CN110103076B - 一种深孔镗削加工状态实时监测的智能镗杆系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种深孔镗削加工状态实时监测的智能镗杆系统，包括：浮动镗刀、封装环、镗杆、切削力传感器、振动传感器、微控制器模块、无线通讯模块、供电装置以及计算机；镗杆的表面开设刀具槽，所述浮动镗刀安装于所述刀具槽中；镗杆的表面开设环形凹槽，环形凹槽的槽底沿镗杆直径方向开设通孔；振动传感器固定于通孔内；切削力传感器设有四个，四个所述切削力传感器连接成电桥，且固定于环形凹槽的槽底面；封装环套设在镗杆上，且置于环形凹槽的顶部对其进行密封；微控制器模块、无线通讯模块、供电装置均固定于封装环的内部。本发明中的智能镗杆系统操作方便，传输准确，且传输效率高，可以对加工状态进行实时检测。

Description

一种深孔镗削加工状态实时监测的智能镗杆系统
技术领域
本发明涉及深孔加工的机床专用切削刀具技术领域，更具体的说是涉及一种深孔镗削加工状态实时监测的智能镗杆系统。
背景技术
在机械加工过程中，加工过程中的信号反映了当前加工的状态，加工颤振、刀具磨损等因素都会使加工信号发生改变。利用传感器采集加工过程中的信号并进行转换与处理，可以实时监测加工状态，为制定和优化工艺参数进而提高加工效率与加工质量提供依据。
在大型深孔零件的镗削过程中，切削力与振动是极为重要的两个物理量，需要实时采集两者的信号进行分析，判断当前的加工状态。目前，切削力监测使用最多的是压电式台式测力仪，测力台固定在工作台上，铣削时，测力仪与工件相连。在大型深孔零件镗削过程中，由于零件尺寸较大，内部空间封闭，切削力与振动信号的采集、转换与处理过程困难，一般的测力仪等信号采集系统无法满足需求。
因此，研究出一种使用方便，操作简单，传输效率高的深孔镗削加工状态实时监测的智能镗杆系统是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种操作方便，传输准确，传输效率高的深孔镗削加工状态实时监测的智能镗杆系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种深孔镗削加工状态实时监测的智能镗杆系统，包括：浮动镗刀、封装环、镗杆、切削力传感器、振动传感器、微控制器模块、无线通讯模块、供电装置以及计算机；
所述镗杆的表面开设刀具槽，所述浮动镗刀安装于所述刀具槽中；
所述镗杆的表面开设环形凹槽，所述环形凹槽的槽底沿所述镗杆直径方向开设通孔；
所述振动传感器固定于所述通孔内；
所述切削力传感器设有四个，四个所述切削力传感器连接成电桥，且固定于所述环形凹槽的槽底面；所述切削力传感器、振动传感器均与所述微控制器模块连接；
所述封装环套设在所述镗杆上，且置于所述环形凹槽的顶部对其进行密封；
所述微控制器模块、无线通讯模块、供电装置均固定于所述封装环的内部，所述微控制器模块与所述无线通讯模块连接；所述无线通讯模块与所述计算机无线连接；所述切削力传感器、振动传感器、微控制器模块、无线通讯模块均与所述供电装置连接。
采用上述技术方案的有益效果是，本发明中将振动传感器与切削力传感器集中在镗杆上，可实现加工过程与信息技术的深度融合，减少测量装置的占用空间，增加测量装置的灵敏程度，并且结合无线通模块，可以对加工过程进行实时的监测。使用封装环可以对检测部件进行保护，避免受到切屑和切削液的影响。
优选的，所述切削力传感器选用电阻应变片式传感器，所述振动传感器选用压电式加速度传感器。
优选的，四个所述电阻应变片式传感器在所述环形凹槽内间隔90°安装。
优选的，电桥用于测量浮动镗刀所受的轴向力和扭矩，并采用惠斯通电桥测量方法测量轴向力和扭矩。
优选的，所述微控制器模块包括：放大电路、滤波器、A/D转换器；所述放大电路、滤波器、A/D转换器顺次连接，所述放大电路与所述电阻应变片式传感器、压电式加速度传感器连接；所述A/D转换器与所述无线通讯模块连接。
采用上述技术方案的有益效果是，电阻应变片式传感器、压电式加速度传感器采集到的数据依次通过放大电路、滤波器、A/D转换器最终将信号传输到无线通讯模块，然后再传输到计算机对检测到的信息进行处理；其中，放大电路会对检测到的信号放大，滤波器对信号进行过滤，可以使信号传输的更加准确。
优选的，所述无线通讯模块包括：ZigBee核心模块和协调器；所述ZigBee核心模块与协调器通过无线传输方式无线连接，并进行数据传输；所述ZigBee核心模块与所述A/D转换器相连接；所述协调器与所述计算机通过串口通讯相连接。
本发明的有益效果：
(1)将振动传感器与切削力传感器集中在镗杆上，可实现加工过程与信息技术的深度融合，减少测量装置的占用空间，增加测量装置的灵敏程度；使用封装环对切削力传感器、振动传感器、微控制器模块、无线通讯模块、供电装置进行保护，避免受到切屑和切削液的影响；
(2)使用ZigBee核心模块和协调器可以对准确、高效的对信息进行无线传输，并且能够避免因线路过长，易磨损、易破坏而影响信号传输的问题；
(3)切削力传感器、振动传感器检测到的信息最终被传输到计算机，通过计算机对接收到的切削力与振动信号进行分析处理，进而实时调整加工参数以提高加工质量，实现自适应的智能加工过程。
需要说明的是，在上述步骤中，应用了很多专业术语，在此一一进行解释：
串口通讯：是指外设和计算机间，通过数据信号线、地线等，按位进行传输数据的一种通讯方式。
ZigBee技术：是一种短距离、低功耗的无线通信技术。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的镗杆的结构示意图；
图2附图为本发明提供的镗杆A-A处的剖面图；
图3附图为本发明提供的镗杆B-B处的剖面图；
图4附图为本发明提供的镗杆工作流程图；
图5附图为本发明提供的镗杆系统协调器节点程序流程图；
图6附图为本发明提供的镗杆系统采集终端节点程序流程图；
图7附图为本发明提供的镗杆镗削过程的受力图；
图8附图为本发明提供的惠斯通电桥示意图；
图9附图为本发明提供的电阻应变片式传感器在环形槽内的粘贴示意图。
其中，图中，
1-浮动镗刀；2-封装环；3-镗杆；4-电阻应变片式传感器；5-压电加速度传感器；6-微控制器模块；7-ZigBee核心模块；8-供电装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种深孔镗削加工状态实时监测的智能镗杆系统，包括：浮动镗刀1、封装环2、镗杆3、切削力传感器、振动传感器、微控制器模块6、无线通讯模块、供电装置8以及计算机；镗杆3的表面开设刀具槽，浮动镗刀1安装于刀具槽中；镗杆3的表面开设环形凹槽，环形凹槽的槽底沿镗杆3直径方向开设通孔；振动传感器固定于通孔内；切削力传感器传感器设有四个，四个切削力传感器连接成电桥，且固定于环形凹槽的槽底面；切削力传感器、振动传感器均与微控制器模块6连接；封装环2套设在镗杆3上，且置于环形凹槽的顶部对其进行密封；微控制器模块6、无线通讯模块、供电装置8均固定于封装环2的内部，微控制器模块6与无线通讯模块连接；无线通讯模块与计算机无线连接；切削力传感器、振动传感器、微控制器模块6、无线通讯模块均与供电装置8连接。供电装置8选用锂电池进行供电。
进一步地，切削力传感器选用电阻应变片式传感器4，振动传感器选用压电式加速度传感器5。电阻应变式传感器4根据应变片在外力作用下发生机械变形，相应电阻阻值发生变化，然后将被测物理量通过测量电桥电路转化为电压信号输出；大型深孔零件镗孔过程主轴转速一般不高，且切削过程易产生振动等因素干扰，选用电阻应变片式传感器4，其结构简单，价格便宜，技术成熟，抗干扰能力强，可以测量切削过程中受到的切削力。
如图7所示，将浮动镗刀1的受力向截面化简，其中，Fy为Fy1与Fy2向截面简化后合成的轴向力，其化简引入的力矩相互抵消；T1与T2为分别为力Fx1、Fx2与力Fz1、Fz2化简引入的扭矩，其力方向相反，大小相等相互抵消；由此可知，简化后的浮动镗刀系统主要受力为轴向力和扭矩，因此镗削过程中扭矩与轴向力是重要的两个参数。
更进一步地，如图8，图9所示，四个电阻应变片式传感器4在所述环形凹槽内间隔90°安装。电桥用于测量浮动镗刀1所受的轴向力和扭矩，并采用惠斯通电桥测量方法测量轴向力和扭矩。
惠斯通电桥的计算过程如下：
当电阻应变片式传感器因变形而发生阻值变化时，其输出电压变化为
Figure BDA0002053452130000051
其中Uout为输出电压，其中Uin为输入电压；
对于电阻应变片式传感器来说，
Figure BDA0002053452130000052
其中ε为轴向应变，Kε为应变片材料的灵敏系数，L为应变片长度，S为应变片面积，ρ为应变片电阻率。
因切削力引起的镗刀杆应变为
Figure BDA0002053452130000053
所以有
Figure BDA0002053452130000054
ε可以通过输出电压求得，进而求得切削力；
式中，A为应变片粘贴处镗杆截面积，Fy为刀具所受轴向力，D为电阻式应变片传感器粘贴处镗杆外径，d为电阻式应变片传感器粘贴处镗杆内径，E为弹性模量。
同理，由材料力学可知，与轴线方向成±45°方向为纯剪切状态，其剪应力为
Figure BDA0002053452130000061
所以有
Figure BDA0002053452130000062
ε可以通过输出电压求得，进而求得扭矩。
式中T为扭矩，D为电阻应变片式传感器粘贴处镗杆外径，d为电阻应变片式传感器粘贴处镗杆内径，E为弹性模量，μ为泊松比，r为应力点至截面形心的距离。
更进一步地，微控制器模块6包括：放大电路、滤波器、A/D转换器；放大电路、滤波器、A/D转换器顺次连接，放大电路与电阻应变片式传感器4、压电式加速度传感器5连接；A/D转换器与无线通讯模块连接。
更进一步地，无线通讯模块包括：ZigBee核心模块7和协调器；ZigBee核心模块7与协调器通过无线传输方式无线连接，并进行数据传输；ZigBee核心模块7与A/D转换器相连接；协调器与计算机通过串口通讯相连接。大型深孔零件的长度长，尺寸大，内部空间封闭，由于ZigBee技术具有低功耗、低成本、短时延、高容量与高安全等优点，综合考虑通信速率、通信距离以及功耗等特性，选用ZigBee技术作为无线传输的方式。其中，ZigBee核心模块可以将数据预处理部分处理后的信号以无线射频方式传输出去。
协调器通过分配内部节点接收ZigBee传输的无线数据，将数据通过串口发送至计算机。其内部节点程序流程图如图5所示。
ZigBee核心模块主要包括数据采集与数据传输两部分。其内部采集终端节点程序控制系统完成数据的采集并将数据送入微控制器模块进行处理，处理后通过无线传输的方式传输数据。其内部节点程序流程流程图如图6所示。
更进一步地，计算机可选用计算机，在计算机上利用LabView软件强大、优异的信号处理能力开发软件平台，实时对切削力信号与振动信号进行分析，对加工状态进行监测，并将信号显示在显示屏上。通过对数据的分析，实时调整加工参数以改善加工质量，形成自适应智能加工系统。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种深孔镗削加工状态实时监测的智能镗杆系统，其特征在于，包括：浮动镗刀(1)、封装环(2)、镗杆(3)、切削力传感器、振动传感器、微控制器模块(6)、无线通讯模块、供电装置(8)以及计算机；
所述镗杆(3)的表面开设刀具槽，所述浮动镗刀(1)安装于所述刀具槽中；
所述镗杆(3)的表面开设环形凹槽，所述环形凹槽的槽底沿所述镗杆(3)直径方向开设通孔；
所述振动传感器固定于所述通孔内；
所述切削力传感器设有四个，四个所述切削力传感器连接成电桥，且固定于所述环形凹槽的槽底面；所述切削力传感器、振动传感器均与所述微控制器模块(6)连接；
所述封装环(2)套设在所述镗杆(3)上，且置于所述环形凹槽的顶部对其进行密封；
所述微控制器模块(6)、无线通讯模块、供电装置(8)均固定于所述封装环(2)的内部，所述微控制器模块(6)与所述无线通讯模块连接；所述无线通讯模块与计算机无线连接；所述切削力传感器、振动传感器、微控制器模块(6)、无线通讯模块均与所述供电装置(8)连接；
电桥用于测量浮动镗刀(1)所受的轴向力和扭矩，并采用惠斯通电桥测量方法测量轴向力和扭矩；
惠斯通电桥的计算过程如下：
当电阻应变片式传感器因变形而发生阻值变化时，其输出电压变化为
Figure FDA0002580548930000011
其中Uout为输出电压，其中Uin为输入电压；
对于电阻应变片式传感器来说，
Figure FDA0002580548930000012
其中ε为轴向应变，Kε为应变片材料的灵敏系数，L为应变片长度，S为应变片面积，ρ为应变片电阻率；
因切削力引起的镗刀杆应变为
Figure FDA0002580548930000021
所以有
Figure FDA0002580548930000022
ε可以通过输出电压求得，进而求得切削力；
式中，A为应变片粘贴处镗杆截面积，Fy为刀具所受轴向力，D为电阻式应变片传感器粘贴处镗杆外径，d为电阻式应变片传感器粘贴处镗杆内径，E为弹性模量；
同理，由材料力学可知，与轴线方向成±45°方向为纯剪切状态，其剪应力为
Figure FDA0002580548930000023
所以有
Figure FDA0002580548930000024
ε可以通过输出电压求得，进而求得扭矩；
式中T为扭矩，D为电阻应变片式传感器粘贴处镗杆外径，d为电阻应变片式传感器粘贴处镗杆内径，E为弹性模量，μ为泊松比，r为应力点至截面形心的距离。
2.根据权利要求1所述的一种深孔镗削加工状态实时监测的智能镗杆系统，其特征在于，所述切削力传感器选用电阻应变片式传感器(4)，所述振动传感器选用压电式加速度传感器(5)。
3.根据权利要求2所述的一种深孔镗削加工状态实时监测的智能镗杆系统，其特征在于，四个所述电阻应变片式传感器(4)在所述环形凹槽内间隔90°安装。
4.根据权利要求1所述的一种深孔镗削加工状态实时监测的智能镗杆系统，其特征在于，所述微控制器模块(6)包括：放大电路、滤波器、A/D转换器；所述放大电路、滤波器、A/D转换器顺次连接，所述放大电路与所述电阻应变片式传感器(4)、压电式加速度传感器(5)连接；所述A/D转换器与所述无线通讯模块连接。
5.根据权利要求4所 述的一种深孔镗削加工状态实时监测的智能镗杆系统，其特征在于，所述无线通讯模块包括：ZigBee核心模块(7)和协调器；所述ZigBee核心模块(7)与协调器通过无线传输方式无线连接，并进行数据传输；所述ZigBee核心模块(7)与所述A/D转换器相连接；所述协调器与所述计算机通过串口通讯相连接。
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