中切削力与传统铣削相比量级小，一般为10-1N量级，因而导致微铣削功率量级小；为保证测量精度，采样频率应尽可能取大值，但取大采样频率会因为硬件缓冲区内存不足而使采样时间短；为克服这一问题，考虑到微铣削过程中微铣削力量级较小，一般精度测力传感器无法满足测量需求，另外高精度测力传感器价格昂贵，且搭建及操作不便；针对这一问题，本发明提供一种基于微铣床主传动系统功率的微铣削力测量系统。
附图2是测量系统示意图。该系统主要包括功率采集模块1、NI数据采集箱2。功率采集模块包括电流传感器3、电压变压器4，NI数据采集箱2包括PXI数据采集模块5。带有PXI数据采集模块的NI数据采集箱型号为PXIe-1062Q，PXI数据采集卡的采样频率为200000Hz。电流传感器3使用瑞士LEM公司的CTSR 1-P电流传感器，与主传动系统变频器7相连，电压变压器4使用220V转12V变压器，与微铣床8连接，数据采集模块5使用美国国家仪器公司PXI-4622型4通道高精度采集卡，将其插入美国国家仪器公司PXIe-1062Q数据采集箱2中，并配备带有显示屏的计算机6。
本实施例中采用立式三轴微型数控铣床，机床配备的微型电主轴最高转速可达140,000转/分；工件材料为镍基高温合金，所用刀具为日本NS公司生产的直径0.6mm微径双刃硬质合金铣刀。本实施例中切削参数为主轴转速分别设置为40000转/分、50000转/分、60000转/分，进给速度为2.2mm/s，切削深度为35μm。
测量方法的具体步骤如下：
第一步：测量系统数据采集软件编程
微铣削过程中切削力与传统铣削相比量级小，一般为10-1N量级，因而导致微铣削功率量级小；为了保证测量精度，本发明中测量系统采样频率设为200,000Hz，但因此会导致硬件缓冲区内存不足而使采样时间变小；通常解决这一问题的方法是减小采样频率，但又无法保证测量精度；因此本发明在测量系统采集软件编程过程中发明了分段循环采样方法，在LabVIEW数据采集模块外部嵌套一个循环程序，每次循环得出的数据信息在内存中暂存，并将下一次循环得到的数据信息拼接，最终得到完整的数据信息；这种循环采样的方式有效地减少了缓存区内存，克服了因为采样频率大而造成的采样时间短的问题，程序图如附图3所示。
第二步：安装测量系统
将微铣床8与主传动系统变频器7连接，将功率采集模块1中的电流传感器3输入端与微铣床主传动系统变频器7连接，电压变压器4输入端与微铣床8相连接，电流传感器3和电压变压器4输出端分别与PXI数据采集模块5连接；电压变压器4分别与主传动系统变频器和微铣床8连接起来；装有LabVIEW采集软件的NI数据采集箱与功率采集模块连接。
第三步：设定测量参数
测量微铣床主传动系统功率时，在测量系统采集软件面板中设定采样频率为200,000Hz及采样时间为10s。
第四步：测量及微铣削力计算
启动微铣床，分别测量主传动系统在空载过程及切削过程状态下的功率值；在采集数控微铣床主传动系统功率时，与数控微铣床连接的功率采集模块实时采集数控微铣床主传动系统的功率数据，并且传送至带有PXI数据采集模块NI数据采集箱进行处理。
功率值的测量是基于电流传感器与电压变压器测得的电流、电压数据导入PXI数据采集模块计算得到，计算过程通过LabVIEW编程实现，利用公式(3)计算微铣床主传动系统功率。
通过测量微铣床主传动系统在空载过程及切削过程的功率，利用公式(1)、(2)就可以得到微铣削过程的切削功率Pc；
通过公式(4)计算得到微铣削力，测量值及误差分析如表1所示。
表1微铣削力计算值与实际值比较
通过表1中对于微铣削力计算值与实测值进行的比较可知，本发明的一种基于微铣床主传动系统功率的微铣削力测量方法可以很好地测量微铣削过程中的微铣削力、满足精度需求，与高精度微力测量传感器相比搭建及使用过程简单、成本较低。
本发明一种基于微铣床主传动系统功率的微铣削力测量方法，具有采样频率高、精度高、搭建及使用过程简单等优点，可以满足微铣床主传动系统功率测量的需求，并保证微铣削力的测量精度，具有实际应用价值。
Claims (1)
1.一种基于微铣床主传动系统功率的微铣削力测量方法，其特征在于，测量方法采用功率采集模块和带有PXI数据采集模块的NI数据采集箱进行测量；采集软件编程过程中采用分段循环采样方法，在LabVIEW数据采集模块外部嵌套一个循环程序，每次循环得出的数据信息在内存中暂存，并将下一次循环得到的数据信息拼接，最终得到完整的数据信息；具体测量步骤如下：
第一步：数据采集软件编程
在测量系统采集软件编程过程中，采用分段循环采样方法，在LabVIEW数据采集模块外部嵌套一个循环程序，每次循环得出的数据信息在内存中暂存，并将下一次循环得到的数据信息拼接，最终得到完整的数据信息；
第二步：安装测量系统
将微铣床(8)与主传动系统变频器(7)连接，测量系统中的功率采集模块(1)由电流传感器(3)和电压变压器(4)构成，电流传感器(3)输入端与微铣床主传动系统变频器(7)连接，电压变压器(4)输入端与微铣床(8)相连接，电流传感器(3)和电压变压器(4)输出端分别与NI数据采集箱(2)中安装得PXI数据采集模块(5)连接；计算机(6)与NI数据采集箱(2)连接；
第三步：设定测量参数
测量微铣床主传动系统功率时，需要在测量系统采集软件面板中设定采样频率及时间；
第四步：测量及微铣削力计算
启动微铣床，分别测量主传动系统在空载过程及切削过程状态下的功率值；在采集数控微铣床主传动系统功率时，与数控微铣床连接的功率采集模块实时采集数控微铣床主传动系统的功率数据，并且传送至带有PXI数据采集模块NI数据采集箱进行处理；
空载过程：P＝Pn+Pf (1)
加工过程：P＝Pn+Pf+Pc (2)
其中，P为微铣床主传动系统功率，Pn为微铣床主轴功率；Pf为微铣床变频器功率；Pc为微铣削过程切削功率；
功率值的测量是基于电流传感器与电压变压器测得的电流、电压数据导入PXI数据采集模块计算得到，计算过程通过LabVIEW编程实现，微铣床主传动系统功率P公式为：
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<mi>P</mi>
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<munderover>
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<mo>=</mo>
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<mi>K</mi>
</munderover>
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<mi>i</mi>
</msub>
<mo>&CenterDot;</mo>
<msub>
<mi>I</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>&CenterDot;</mo>
<msub>
<mi>t</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mrow>
<mrow>
<mi>K</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
<msub>
<mi>t</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，Ui为电压测量值，Ii为电流测量值，f为采样频率，K为采样总数；
通过测量微铣床主传动系统在空载过程及切削过程的功率，得到微铣削过程的切削功率，并通过公式(4)计算得到微铣削力Fc：
<mrow>
<msub>
<mi>F</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<msub>
<mi>P</mi>
<mi>c</mi>
</msub>
<mi>v</mi>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
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其中，v为切削速度，d为铣刀直径，单位为mm，n为主轴转速，单位为转/分。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |