CN113953893A - 一种刀具端应变式铣削力测量装置的信号传输处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刀具端应变式铣削力测量装置的信号传输处理方法，包括以下步骤：S1、在刀具端安装应变片，当刀具端受力时，通过应变片采集刀具端电阻信号，并转变为电压信号；S2、将采集到的电压信号输入交流放大器进行放大处理；S3、将放大后的信号依次输入相敏解调器以及低通滤波器进行处理，得到目标信号。本发明的信号传输处理电路由惠斯通电桥电路、交流放大器、相敏解调器以及低通滤波器组成，可以将微弱信号从噪声中提取出来并对其进行准确测量，利用与待测信号有相同频率和固定相位关系的参考信号作为基准，滤掉与其频率不同的噪声，从而提取出有用信号成分。
Description
技术领域
本发明属于传感器信号处理技术领域，具体涉及一种刀具端应变式铣削力测量装置的信号传输处理方法。
背景技术
铣削力是铣削过程中重要的物理参数之一。由于切削力能直接反映加工过程中的动态行为，因而用切削力信号能间接监测刀具工作状态和磨损量。铣削力的大小不仅决定了铣削过程中所消耗的功率，而且还直接影响切削热的产生，并进一步影响刀具的磨损、破损、刀具耐用度等，对加工精度和质量有着直接影响。高速铣削时，铣削力对刀具的磨损、破损影响更大。因此，研究高速铣削切削力的变化规律有助于分析铣削过程和指导生产实践。另外，金属切削刀具的磨损与磨损状态直接影响着机械加工的精度、效率及经济效益，因此刀具磨损状态的监控越来越引起人们的重视。刀具磨损的在线监测是柔性制造系统研究工程的一个重要课题。
相较于车削加工，铣削加工过程中刀具本身在高速旋转和移动，因此铣削力会受到径向冲击。与车削相比，铣削的切削过程不连续，切削层参数及切削力是变化的，容易引起冲击和震动，从而影响加工质量的提高。铣削为多刃切削，刀齿易出现径向跳动和端而跳动。这将引起刀负荷不均匀，因而各齿磨损量不一致，从而使刀具使用寿命降低，工件表面粗糙度值加大。因此铣削力一般分为三个方向上的力的检测，即刀柄上的径向力和扭矩以及弯矩。
铣削加工过程是非连续切削，铣削加工过程中由于切削面积是随着刀具的移动而变化的，所以引起的切削力及力矩也是变化的，是一个动态的数值。刀柄在高速旋转中，由于刀身的抖动会带来噪声干扰，并且由于刀柄自身具有较高的刚性，刀柄在受力时在应变片上产生的形变非常微弱，传统的信号处理方法使用多级放大器对微弱信号进行放大，但是这样会引入大量噪声，使得有用信号被噪声掩盖无法得到有用信息。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种由惠斯通电桥电路、交流放大器、相敏解调器以及低通滤波器组成，可以将微弱信号从噪声中提取出来并对其进行准确测量的刀具端应变式铣削力测量装置的信号传输处理方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种刀具端应变式铣削力测量装置的信号传输处理方法，包括以下步骤：
S1、在刀具端安装应变片，当刀具端受力时，通过应变片采集刀具端电阻信号，并转变为电压信号；
S2、将采集到的电压信号输入交流放大器进行放大处理；
S3、将放大后的信号依次输入相敏解调器以及低通滤波器进行处理，得到目标信号。
进一步地，所述步骤S1中，应变片为两对电阻应变传感器，两对电阻应变传感器作为电桥电路的两个可变臂，与另外两个电阻连接形成电桥电路；
记Ui(t)为电桥电路的交流激励输入，作为载波，其表达式为：
式中，Ai为交流激励信号的幅度，ω0为交流激励以及参考信号的频率，
为交流激励信号的相位；
当刀具端在加工过程中受铣削力作用产生形变，应变传感器阻值随刀具端柄身形变量改变而改变，变化形式记为Vb(t)；
电桥电路的输出Ub(t)为：
进一步地，经过交流放大器调制后的信号Up(t)为：
K为交流放大器的放大倍数。
进一步地，所述步骤S3具体实现方法为：
S31、用相敏解调器将交流放大器调制后的信号和参考信号相乘，使其频谱搬迁到ω＝0处；
参考信号Ur(t)为：
式中，Ar为参考信号的幅度；参考信号Ur(t)与电桥电路的交流激励输入信号Ui(t)为同源信号；
相敏解调后的信号为：
频率为ωo的信号频谱搬到了ω＝0和ω＝2ωo处，频谱搬移后形状没有改变，幅度由交流激励信号的幅度Ai、参考信号的幅度Ar、交流放大器的放大倍数K决定；
S32、将相敏解调器输出信号Upo(t)输入低通滤波器滤波后，频率为2ωo的分量被滤除，得到放大信号Uo(t)，即
式中，系数A＝0.5KAiArVb(t)为常数。
本发明的有益效果是：本发明采用基于锁相放大原理的信号调理电路检测刀柄所受切削力大小。基于锁相放大的信号调理电路由惠斯通电桥电路、交流放大器、相敏解调器以及低通滤波器组成。锁相放大器可以将微弱信号从噪声中提取出来并对其进行准确测量。锁相放大器是基于互相干方法的微弱信号检测手段，其核心是相敏检测技术，利用与待测信号有相同频率和固定相位关系的参考信号作为基准，滤掉与其频率不同的噪声，从而提取出有用信号成分。
附图说明
图1为本发明信号传输处理方法的流程图；
图2为本发明的交流信号源电路图；
图3为本发明的交流放大器电路图；
图4为本发明的相敏解调器电路图；
图5为本发明的低通滤波器电路图。
具体实施方式
基于对切削力在加工过程中的变化趋势进行分析可实现加工质量预测，为了从噪声中提取出微弱应变信号的同时，将信号放大而不失真，本发明针对应变式铣削力测量的信号传输处理系统，设计一种可以将微弱信号提取出来并放大处理的信号传输电路系统，可以从高频噪声中提取出应变片微弱电信号，并进行处理，有助于进一步信号分析和处理。本发明采用基于锁相放大原理的信号调理电路检测刀柄所受切削力大小。锁相放大电路是用于微弱信号检测的装置，微弱信号常淹没在各种噪声中，锁相放大电路可以将微弱信号从噪声中提取出来并对其进行准确测量。锁相放大电路是基于互相干方法的微弱信号检测手段，其核心是相敏检测技术，利用与待测信号有相同频率和固定相位关系的参考信号作为基准，滤掉与其频率不同的噪声，从而提取出有用信号成分。基于锁相放大原理的信号调理电路由惠斯通电桥电路、交流放大器、相敏解调器以及低通滤波器组成。如图1所示。
本发明的一种刀具端应变式铣削力测量装置的信号传输处理方法，包括以下步骤：
S1、在刀具端安装应变片，当刀具端受力时，通过应变片采集刀具端电阻信号，并转变为电压信号；
刀具端受力，上面应变片的电阻值发生改变。由于刀柄是一种高刚度的机械产品，受力发生的应变极其微小，所以微小电阻值的变化难以直接采用科学仪器进行准确测量，而电压值或电流值则相对容易获取，因此需要设计专用测量电路以将电阻变化转化为电压变化或者电流变化。
用于将电阻变化转化为电压变化或者电流变化测量的电路最常用的是电桥电路，包含直流电桥和交流电桥。本发明选择交流电桥，其中电桥又分为单臂电桥、半桥差动电桥、全桥差动电桥。考虑到测量轴向力选用的半导体式电阻应变片的温度系数比较大，导致易受温升产生非线性误差；测量扭矩选用的金属丝式电阻应变片的灵敏度系数较低，导致易产生电压漂移误差，都会导致测量精度下降。因此，本发明选用半桥桥差动电桥电路。
应变片为两对电阻应变传感器，两对电阻应变传感器作为电桥电路的两个可变臂，与另外两个电阻连接形成电桥电路；
记Ui(t)为电桥电路的交流激励输入，作为载波，其表达式为：
式中，Ai为交流激励信号的幅度，ω0为交流激励以及参考信号的频率，
为交流激励信号的相位；交流激励信号由常见的交流信号源产生，交流信号源电路如图2所示。
当刀具端在加工过程中受铣削力作用产生形变，应变传感器阻值随刀具端柄身形变量改变而改变，变化形式记为Vb(t)；
电桥电路的输出Ub(t)为：
S2、将采集到的电压信号输入交流放大器进行放大处理；刀柄加工过程中受力从而引起应变片形变使得应变片电阻值改变，使得电桥产生微弱电信号。形变信号以电压值的形式传输，得到电信号以后由于在加工过程中，刀柄上受到的铣削力一般不大，而且刀柄本身的刚度较高，因此铣削力产生的形变非常微弱，由此导致应变片形变产生的信号十分微弱，形变产生的电信号大约为微伏级别。
为了使信号放大到可以处理的大小，在信号传输处理过程中要使用放大器，因此使用放大器将电信号放大，但是目前一般放大器对微伏级别信号放大效果不佳，而且使用放大器将微弱信号放大的同时，也将噪声和干扰一起放大了。噪声本身的幅值与频率往往大于有用微弱信号，因此噪声会淹没有用信号。为了保证放大微伏级别信号，得到更好的识别效果，可以使用常见仪表放大器作为前置放大处理器件，然后将放大的信号输入交流放大器，常见的交流放大器电路如图3所示。
经过交流放大器调制后的信号Up(t)为：
K为交流放大器的放大倍数。
S3、将放大后的信号依次输入相敏解调器以及低通滤波器进行处理，得到目标信号；常用的相敏解调器和低通滤波器的电路分别如图4和图5所示。本步骤具体实现方法为：
S31、用相敏解调器将交流放大器调制后的信号和参考信号相乘，使其频谱搬迁到ω＝0处；
参考信号Ur(t)为：
式中，Ar为参考信号的幅度；参考信号Ur(t)与电桥电路的交流激励输入信号Ui(t)为同一个交流信号源产生的幅度不同、相位相同的同源信号；
相敏解调后的信号为：
频率为ωo的信号频谱搬到了ω＝0和ω＝2ωo处，频谱搬移后形状没有改变，幅度由交流激励信号的幅度Ai、参考信号的幅度Ar、交流放大器的放大倍数K决定；
S32、将相敏解调器输出信号Upo(t)输入低通滤波器滤波后，频率为2ωo的分量被滤除，得到放大信号Uo(t)，即
式中，系数A＝0.5KAiArVb(t)为常数。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种刀具端应变式铣削力测量装置的信号传输处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在刀具端安装应变片，当刀具端受力时，通过应变片采集刀具端电阻信号，并转变为电压信号；
S2、将采集到的电压信号输入交流放大器进行放大处理；
S3、将放大后的信号依次输入相敏解调器以及低通滤波器进行处理，得到目标信号。
2.根据权利要求1所述的一种刀具端应变式铣削力测量装置的信号传输处理方法，其特征在于，所述步骤S1中，应变片为两对电阻应变传感器，两对电阻应变传感器作为电桥电路的两个可变臂，与另外两个电阻连接形成电桥电路；
记Ui(t)为电桥电路的交流激励输入，作为载波，其表达式为：
式中，Ai为交流激励信号的幅度，ω0为交流激励以及参考信号的频率，
为交流激励信号的相位；
当刀具端在加工过程中受铣削力作用产生形变，应变传感器阻值随刀具端柄身形变量改变而改变，变化形式记为Vb(t)；
电桥电路的输出Ub(t)为：
3.根据权利要求2所述的一种刀具端应变式铣削力测量装置的信号传输处理方法，其特征在于，经过交流放大器调制后的信号Up(t)为：
K为交流放大器的放大倍数。
4.根据权利要求1所述的一种刀具端应变式铣削力测量装置的信号传输处理方法，其特征在于，所述步骤S3具体实现方法为：
S31、用相敏解调器将交流放大器调制后的信号和参考信号相乘，使其频谱搬迁到ω＝0处；
参考信号Ur(t)为：
式中，Ar为参考信号的幅度；参考信号Ur(t)与电桥电路的交流激励输入信号Ui(t)为同源信号；
相敏解调后的信号为：
频率为ωo的信号频谱搬到了ω＝0和ω＝2ωo处，频谱搬移后形状没有改变，幅度由交流激励信号的幅度Ai、参考信号的幅度Ar、交流放大器的放大倍数K决定；
S32、将相敏解调器输出信号Upo(t)输入低通滤波器滤波后，频率为2ωo的分量被滤除，得到放大信号Uo(t)，即
式中，系数A＝0.5KAiArVb(t)为常数。
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20220121 |