CN113649856B - 基于理想气体状态方程的切削负压检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于理想气体状态方程的切削负压检测方法。现在还没有特别适用于检测切削时刀口负压的测量方法。本发明经过出厂前效验后，在切削刀具的前刀面中间位置开设通孔，并将倾斜细管伸出测量工作室外的一端与通孔尾端通过导管连通，便能在切削过程中利用摄像机读取倾斜细管上的刻度，从而识别空气柱的长度值变化，进一步得到倾斜细管中液体两端的压强差，最终计算出切削时刀口的负压。因此，本发明解决了跟随刀具运动来测量切削时刀口产生负压的难题，且制造难度较小，原理简单，成本较低，大大减小了配置，但检测精度却很高，还具备快速测量、抗干扰能力强、可靠性高的特点。

Description

基于理想气体状态方程的切削负压检测方法

技术领域

本发明涉及切削时刀口负压的检测，特别涉及一种在线测量的基于理想气体状态方程的切削负压检测方法。

背景技术

切削产生的压强承载并传递着机械设备运转过程中的多种信息，监测并提取切削过程中的有用信息，能帮助人们更好地掌握设备运行状态，及时进行改进、维护，对产品保持和提高产品质量起到基础保障和推动作用。而研究切削时刀口产生的负压对切削效益的影响具有重要现实意义。目前市场上的负压测量仪器，小型的精确度不够，大型的在测量上有较高的准确度和精密度、灵敏度，但是大多大型精密仪器不仅价格昂贵，还需要长期投入大量的保养费，这类仪器还需要熟练的、技术水平较高的技术人员才能操作，给企业带来了巨大的经济负担。而且，测量切削时刀口产生的负压需要负压测量仪器的测头跟随刀具运动，现有的负压测量仪器还难以做到跟随刀具运动；当然，可以采用高精度的跟随机械手夹持负压测量仪器的测头来跟随，但切削加工过程中就需要时刻占用机械手，不仅使用成本高，还容易导致刀具碰撞昂贵的机械手，造成重大的经济损失，因此，采用高精度的跟随机械手夹持负压测量仪器的测头来测量切削时刀口产生的负压并不是长久之计。可见，现在还没有特别适用于检测切削时刀口负压的测量方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种基于理想气体状态方程的切削负压检测方法。

本发明基于理想气体状态方程的切削负压检测方法，具体步骤如下：

步骤一：在测量工作室中固定风扇、加热器和温度传感器，将温度传感器的信号输出端、风扇和加热器均与控制器一连接；然后，将倾斜细管倾斜固定在测量工作室中，将倾斜细管的一端由塞子封闭，另一端开放且伸出测量工作室外；所述的倾斜细管采用透明材质，包括一体成型且平行设置的多个直管段和连接各相邻直管段的弯管段；所述倾斜细管的直管段上设有长度值刻度；接着，将测量工作室的底部一侧与机架铰接，底部另一侧与电动缸的推杆铰接；将电动缸的缸体与机架铰接，电动缸与控制器二连接；再接着，将三维运动平台固定在机架上，三维运动平台与控制器二连接；测量台固定在三维运动平台上；最后，将摄像机固定在测量台上，摄像机的信号输出端和控制器二均与上位机连接；

步骤二：在校验刀具的前刀面中间位置开设通孔，将校验刀具装配到机床上，将倾斜细管伸出测量工作室外的一端与通孔尾端通过导管连通。然后，用注射泵经塞子向倾斜细管内注入液体，注入液体后液体与塞子之间的空气柱初始压强P₀为一个标准大气压；接着，将测量工作室密闭，控制器二控制电动缸驱动测量工作室达到倾角α，α在30～60°范围内取值，上位机经控制器二驱动三维运动平台，使得摄像机对准液体与空气柱接触的分界面；最后，通过控制器一设置测量工作室内的温度，并开启温度传感器，待测量工作室内的温度均保持稳定值时，开启摄像机记录液体与塞子之间的空气柱图像并传给控制器二算出空气柱长度初始值δX₁；

步骤三：启动机床，使校验刀具对校验工件进行切削工作，摄像机记录液体与塞子之间的空气柱图像并传给控制器二算出空气柱长度，设切削过程中某一时刻液体与塞子之间的空气柱长度为δX₂，则该时刻液体与塞子之间的空气柱长度变化量δX计算如下：

δX＝δX₂-δX₁；

该时刻液体与塞子之间的空气柱长度变化量在竖直方向上的投影为：

ΔL＝δXsinα；

该时刻负压Δp的计算式如下：

Δp＝P₀+2ρgΔL-P₀L₀/(L₀+ΔL) (1)

其中，L₀为液体与塞子之间的空气柱长度初始值δX₁在竖直方向上的投影，ρ为液体的密度，g为重力加速度；

将ΔL视为应变量，L₀视为自变量，对负压的计算式进行变形，得到关于ΔL的一元二次方程：

2ρgΔL²+(P₀-Δp+2ρg L₀)ΔL-ΔpL₀＝0

令Δ＝(P₀-Δp+2ρg L₀)²+8ρgΔpL₀＝0，求解关于ΔL的一元二次方程，得到关于ΔL的一元二次方程的两根：

在上位机上绘制ΔL₂随L₀变化的图像，找出使ΔL₂最大所对应的L₀；

步骤四：若步骤三中使ΔL₂最大所对应的L₀与δX₁在竖直方向上的投影差值小于预设值，则直接执行步骤六，否则用步骤三中使ΔL₂最大所对应的L₀更新计算δX₁，并停止切削，打开测量工作室，用注射泵经塞子改变倾斜细管内液体与塞子之间的空气柱长度，使倾斜细管内液体与塞子之间的空气柱长度达到更新后的δX₁，然后，将测量工作室密闭，上位机经控制器二驱动三维运动平台，使得摄像机对准液体与空气柱接触的分界面；待测量工作室内的温度达到步骤二设置的温度值时，通过摄像机记录液体与塞子之间的空气柱图像并传给控制器二算出空气柱长度初始值δX₁，接着，执行步骤五；

步骤五：重复步骤三和步骤四，直到步骤四判别出步骤三中使ΔL₂最大所对应的L₀与δX₁在竖直方向上的投影差值小于预设值；

步骤六：停止切削，打开测量工作室，将倾斜细管倾斜从测量工作室中拆卸下来，拔下塞子，将倾斜细管中的液体更换成其它密度的液体后再塞上塞子将倾斜细管倾斜重新固定在测量工作室中；其中，液体更换前后保证体积不变；然后，将测量工作室密闭，待测量工作室内的温度达到步骤二设置的温度值时，使校验刀具对校验工件切削预设时间，摄像机记录各时刻液体与塞子之间的空气柱图像，同时，用负压传感器测量切削过程中各时刻刀口产生的负压并传给上位机记录到向量一中；达到预设时间后，控制器二提取对应时间段内摄像机记录的各时刻空气柱图像，算出对应时间段内各时刻的空气柱长度，通过公式(1)计算得到各时刻的负压Δp，并将各时刻的负压Δp记录到向量二中传给上位机；最后，上位机求向量一与向量二做差得到的误差向量的膜，并将误差向量的膜与对应的液体一并进行存储；

步骤七：至少选用三种不同密度的液体重复步骤六，选出膜值最小所对应的液体；然后，停止切削，打开测量工作室，将倾斜细管倾斜从测量工作室中拆卸下来，拔下塞子，将倾斜细管中的液体更换成膜值最小所对应的液体后再塞上塞子将倾斜细管倾斜重新固定在测量工作室中；其中，液体更换前后保证体积不变；然后，将测量工作室密闭；

步骤八：使校验刀具对校验工件切削预设时间，切削过程中在预设温度范围内按预设步长改变测量工作室内的温度，摄像机记录各时刻液体与塞子之间的空气柱图像，同时，用负压传感器测量切削过程中各时刻刀口产生的负压并传给上位机，上位机将负压传感器对应时间段内测量的各时刻负压以及对应的时刻一并记录到向量三中；直到测量工作室的温度按预设步长遍历预设温度范围后，控制器二提取对应时间段内摄像机记录的各时刻空气柱图像，算出对应时间段内各时刻的空气柱长度，通过公式(1)计算得到各时刻的负压Δp，并将各时刻的负压Δp以及对应的时刻一并记录到向量四中传给上位机；然后，上位机求向量三与向量四做差得到的误差向量，将误差向量中元素绝对值最小的时刻所对应的测量工作室温度作为优选温度值；最后，通过控制器一将测量工作室内的温度设置为优选温度值；

步骤九、将导管从倾斜细管伸出测量工作室外的那端处拔下，完成校验工作；实际使用中，在切削刀具的前刀面中间位置开设通孔，将切削刀具装配到机床上，并将倾斜细管伸出测量工作室外的一端与通孔尾端通过导管连通，之后实时检测切削刀具的切削负压。

优选地，所述负压Δp的初算值计算式由下列两个式子联立得到：

P₀L₀＝P₁(L₀+ΔL)；

(P₀-Δp)+2ρgΔL＝P₁；

其中，P₁为液体与塞子之间的空气柱当前压强。

优选地，更换倾斜细管中液体的过程中，之前的液体倒出后用水清洗并烘干，再注入新的液体。

优选地，在步骤八和步骤九之间还设有如下步骤：使校验刀具对校验工件切削预设时间，切削过程中控制器二控制电动缸驱动测量工作室在30～60°范围内按预设步长改变倾角，摄像机记录各时刻液体与塞子之间的空气柱图像，同时，用负压传感器测量切削过程中各时刻刀口产生的负压并传给上位机，上位机将负压传感器对应时间段内测量的各时刻负压以及对应的时刻一并记录到向量五中；直到测量工作室的倾角按预设步长遍历30～60°范围后，控制器二提取对应时间段内摄像机记录的各时刻空气柱图像，算出对应时间段内各时刻的空气柱长度，通过公式(1)计算得到各时刻的负压Δp，并将各时刻的负压Δp以及对应的时刻一并记录到向量六中传给上位机；然后，上位机求向量五与向量六做差得到的误差向量，将误差向量中元素绝对值最小的时刻所对应的测量工作室倾角作为优选倾角值；最后，通过控制器二控制电动缸驱动测量工作室达到优选倾角值。

优选地，所述的控制器一连接有液晶屏。

优选地，所述的三维运动平台包括电机一、框架一、X向丝杆、X向螺母块、电机二、框架二、剪叉式升降台、电机三、框架三、Y向丝杆和Y向螺母块；所述电机一的底座固定在框架一上，电机一的输出轴与X向丝杆固定；所述的X向丝杆与框架一构成转动副，并与X向螺母块构成螺旋副；X向螺母块与固定在框架一上的导轨构成滑动副；所述的框架一由剪叉式升降台驱动升降；所述的剪叉式升降台由电机二驱动；电机二的底座固定在框架二上，框架二固定在Y向螺母块上；所述的Y向螺母块与Y向丝杆构成螺旋副，并与固定在框架三上的导轨构成滑动副；所述的Y向丝杆与框架三构成转动副，并与电机三的输出轴固定；电机三的底座和框架三均固定在机架上；电机一、电机二和电机三均由控制器二控制。

更优选地，所述的剪叉式升降台包括Z向丝杆、Z向螺母块和剪叉机构；所述的Z向丝杆与Z向螺母块构成螺旋副，并与框架二构成转动副；所述的Z向螺母块与固定在框架二上的导轨构成滑动副；电机二的输出轴与Z向丝杆固定；剪叉机构底端靠近电机二的剪叉杆与框架二铰接，远离电机二的剪叉杆与Z向螺母块铰接；剪叉机构顶端的剪叉杆均与框架一铰接。

优选地，所述的控制器二连接有控制面板。

本发明的有益效果在于：

本发明解决了跟随刀具运动来测量切削时刀口产生负压的难题，经过出厂前效验后，只需在切削刀具的前刀面中间位置开设通孔，并将本发明中倾斜细管伸出测量工作室外的一端与通孔尾端通过导管连通，便能实时检测切削刀具的切削负压，扩展了精密仪器的功能，且避免操作人员干预，降低了操作人员的劳动强度。本发明制造难度较小，原理简单，成本较低，大大减小了配置，但检测精度却很高，主要从以下几个方面保证了检测精度：三维运动平台能保证摄像机精确对准液体与空气柱接触的分界面，这是对测量精度的第一个保证；利用了液体两端的压强差来计算负压，算式准确，这是对测量精度的第二个保证；利用了倾斜细管(倾斜细管的横截面积较小，半径在1～2mm之间)上的刻度来读取空气柱的长度值，再计算得到长度值在竖直方向的投影，相比直接读取竖直方向的长度，具有放大作用，既扩展了微小范围的可测性，也使读取到的刻度值更准确，这是本发明对测量精度的第三个保证；调整液体与塞子之间的空气柱长度初始值，使负压产生时倾斜细管内液体与塞子之间的空气柱长度变化达到最大，从而更有利于摄像机准确拍摄和记录，这是对测量精度的第四个保证；选出使测量精度达到较高的优选液体以及优选温度值，这是对测量精度的第五个保证。本发明具备快速测量、抗干扰能力强、可靠性高的特点。

附图说明

图1为本发明采用的切削负压检测装置整体结构立体图；

图2为本发明中测量工作室及其内部零件的结构立体图；

图3为本发明中三维运动平台和摄像机的结构立体图；

图4为本发明中倾斜细管内液体以及液体与塞子之间的空气柱初始位置在竖直方向上的投影示意图；

图5为本发明中倾斜细管内液体以及液体与塞子之间的空气柱在负压作用下于竖直方向上的投影示意图；

图中：1-切削刀具；2-导管；3-倾斜细管；4-温度传感器；5-摄像机；6-电机一；7-电机二；8-电机三；9-控制器二；10-控制面板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明，所描述仅仅是本发明一部分实施例，并不代表本发明的全部实施例。本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。

如图1、图2和图3所示，本发明采用的基于理想气体状态方程的切削负压检测装置，包括测量工作室、控制器一、倾斜细管3、测量台、三维运动平台和摄像机5；测量工作室中设有风扇、加热器和温度传感器4；温度传感器的信号输出端接控制器一，风扇和加热器均由控制器一控制；温度传感器将检测到的测量工作室中的温度数据传给控制器一，控制器一控制风扇或加热器启动，可以维持测量工作室中的温度恒定，有效避免了外界温度变化对检测精度的影响；倾斜细管倾斜固定在测量工作室中，包括一体成型且平行设置的多个直管段和连接各相邻直管段的弯管段；倾斜细管采用透明材质，一端由塞子(带有充气口)封闭，另一端开放且伸出测量工作室外；将注射泵的针头插入塞子的充气口可以注入或吸走液体，来控制空气柱的长短；倾斜细管的直管段上设有长度值刻度；倾斜细管与塞子连接的直管段内注有液体，且液体与塞子之间为空气柱；倾斜细管的作用是通过其中封闭的空气柱长度变化量来计算切削时产生的压强变化量；测量工作室的底部一侧与机架铰接，底部另一侧与电动缸的推杆铰接，电动缸的缸体与机架铰接；电动缸由控制器二9控制；电动缸可以调节倾斜细管的倾角，来优化和校准本发明检测的精确；测量台由三维运动平台驱动；三维运动平台由控制器二9控制；摄像机5固定在测量台上。

优选地，控制器一连接有液晶屏，控制器一可将温度传输给液晶屏进行显示，通过液晶屏的按键能对测量工作室中的温度进行设置。

优选地，三维运动平台包括电机一6、框架一、X向丝杆、X向螺母块、电机二7、框架二、剪叉式升降台、电机三8、框架三、Y向丝杆和Y向螺母块；电机一6的底座固定在框架一上，电机一的输出轴与X向丝杆固定；X向丝杆与框架一构成转动副，并与X向螺母块构成螺旋副；X向螺母块与固定在框架一上的导轨构成滑动副；框架一由剪叉式升降台驱动升降；剪叉式升降台由电机二7驱动；电机二的底座固定在框架二上，框架二固定在Y向螺母块上；Y向螺母块与Y向丝杆构成螺旋副，并与固定在框架三上的导轨构成滑动副；Y向丝杆与框架三构成转动副，并与电机三8的输出轴固定；电机三8的底座和框架三均固定在机架上；电机一6、电机二7和电机三8均由控制器二9控制。电机一控制着测量台的前后移动，电机二控制着测量台的上下移动，电机三则控制着测量台的左右移动，实现了测量台的三维运动，追踪液体与密封空气柱接触的分界面，进而减少测量读数误差，保证无死角精确测量。

更优选地，剪叉式升降台包括Z向丝杆、Z向螺母块和剪叉机构；Z向丝杆与Z向螺母块构成螺旋副，并与框架二构成转动副；Z向螺母块与固定在框架二上的导轨构成滑动副；电机二的输出轴与Z向丝杆固定；剪叉机构底端靠近电机二的剪叉杆与框架二铰接，远离电机二的剪叉杆与Z向螺母块铰接；剪叉机构顶端的剪叉杆均与框架一铰接。

优选地，控制器二9连接有控制面板10。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明基于理想气体状态方程的切削负压检测方法，具体步骤如下：

步骤一：在测量工作室中固定风扇、加热器和温度传感器4，将温度传感器的信号输出端、风扇和加热器均与控制器一连接；然后，将倾斜细管倾斜固定在测量工作室中，将倾斜细管的一端由塞子封闭，另一端开放且伸出测量工作室外；倾斜细管采用透明材质，包括一体成型且平行设置的多个直管段和连接各相邻直管段的弯管段；倾斜细管的直管段上设有长度值刻度；接着，将测量工作室的底部一侧与机架铰接，底部另一侧与电动缸的推杆铰接；将电动缸的缸体与机架铰接，电动缸与控制器二9连接；再接着，将三维运动平台固定在机架上，三维运动平台与控制器二9连接；测量台固定在三维运动平台上；最后，将摄像机5固定在测量台上，摄像机5的信号输出端和控制器二9均与上位机连接；

步骤二：在校验刀具的前刀面中间位置(使刀具可以正常工作)开设通孔，将校验刀具装配到机床上，将倾斜细管伸出测量工作室外的一端与通孔尾端通过导管2连通。然后，用注射泵经塞子向倾斜细管内注入液体，注入液体后液体与塞子之间的空气柱初始压强P₀为一个标准大气压；接着，将测量工作室密闭，控制器二9控制电动缸驱动测量工作室达到倾角α，α在30～60°范围内取值，上位机经控制器二驱动三维运动平台，使得摄像机5对准液体与空气柱接触的分界面(三维运动平台能保证摄像机5精确对准液体与空气柱接触的分界面，这是本发明对测量精度的第一个保证)；最后，通过控制器一设置测量工作室内的温度，并开启温度传感器，待测量工作室内的温度均保持稳定值时，开启摄像机5记录液体与塞子之间的空气柱图像并传给控制器二算出空气柱长度初始值δX₁；

步骤三：启动机床，使校验刀具对校验工件进行切削工作，摄像机记录液体与塞子之间的空气柱图像并传给控制器二算出空气柱长度，设切削过程中某一时刻液体与塞子之间的空气柱长度为δX₂，则该时刻液体与塞子之间的空气柱长度变化量δX计算如下：

δX＝δX₂-δX₁；

该时刻液体与塞子之间的空气柱长度变化量在竖直方向上的投影为：

ΔL＝δXsinα；

该时刻负压Δp的计算式如下：

Δp＝P₀+2ρgΔL-P₀L₀/(L₀+ΔL) (1)

其中，L₀为液体与塞子之间的空气柱长度初始值δX₁在竖直方向上的投影，ρ为液体的密度，g为重力加速度；这里利用了液体两端的压强差来计算负压，算式准确(这是本发明对测量精度的第二个保证)，而且利用了倾斜细管上的刻度来读取空气柱的长度值δX₁和δX₂，再来计算得到ΔL，相比直接读取竖直方向的长度，具有放大作用(斜边的长度大于直角边的长度，斜边的变化更大、更明显)，读取到的刻度值更准确，这是本发明对测量精度的第三个保证。

将ΔL视为应变量，L₀视为自变量，对负压的计算式进行变形，得到关于ΔL的一元二次方程：

2ρgΔL²+(P₀-Δp+2ρg L₀)ΔL-ΔpL₀＝0

令Δ＝(P₀-Δp+2ρg L₀)²+8ρgΔpL₀＝0，求解关于ΔL的一元二次方程，得到关于ΔL的一元二次方程的两根：

在上位机上绘制ΔL₂随L₀变化的图像(ΔL₁为负值，不符合要求)，找出使ΔL₂最大所对应的L₀；

步骤四：若步骤三中使ΔL₂最大所对应的L₀与δX₁在竖直方向上的投影差值小于预设值，则直接执行步骤六，否则用步骤三中使ΔL₂最大所对应的L₀更新计算δX₁，并停止切削，打开测量工作室，用注射泵经塞子改变倾斜细管内液体与塞子之间的空气柱长度(吸走液体时注射泵的针头要插入到液体中)，使倾斜细管内液体与塞子之间的空气柱长度达到更新后的δX₁，然后，将测量工作室密闭，上位机经控制器二驱动三维运动平台，使得摄像机5对准液体与空气柱接触的分界面；待测量工作室内的温度达到步骤二设置的温度值时，通过摄像机5记录液体与塞子之间的空气柱图像并传给控制器二算出空气柱长度初始值δX₁，接着，执行步骤五；

步骤五：重复步骤三和步骤四，直到步骤四判别出步骤三中使ΔL₂最大所对应的L₀与δX₁在竖直方向上的投影差值小于预设值；其中，调整L₀使ΔL₂最大，即使ΔL最大，能使倾斜细管内液体与塞子之间的空气柱长度变化达到最大，从而更有利于摄像机5准确拍摄和记录，使δX的计算准确率得到提升，这是本发明对测量精度的第四个保证；

步骤六：停止切削，打开测量工作室，将倾斜细管倾斜从测量工作室中拆卸下来，拔下塞子，将倾斜细管中的液体更换成其它密度的液体(液体可以是水、食盐水、酚酞等，更换过程中，之前的液体倒出后需要用水清洗并烘干后再注入新的液体)后再塞上塞子将倾斜细管倾斜重新固定在测量工作室中；其中，液体更换前后需保证体积不变；然后，将测量工作室密闭，待测量工作室内的温度达到步骤二设置的温度值时，使校验刀具对校验工件切削预设时间，摄像机记录各时刻液体与塞子之间的空气柱图像，同时，用负压传感器(采用精度越高的负压传感器，校验结果越精确)测量切削过程中各时刻刀口产生的负压并传给上位机记录到向量一中(可以手持负压传感器的测头测量，当然最好采用高精度的跟随机械手夹持负压测量仪器的测头来测量，这里只是在校验过程中短暂使用高精度的跟随机械手，而在本发明校验好之后实际投入使用时便不再需要高精度的跟随机械手了，因此，在校验过程中若采用跟随机械手，时刻注意跟随机械手与刀具的间距，紧急情况时及时停机即可)；达到预设时间后，控制器二提取对应时间段内摄像机记录的各时刻空气柱图像，算出对应时间段内各时刻的空气柱长度，通过公式(1)计算得到各时刻的负压Δp，并将各时刻的负压Δp记录到向量二中传给上位机；最后，上位机求向量一与向量二做差得到的误差向量的膜，并将误差向量的膜与对应的液体一并进行存储；

步骤七：至少选用三种不同密度的液体重复步骤六，选出膜值最小所对应的液体；然后，停止切削，打开测量工作室，将倾斜细管倾斜从测量工作室中拆卸下来，拔下塞子，将倾斜细管中的液体更换成膜值最小所对应的液体后再塞上塞子将倾斜细管倾斜重新固定在测量工作室中；其中，液体更换前后需保证体积不变；然后，将测量工作室密闭；

步骤八：使校验刀具对校验工件切削预设时间，切削过程中在预设温度范围内按预设步长改变测量工作室内的温度，摄像机记录各时刻液体与塞子之间的空气柱图像，同时，用负压传感器测量切削过程中各时刻刀口产生的负压并传给上位机，上位机将负压传感器对应时间段内测量的各时刻负压以及对应的时刻一并记录到向量三中；直到测量工作室的温度按预设步长遍历预设温度范围后，控制器二提取对应时间段内摄像机记录的各时刻空气柱图像，算出对应时间段内各时刻的空气柱长度，通过公式(1)计算得到各时刻的负压Δp，并将各时刻的负压Δp以及对应的时刻一并记录到向量四中传给上位机；然后，上位机求向量三与向量四做差得到的误差向量，将误差向量中元素绝对值最小的时刻所对应的测量工作室温度作为优选温度值；最后，通过控制器一将测量工作室内的温度设置为优选温度值；至此，本发明选出使测量精度达到较高的优选液体以及优选温度值，这是本发明对测量精度的第五个保证；

步骤九、将导管2从倾斜细管伸出测量工作室外的那端处拔下，完成校验工作，本发明出厂前采用较高精度的负压传感器进行校验，校验后测量精度可达到与负压传感器精度非常接近的程度；实际使用中，只需在切削刀具1的前刀面中间位置开设通孔，将切削刀具装配到机床上，并将倾斜细管伸出测量工作室外的一端与通孔尾端通过导管2连通，之后便能实时检测切削刀具的切削负压(控制器二实时提取摄像机记录的各时刻空气柱图像，算出对应时间段内各时刻的空气柱长度，通过公式(1)计算得到各时刻的负压Δp)。

作为一个优选实施例，在步骤八和步骤九之间还设有如下步骤：使校验刀具对校验工件切削预设时间，切削过程中控制器二9控制电动缸驱动测量工作室在30～60°范围内按预设步长改变倾角，摄像机记录各时刻液体与塞子之间的空气柱图像，同时，用负压传感器测量切削过程中各时刻刀口产生的负压并传给上位机，上位机将负压传感器对应时间段内测量的各时刻负压以及对应的时刻一并记录到向量五中；直到测量工作室的倾角按预设步长遍历30～60°范围后，控制器二提取对应时间段内摄像机记录的各时刻空气柱图像，算出对应时间段内各时刻的空气柱长度，通过公式(1)计算得到各时刻的负压Δp，并将各时刻的负压Δp以及对应的时刻一并记录到向量六中传给上位机；然后，上位机求向量五与向量六做差得到的误差向量，将误差向量中元素绝对值最小的时刻所对应的测量工作室倾角作为优选倾角值；最后，通过控制器二9控制电动缸驱动测量工作室达到优选倾角值。

作为一个优选实施例，负压Δp的初算值计算式由下列两个式子联立得到：

P₀L₀＝P₁(L₀+ΔL) (2)

(P₀-Δp)+2ρgΔL＝P₁ (3)

其中，式(2)由公式P₀V₀＝P₁V₁(根据玻意耳定律建立)推导得到，V₀为液体与塞子之间的空气柱体积初始值，V₁为液体与塞子之间的空气柱体积当前值，P₁为液体与塞子之间的空气柱当前压强，推导过程如下：将倾斜细管的横截面积S代入公式P₀V₀＝P₁V₁，则得P₀SL₀/sinα＝P₁SL₁/sinα，化简后得P₀L₀＝P₁L₁＝P₁(L₀+ΔL)，其中，L₁为液体与塞子之间的空气柱当前长度在竖直方向上的投影。

其中，式(3)是根据刀口产生负压后液体两端的气体压强差等于液体两端高度差形成的液体压强差而建立的。

Claims (8)

1.基于理想气体状态方程的切削负压检测方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：在测量工作室中固定风扇、加热器和温度传感器，将温度传感器的信号输出端、风扇和加热器均与控制器一连接；然后，将倾斜细管倾斜固定在测量工作室中，将倾斜细管的一端由塞子封闭，另一端开放且伸出测量工作室外；所述的倾斜细管采用透明材质，包括一体成型且平行设置的多个直管段和连接各相邻直管段的弯管段；所述倾斜细管的直管段上设有长度值刻度；接着，将测量工作室的底部一侧与机架铰接，底部另一侧与电动缸的推杆铰接；将电动缸的缸体与机架铰接，电动缸与控制器二连接；再接着，将三维运动平台固定在机架上，三维运动平台与控制器二连接；测量台固定在三维运动平台上；最后，将摄像机固定在测量台上，摄像机的信号输出端和控制器二均与上位机连接；

步骤二：在校验刀具的前刀面中间位置开设通孔，将校验刀具装配到机床上，将倾斜细管伸出测量工作室外的一端与通孔尾端通过导管连通；然后，用注射泵经塞子向倾斜细管内注入液体，注入液体后液体与塞子之间的空气柱初始压强P₀为一个标准大气压；接着，将测量工作室密闭，控制器二控制电动缸驱动测量工作室达到倾角α，α在30～60°范围内取值，上位机经控制器二驱动三维运动平台，使得摄像机对准液体与空气柱接触的分界面；最后，通过控制器一设置测量工作室内的温度，并开启温度传感器，待测量工作室内的温度均保持稳定值时，开启摄像机记录液体与塞子之间的空气柱图像并传给控制器二算出空气柱长度初始值δX₁；

步骤三：启动机床，使校验刀具对校验工件进行切削工作，摄像机记录液体与塞子之间的空气柱图像并传给控制器二算出空气柱长度，设切削过程中某一时刻液体与塞子之间的空气柱长度为δX₂，则该时刻液体与塞子之间的空气柱长度变化量δX计算如下：

δX＝δX₂-δX₁；

该时刻液体与塞子之间的空气柱长度变化量在竖直方向上的投影为：

ΔL＝δXsinα；

该时刻负压Δp的计算式如下：

Δp＝P₀+2ρgΔL-P₀L₀/(L₀+ΔL) (1)

其中，L₀为液体与塞子之间的空气柱长度初始值δX₁在竖直方向上的投影，ρ为液体的密度，g为重力加速度；

将ΔL视为应变量，L₀视为自变量，对负压的计算式进行变形，得到关于ΔL的一元二次方程：

2ρgΔL²+(P₀-Δp+2ρg L₀)ΔL-ΔpL₀＝0

令Δ＝(P₀-Δp+2ρg L₀)²+8ρgΔpL₀＝0，求解关于ΔL的一元二次方程，得到关于ΔL的一元二次方程的两根：

在上位机上绘制ΔL₂随L₀变化的图像，找出使ΔL₂最大所对应的L₀；

步骤四：若步骤三中使ΔL₂最大所对应的L₀与δX₁在竖直方向上的投影差值小于预设值，则直接执行步骤六，否则用步骤三中使ΔL₂最大所对应的L₀更新计算δX₁，并停止切削，打开测量工作室，用注射泵经塞子改变倾斜细管内液体与塞子之间的空气柱长度，使倾斜细管内液体与塞子之间的空气柱长度达到更新后的δX₁，然后，将测量工作室密闭，上位机经控制器二驱动三维运动平台，使得摄像机对准液体与空气柱接触的分界面；待测量工作室内的温度达到步骤二设置的温度值时，通过摄像机记录液体与塞子之间的空气柱图像并传给控制器二算出空气柱长度初始值δX₁，接着，执行步骤五；

步骤五：重复步骤三和步骤四，直到步骤四判别出步骤三中使ΔL₂最大所对应的L₀与δX₁在竖直方向上的投影差值小于预设值；

步骤六：停止切削，打开测量工作室，将倾斜细管倾斜从测量工作室中拆卸下来，拔下塞子，将倾斜细管中的液体更换成其它密度的液体后再塞上塞子将倾斜细管倾斜重新固定在测量工作室中；其中，液体更换前后保证体积不变；然后，将测量工作室密闭，待测量工作室内的温度达到步骤二设置的温度值时，使校验刀具对校验工件切削预设时间，摄像机记录各时刻液体与塞子之间的空气柱图像，同时，用负压传感器测量切削过程中各时刻刀口产生的负压并传给上位机记录到向量一中；达到预设时间后，控制器二提取对应时间段内摄像机记录的各时刻空气柱图像，算出对应时间段内各时刻的空气柱长度，通过公式(1)计算得到各时刻的负压Δp，并将各时刻的负压Δp记录到向量二中传给上位机；最后，上位机求向量一与向量二做差得到的误差向量的模，并将误差向量的模与对应的液体一并进行存储；

步骤七：至少选用三种不同密度的液体重复步骤六，选出模值最小所对应的液体；然后，停止切削，打开测量工作室，将倾斜细管倾斜从测量工作室中拆卸下来，拔下塞子，将倾斜细管中的液体更换成模值最小所对应的液体后再塞上塞子将倾斜细管倾斜重新固定在测量工作室中；其中，液体更换前后保证体积不变；然后，将测量工作室密闭；

步骤八：使校验刀具对校验工件切削预设时间，切削过程中在预设温度范围内按预设步长改变测量工作室内的温度，摄像机记录各时刻液体与塞子之间的空气柱图像，同时，用负压传感器测量切削过程中各时刻刀口产生的负压并传给上位机，上位机将负压传感器对应时间段内测量的各时刻负压以及对应的时刻一并记录到向量三中；直到测量工作室的温度按预设步长遍历预设温度范围后，控制器二提取对应时间段内摄像机记录的各时刻空气柱图像，算出对应时间段内各时刻的空气柱长度，通过公式(1)计算得到各时刻的负压Δp，并将各时刻的负压Δp以及对应的时刻一并记录到向量四中传给上位机；然后，上位机求向量三与向量四做差得到的误差向量，将误差向量中元素绝对值最小的时刻所对应的测量工作室温度作为优选温度值；最后，通过控制器一将测量工作室内的温度设置为优选温度值；

步骤九、将导管从倾斜细管伸出测量工作室外的那端处拔下，完成校验工作；实际使用中，在切削刀具的前刀面中间位置开设通孔，将切削刀具装配到机床上，并将倾斜细管伸出测量工作室外的一端与通孔尾端通过导管连通，之后实时检测切削刀具的切削负压。

2.根据权利要求1所述基于理想气体状态方程的切削负压检测方法，其特征在于：所述负压Δp的初算值计算式由下列两个式子联立得到：

P₀L₀＝P₁(L₀+ΔL)；

(P₀-Δp)+2ρgΔL＝P₁；

其中，P₁为液体与塞子之间的空气柱当前压强。

3.根据权利要求1所述基于理想气体状态方程的切削负压检测方法，其特征在于：更换倾斜细管中液体的过程中，之前的液体倒出后用水清洗并烘干，再注入新的液体。

4.根据权利要求1、2或3所述基于理想气体状态方程的切削负压检测方法，其特征在于：在步骤八和步骤九之间还设有如下步骤：使校验刀具对校验工件切削预设时间，切削过程中控制器二控制电动缸驱动测量工作室在30～60°范围内按预设步长改变倾角，摄像机记录各时刻液体与塞子之间的空气柱图像，同时，用负压传感器测量切削过程中各时刻刀口产生的负压并传给上位机，上位机将负压传感器对应时间段内测量的各时刻负压以及对应的时刻一并记录到向量五中；直到测量工作室的倾角按预设步长遍历30～60°范围后，控制器二提取对应时间段内摄像机记录的各时刻空气柱图像，算出对应时间段内各时刻的空气柱长度，通过公式(1)计算得到各时刻的负压Δp，并将各时刻的负压Δp以及对应的时刻一并记录到向量六中传给上位机；然后，上位机求向量五与向量六做差得到的误差向量，将误差向量中元素绝对值最小的时刻所对应的测量工作室倾角作为优选倾角值；最后，通过控制器二控制电动缸驱动测量工作室达到优选倾角值。

5.根据权利要求1所述基于理想气体状态方程的切削负压检测方法，其特征在于：所述的控制器一连接有液晶屏。

6.根据权利要求1所述基于理想气体状态方程的切削负压检测方法，其特征在于：所述的三维运动平台包括电机一、框架一、X向丝杆、X向螺母块、电机二、框架二、剪叉式升降台、电机三、框架三、Y向丝杆和Y向螺母块；所述电机一的底座固定在框架一上，电机一的输出轴与X向丝杆固定；所述的X向丝杆与框架一构成转动副，并与X向螺母块构成螺旋副；X向螺母块与固定在框架一上的导轨构成滑动副；所述的框架一由剪叉式升降台驱动升降；所述的剪叉式升降台由电机二驱动；电机二的底座固定在框架二上，框架二固定在Y向螺母块上；所述的Y向螺母块与Y向丝杆构成螺旋副，并与固定在框架三上的导轨构成滑动副；所述的Y向丝杆与框架三构成转动副，并与电机三的输出轴固定；电机三的底座和框架三均固定在机架上；电机一、电机二和电机三均由控制器二控制。

7.根据权利要求6所述基于理想气体状态方程的切削负压检测方法，其特征在于：所述的剪叉式升降台包括Z向丝杆、Z向螺母块和剪叉机构；所述的Z向丝杆与Z向螺母块构成螺旋副，并与框架二构成转动副；所述的Z向螺母块与固定在框架二上的导轨构成滑动副；电机二的输出轴与Z向丝杆固定；剪叉机构底端靠近电机二的剪叉杆与框架二铰接，远离电机二的剪叉杆与Z向螺母块铰接；剪叉机构顶端的剪叉杆均与框架一铰接。

8.根据权利要求1所述基于理想气体状态方程的切削负压检测方法，其特征在于：所述的控制器二连接有控制面板。

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