CN109676435A - 一种铣削温度测试装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铣削温度测试装置、系统及方法，其技术方案为：包括用于采集铣削区内入射光线的光纤电缆、电磁感应器，所述光纤电缆连接测温模块，将入射光线信号传输至测温模块；电磁感应器接收测温模块的输出电压，并将电压信号传输至上位机。本发明可以从铣削区域内部测量温度，消除工件材料热辐射系数的影响，可以进行铣削温度的准确测量。

Description

一种铣削温度测试装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及温度测量领域，尤其涉及一种铣削温度测试装置、系统及方法。

背景技术

切削加工温度影响刀具磨损及刀具寿命，而且对加工后工件表面质量和加工精度具有重要影响，因此准确测量切削温度对于表征切削加工工艺优劣具有重要意义。切削温度测量在切削加工领域中被公认为难题之一，而铣削刀具因转动对铣削点位置遮挡等原因，使得准确测量铣削高温相比测量车削温度等更加困难。

目前常见的切削温度测量方法包含红外热像仪法、单色及双色高温计法、热喷涂料法、自然及人工热电偶法、表层材料微观变形法等。

发明人经研究发现，现有技术至少存在以下缺陷：

红外热像仪及单色高温计法测量切削温度时会受到工件表面热辐射系数的影响，因此需要标定工件材料的热辐射系数，材料热辐射系数会受到材料属性、温度及表面粗糙度的影响，因此需要标定材料的热辐射系数，才能得到准确的切削温度，这两种方法加大了准备成本，而且测量对象的可替换性较差。

双色高温计法消除了工件材料热辐射系数的影响，但是双色高温计包含了冷却装置及斩波器等附加装置，使得测温装置体积较大，因而只能从铣削区域外部进行测温，由于铣削刀具转动对铣削点位置遮挡及切屑对切削区域的遮挡，导致很难准确测得铣削区域的温度。

热喷涂料法是观测沿工件切深方向的涂料颜色变化，对照涂料颜色-温度表预测工件内部温度分布，由于涂料颜色随温度变化并非十分敏感，导致该方法预测切削温度并不准确。

自然热电偶法是基于塞贝克效应，根据采用刀具-工件之间切削时产生的热电势预测切削区域平均温度的方法，该方法需对具体工件材料进行切丝并且结合具体刀具类型才能准确标定，并且需要改造机床结构形成绝缘条件，此方法测试准备时间较长，而且测量对象的可替换性较差。

人工热电偶法是将标准型热电偶(K类，S类等)埋置于刀具或工件预先制备好的盲孔中，利用数学算法和测量点的温度反求切削区域温度。由于盲孔端部距离刀具前刀面或工件表面的距离很难准确保证，而且热电偶放入盲孔中的实际位置很难保证处于盲孔的端部，这会造成测量点位置与反求温度时的起始点位置不一致，从而造成切削区域温度预测不准确。

表层材料微观变形法是根据工件表层材料的弹塑性及微观结构等随温度变化的规律，结合加工后工件表面层的微观变形程度推测切削温度的变化情况，由于材料弹塑性变形和微观结构改变存在一定的温度范围，因而很难根据工件表面层的弹塑性变形和微观结构改变准确预测切削温度。

目前对切削过程测温的研究一方面要求提供准确的测温结果，另一方面要求被测对象具有可替换性。热喷涂料法和表层材料微观变形法由于本身测温原理对温度预测的不准确性，因而很难用于准确测量切削温度。而今工件材料种类繁多，新兴材料层出不穷，而且新型涂层刀具及陶瓷刀具等的崛起，使得面向不同类型刀具及工件材料组合的切削工艺种类增加，由于不同切削组合的热辐射系数及热电势的充分标定需要耗费大量的人力物力，因此红外热像仪法、单色高温计法以及自然热电偶法在切削温度测量时的应用受到极大限制。

由于铣削刀具转动对铣削点位置遮挡及切屑对铣削区域的遮挡，导致体型较大的双色高温计很难从外部某一固定位置准确测得铣削区域温度，因此双色高温计法的应用也受到限制。由于人工热电偶的实际测量点位置与反求温度时的起始点位置不一致，从而造成切削区域温度预测不准确。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种铣削温度测试装置、系统及方法。

本发明的第一目的是提供一种铣削温度测试装置，可以从铣削区域内部测量温度，消除工件材料热辐射系数的影响。

本发明的第二目的是提供一种铣削温度测试系统，光纤电缆的测量位置固定，不同组实验测得的温度值可比较性强。

本发明的第三目的是提供一种铣削温度测试方法，可以进行铣削温度的准确测量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种铣削温度测试装置，包括：

用于采集铣削区内入射光线的光纤电缆，所述光纤电缆连接测温模块，将入射光线信号传输至测温模块；

电磁感应器，接收测温模块的输出电压，并将电压信号传输至上位机。

进一步的，所述测温模块包括串联的自举电路模块和差分比例放大电路模块。

进一步的，所述自举电路模块包括双路运算放大器I，所述双路运算放大器I连接光电二极管。

进一步的，所述差分比例放大电路模块包括双路运算放大器II，所述双路运算放大器II并联电容和电阻以实现噪声信号的滤除。

进一步的，所述双路运算放大器II的输出端串联电阻。

进一步的，所述测温模块由标定装置预先标定，所述标定装置包括黑体炉和万用表；

所述黑体炉与光纤电缆的侧两端相连，万用表用于采集经测温模块输出的电压信号。

进一步的，所述万用表为数字式万用表。

进一步的，所述电磁感应器为无线电磁感应器。

一种铣削温度测试系统，包括刀具和所述的测试装置，所述刀具包括铣刀片、与铣刀片相连的铣刀柄；

铣刀片开设有预制孔，光纤电缆的测量端放置于所述预制孔中。

一种铣削温度测试方法，采用所述的测试系统，包括以下步骤：

将铣刀片与铣刀柄固定，铣刀柄通过刀柄连接体与铣床主轴相连；

将电磁感应器固定于铣床主轴外侧的铣床主轴壳一侧，将测温模块固定于刀柄连接体一侧；

将光纤电缆的测量端放置于铣刀片预先加工好的预制孔中，光纤电缆采集铣削区域内的入射光线，并将入射光线信号传输至测温模块；

测温模块输出稳定的电压信号由电磁感应器接收，电磁感应器将电压信号传输至上位机，根据预先标定好的电压与温度的对应关系得出铣削温度。

进一步的，标定时，将光纤电缆的测量端放置于设定好温度的黑体炉中，光纤电缆的另一端与测温模块的光电二极管相连；测温模块的输出电压由万用表采集记录，根据记录结果确定测温模块的输出电压与温度的对应关系曲线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明光纤电缆采集的光信号可以及时传输至测温模块中，测温模块的输出电压可以借助非接触式的无线电磁感应器及时传输至电脑显示测量温度，可以在线实时测量铣削区域温度随时间的变化；

(2)本发明的测温模块中减少了冷却的附加装置，并且采用电容和电阻并联取代体型较大的斩波装置用于噪声信号滤除，从而使得整个测温模块控制在25mm×25mm的区域，实现了测温模块微型化，提高了在高速旋转铣削时测温模块在刀柄连接件上固定的稳定性；

(3)本发明光纤电缆的测量端放置于铣刀片的预制孔内，其测量位置固定，可避免高速旋转的铣削刀具对切削点位置的遮挡；且不同组实验测得的温度值可比较性强。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明实施例的测温装置结构示意图；

图2为本发明实施例的标定装置结构示意图；

图3为本发明实施例的测温模块电路图；

图4为本发明实施例的铣刀片结构示意图；

图5为本发明实施例的铣刀片A-A视图；

其中，1、铣床主轴壳；2、胶带；3、刀柄连接体；4、光纤电缆；5、铣刀柄；6、铣刀片；7、电脑；8、数据线；9、测温模块；10、电磁感应器；11、黑体炉；12、万用表；13、双路运算放大器I；14、光电二极管；15、电阻I；16、接地；17、双路运算放大器II；18、电阻II；19、电容；20、电阻III。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一：

本实施例提供一种铣削温度测试装置，包括测温模块9、光纤电缆4、电磁感应器10和上位机，测温模块9与光纤电缆4相连，电磁感应器10通过数据线8与上位机相连。

需要说明的，在本实施例中，上位机为电脑7；光纤电缆4采用适用于高温场合的蓝宝石光纤电缆。

如图3所示，所述测温模块9包括自举电路模块和差分比例放大电路模块，其中，自举电路模块包括双路运算放大器I13和光电二极管14，光电二极管14连接于双路运算放大器I13的同相输入端与输出端之间，双路运算放大器I13的反相输入端与输出端之间通过导线连接。

需要说明的，铣削区域的辐射光线波长通常在3-5μm的范围内，而锑化铟光电二极管对于波长在3-5μm范围内的光线具有高度灵敏性，因此在本实施例中，光电二极管14选用锑化铟光电二极管。

可以理解的，在其他的实施例中，光电二极管14也可选用其他类型，具体根据实际需要而定。

差分比例放大电路模块包括双路运算放大器II17、电阻I15、电阻II18、电阻III20、电容19，双路运算放大器II17的反相输入端与双路运算放大器I13的同相输入端相连，且双路运算放大器II17的反相输入端与输出端之间并联电阻III20和电容19。

双路运算放大器II17的同相输入端通过电阻I15接地16，双路运算放大器II17的输出端连接电阻II18。

需要说明的，在本实施例中，双路运算放大器I13、双路运算放大器II17选用OPA2356双路运算放大器；电阻I15选择100Ω，电阻II18选择50Ω，电阻III20选择100Ω，电容19选择10pF。

可以理解的，在其他的实施例中，双路运算放大器I13、双路运算放大器II17可选用其他型号，电阻I15、电阻II18、电阻III20和电容19可选择其他数值，具体根据实际需要而定。

光纤电缆4采集铣削区域内的入射光线，并将入射光线信号传递至测温模块9，测温模块9中的光电二极管14将光信号转换为电信号，经过自举电路实现电信号的一级放大，同时经差分比例放大电路模块实现电信号的二级放大，并通过电容19、电阻III20实现噪声信号的滤除；最后通过串接的电阻II18得到mV量级的稳定有效的输出电压。

优选地，电磁感应器10选择无线电磁感应器，其可以无接触的收集测温模块9的输出电压，并电压信号借助数据线8传输至电脑7中。

测温模块9采用标定装置预先标定，所述标定装置包括黑体炉11和万用表12，将光纤电缆4的测量端放置于设定好温度的黑体炉11中，光纤电缆4的另一端与测温模块9中的光电二极管14相连，输出的电压信号借助万用表12采集。

为了读数方便，本实施例选用数字式万用表。

实施例二：

本实施例提供了一种铣削温度测试系统，包括刀具和实施例一中的测温装置，刀具包括铣刀片6、铣刀柄5、刀柄连接体3，铣刀片6安装于铣刀柄5末端，铣刀柄5上端通过刀柄连接体3与铣床主轴相连，铣床主轴安装于铣床保护壳1的内部，从而实现刀柄连接体3带动铣刀柄5转动，而铣床主轴壳1固定不动。

铣刀片6开设预制孔，预制孔位置处于铣刀片6的后刀面上，如图4-图5所示；使光纤电缆4采集的入射光线范围位于铣削区域内部的瞬时已加工表面上，可避免切屑遮挡铣削区域对测温造成的干扰，并且克服了铣刀转动遮挡铣削加工点的难题。

在本实施例中，预制孔直径为0.5mm，可以放置直径为425μm的蓝宝石光纤电缆；由于预制孔孔径小，使得其长径比远高于5，使得蓝宝石光纤电缆4沿预制孔方向的测量范围内的表面热辐射系数的影响得以消除，提高了测量温度的准确性。

实施例三：

本实施例提供了一种铣削温度测试方法，具体包括以下步骤：

(1)安装刀具：

将铣刀片6安装于铣刀柄5末端，铣刀柄5上端通过刀柄连接体3与铣床主轴相连，铣床主轴安装于铣床保护壳1的内部。

(2)安装测温装置：

将电磁感应器10通过胶带2固定于铣床主轴壳1的一侧，将测温模块9通过胶带2固定于刀柄连接体3一侧，如图1所示。

光纤电缆4一端与测温模块9相连，另一端(测量端)放置于铣刀片6预先加工好的预制孔中。

电磁感应器10通过数据线8连接电脑7。

(3)测试：

光纤电缆4采集铣削区域内的入射光线，并将入射光线信号传输至测温模块9；测温模块9中的光电二极管14将光信号转换为电信号，并且电信号经过放大处理后得到mV量级的稳定有效的输出电压。

所述输出电压由电磁感应器10接收，电磁感应器10将电压信号传输至电脑7，根据预先标定好的电压与温度的对应关系得出铣削温度，较长的光线电缆4被胶带2固定在旋转的铣刀柄5和刀柄连接体3上，可使测量装置伴随铣削加工一起转动，从而在线实时测量铣削温度随时间的变化。

其中，测温模块9的输出电压与温度的对应关系借助由黑体炉11和万用表12组成的标定装置进行标定。

标定时，将光纤电缆4的测量端放置于设定好温度的黑体炉11中，光纤电缆4的另一端与测温模块9的光电二极管14相连；测温模块9的输出电压由万用表12采集记录，根据记录结果确定测温模块的输出电压与温度的对应关系曲线，并且预置于电脑7中，留作实际铣削测温时调用。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铣削温度测试装置，其特征在于，包括：

用于采集铣削区内入射光线的光纤电缆，所述光纤电缆连接测温模块，将入射光线信号传输至测温模块；

电磁感应器，接收测温模块的输出电压，并将电压信号传输至上位机。

2.根据权利要求1所述的一种铣削温度测试装置，其特征在于，所述测温模块包括串联的自举电路模块和差分比例放大电路模块。

3.根据权利要求2所述的一种铣削温度测试装置，其特征在于，所述自举电路模块包括双路运算放大器I，所述双路运算放大器I连接光电二极管。

4.根据权利要求2所述的一种铣削温度测试装置，其特征在于，所述差分比例放大电路模块包括双路运算放大器II，所述双路运算放大器II并联电容和电阻以实现噪声信号的滤除。

5.根据权利要求4所述的一种铣削温度测试装置，其特征在于，所述双路运算放大器II的输出端串联电阻。

6.根据权利要求1所述的一种铣削温度测试装置，其特征在于，所述测温模块由标定装置预先标定，所述标定装置包括黑体炉和万用表；

所述黑体炉与光纤电缆的侧两端相连，万用表用于采集经测温模块输出的电压信号。

7.根据权利要求1所述的一种铣削温度测试装置，其特征在于，所述电磁感应器为无线电磁感应器。

8.一种铣削温度测试系统，其特征在于，包括刀具和如权利要求1-7任一所述的测试装置，所述刀具包括铣刀片、与铣刀片相连的铣刀柄；

铣刀片开设有预制孔，光纤电缆的测量端放置于所述预制孔中。

9.一种铣削温度测试方法，其特征在于，采用如权利要求8所述的测试系统，包括以下步骤：

将铣刀片与铣刀柄固定，铣刀柄通过刀柄连接体与铣床主轴相连；

将电磁感应器固定于铣床主轴外侧的铣床主轴壳一侧，将测温模块固定于刀柄连接体一侧；

将光纤电缆的测量端放置于铣刀片预先加工好的预制孔中，光纤电缆采集铣削区域内的入射光线，并将入射光线信号传输至测温模块；

测温模块输出稳定的电压信号由电磁感应器接收，电磁感应器将电压信号传输至上位机，根据预先标定好的电压与温度的对应关系得出铣削温度。

10.根据权利要求9所述的一种铣削温度测试方法，其特征在于，标定时，将光纤电缆的测量端放置于设定好温度的黑体炉中，光纤电缆的另一端与测温模块的光电二极管相连；测温模块的输出电压由万用表采集记录，根据记录结果确定测温模块的输出电压与温度的对应关系曲线。