数控车床切削力信号在线监测设计研究

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1、 . . . 1 前言1.1 选题背景与意义1.1.1国外现状20世纪70年代初，我国的数控车床开始进入市场。各大机床厂家采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进等措施，通过它们的不懈努力，使得我国的机床制造水平有了非常大的提高。至今为止，我国生产的数控车床的品种、规格都较为齐全，并且质量基本稳定可靠，已经进入实用和全面发展阶段。现今数控车床呈现以下发展趋势：1、高速化、高精密化；2、高可靠性；3、数控车床设计CAD化和结构设计模块化；4、智能化、网络化、柔性化和集成化；5、功能复合化。在过去的几十年里, 一直进展集中的自动化加工操作和无人操作的机床正在被广泛地引入许多机械市场。研究切削力

2、对进一步研究切削机理，设计刀具、夹具、预测切削功耗等有很重要的意义。有许多科学家和学者都对这方面进行了研究。华北电力大学的康文利等设计出了基于LABVIEW的切削力数据采集与存储系统。他们所研究的这个系统应用程序有三向切削力的数据采集和存储、切削力波形的显示和回放、实验数据统计分析、切削温度经验公式的创建等。交通大学的曙伟等发现刀具破损时声发射信号的能量持续时间很短，能量大，主要集中在340KHz,并且能量幅值根据破损面积的大小而相应变化8。南华大学的欧阳惠斌所做实验的采集信号是刀具切削功率的变化率，再利用单片机进行处理与判断，实现加工过程刀具破损在线监测的系统组成和工作原理。永提出了一种基于

3、刀具状态振动监测的刀具磨损监测方法，其最重要部分就是提取加工过程中刀具的各种状态信号并对它们的状态和特征值进行辨识。基于分形理论和神经网络，林颖等提出了一种刀具磨损监测方法。这种方法就是从切削力静态分量中提取切削力比R和从切削力动态分量中提取分形维数D 这两个特征量作为监测刀具磨损状态的指标，并将这两个特征量和切削速度作为神经网络的输入。T.Blum等对切削条件与声发射信号的RMS值、计数率之间的关系进行了研究。研究发现随刀具后刀面磨损程度和切削用量的增加，声发射信号的RMS值也增大。Cuppini和Errico集中研究了在工艺与设备零件回转操作加工过程中的刀具磨损监测的方法 2。基于实验结果

4、之间的关系,以与磨损和切削用量，采用连续监测的实施方法进行实验,但工件性能、切削速度、进给速率和切削深度均没进行考虑。Moriwaki和Mor提出了一种基于神经网络用于过程控制识别的切削过程的状态在运行通过传感器的方法。王永梅根据刀具状态的切削力监测法，对切削力信号进行了频域分析。她在实验中发现，工艺参数不变的情况下，切削信号的频率结构是很稳定的，为了增大信噪比，首先对切削信号进行带通滤波，然后对切削信号进行均方值监测在整个切削过程中，最后测得其变化趋势并给出了力均方值变化曲线。Elbestawi提出了一种用于在线的铣削侧面磨损监测方法。这种方法是基于对切割后刀面磨损力的谐波大小的变化。Yel

5、lowley和Lai建议利用力监测刀具的磨损, 但刀具磨损和力之间并没有直接的关系用来产生力比的方法。1.1.2选题目的与意义目前，数控车床在我国应用比较广泛。切削过程的直接执行者刀具，在切削加工过程中会存在受力不均衡而发生磨损或破损等现象。为了使不同技能层次的操作人员都能够操作数控车床并使操作性能更加简便，从而提高设备的利用率，为企业创造更多的效益，是当今我国企业对数控操作性能的一种需求。由于科学技术飞速发展，特别是加工自动化、柔性化和集成化程度的日益提高，人工判别刀具状态已经是加工自动化过程中的薄弱环节。为了充分发挥机床设备的效能，保证产品质量和设备安全，保证系统的可靠性，提高生产率和产品

6、加工质量，对刀具磨损量的自动监测对于与时更换磨损超标刀具是十分重要的。由此可见，研究数控车床切削力信号的在线监测设计是非常有意义的。1.2研究容与目标1.2.1设计容本课题就是利用压电式力传感器、电荷放大器、视频采集卡与计算机等进行采集数据和信息，对加工过程刀具受力实现实时监控的研究。图1.1切削力测量系统框图本课题主要研究方向是对加工过程进行实时监控，其中包括切削力信号的采集、实时监控和后续数据的处理与分析。切削力测量系统框图如上图1.1。切削力信号的采集是利用压电式力传感器测得信号,通过电荷放大器滤波和多次放大，将微弱的电荷信号放大成较强的电压信号,然后通过数据采集板,将模拟信号转换成能让

7、计算机识别的数字信号,输入计算机,在计算机上进行实时采集并动态显示信号,从而监测加工过程。信号处理是将采集来的数据进行后续处理与分析，它包括显示、滤波、相关分析、谱分析等，经过时域分析和频域分析采集来的信号，就可以得出这些信号的特征。1.2.2预期研究结果影响切削力的因素有很多，其中影响最为显著的是切削用量的三要素：切削速度、进给量和切削深度。本课题是以外圆车削为例进行的研究。直接对力信号的时域进行分析是状态监测最直接的方法，通过直接观察时域的波形就可以看出力信号的周期、谐波、脉冲。而通过对力信号进行频谱分析，则更容易揭示力信号的频率的分布情况。对切削力功率谱图进行研究可以分析出三向力的功率分

8、布在低、高频带的能量分布1，从而验证系统在硬件部分和软件部分的稳定性和可靠性。2 系统的总体设计2.1工作原理切削力信号的采集是利用压电式力传感器测得力信号,通过电荷放大器滤波、多次放大，将微弱的电荷信号放大成较强的电压信号,然后通过数据采集板,将模拟信号转换成能让计算机识别的数字信号,输入计算机,在计算机上进行实时采集并动态显示信号,从而监测加工过程。2.2主要部件的选用2.2.1传感器的选用压电式力传感器是一种典型的有源传感器或发电型可逆换能器。其既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为机械能。这种性能使它被广泛用于压力、应力、加速度测量，也被用于超声波发射与接收装置等。用做测力传感器

9、时，其灵敏度可达10-3N。这种传感器具有频带宽（零点几赫兹到数万赫兹）、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近几年来，由于电子技术的飞速发展，以与与之配套的二次仪表和低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使这种传感器的应用愈来愈广泛。压电式力传感器是基于某些物质（如石英、钛酸钡、锆钛酸铅等晶体）的压电效应原理而工作的。压电效应是指这些物体当受到外力作用时，不仅几何尺寸发生变化，而且部极化，某些表面上将会出现电荷，并且形成电场。逆压电效应是指将压电晶体置于外电场中时，其几何尺寸也会发生变化的效应，即表明了压电效应是可逆的。 压电式石英力传感器是以石英晶体为力-电转换元件的静、

10、动态型变换器，其与其它传感器的不同就是它具有静态特性好（灵敏度高、静刚度高、线性度小、滞后小）、动态特性好（频率特性和瞬态响应均较理想）、使用性能好、稳定性好（抗干扰能力强）等许多优点。由于切削力是一种动态信号，因此在本课题中选用的压电式力传感器是利用石英的压电效应。天然石英结晶形状为六角形晶柱，两端为一对称的棱锥，六棱柱是它的基本结构。石英晶体有三个晶轴，其中z为光轴，它是利用光学方法确定的，设有压电特性；经过晶体的棱线，并垂直于光轴的x轴称为电轴；垂直于zx平面的y轴称为机械轴。从晶体上沿轴线切下的薄片称为晶体切片，图2.1为石英晶体切片的示意图。在每一切片中，当沿电轴方向加作用力Fx时，

11、则在垂直于电轴的平面上产生电荷Qx，它的大小为 （2.1）式中d11表示电轴x方向受力时的压电常数（它的单位是C/g或C/N）。由Fx是受压还是受拉来决定电荷Qx的符号是正还是负，根据式（2.1）中可知，切片上产生电荷的多少与切片几何尺寸没有关系。图2.1 石英晶体切片如果作用在同一切片上的力是沿机械轴方向，则其电荷仍出现于与x轴垂直的平面上，但是电荷的极性方向相反，此时电荷的大小为 （2.2）式中 a、b表示石英晶体切片的长度与厚度； d12 表示y轴方向受力时的压电常数（由于石英轴对称，因此d12=-d11）。由式（2.2）可知,晶体切片的尺寸与沿机械轴y方向的力作用在晶体上时产生的电荷有

12、关系。式中的负号指的是沿电轴x的压力所引起的电荷极性与沿机械轴y的压力所引起的电荷的极性是相反的。石英晶体切片上的受力方向与电荷符号的关系可用图2.2表示，图（a）和图（b）分别是指在x轴方向上受压力和拉力的示意图，图（c）和图（d）分别是指在y轴方向受压力和拉力的示意图。压电式力传感器是一种具有一定电容的电荷源。在实际应用压电式力传感器时，经常是用两个或两个以上的进行串联或并联。并联时两晶片负极集中在中间基板上，而正电极集中在两侧的电极上。并联时电容最大、输出电荷量较大、时间常数也较大，适宜于测量缓变的信号或以电荷量作为输出的场合。串联时正电荷集中在上极板上，负电荷集中在下极板。串帘法传感器

13、本身电容较小、输出电压较大，适合用在以电压作为输出信号的场合。这里选用的kistler9257B测力仪中就是有四组压电传感器组成，每组传感器都有三对石英压电应变片5。图2.2 晶体切片上电荷符号与受力方向的关系图2.3 Kistler9257B型测力仪的实物Kistler9257B型测力仪的实物图如上图2.3。Kistler9257B型测力仪具有压电式力传感器的所有优点，但是它还有一些缺点，如在测量中压电式力传感器容易受横向干扰。因为晶片在切割时晶轴方向判别和标记上的误差、切角的定向误差、单元晶组和组合晶组构成时晶轴的相位误差与传感器使用和设计中不合理等使得传感器在力电转换过程中输出端产生了信

14、号误差，这也就会影响测力系统的使用和测量结果的准确性。因此，消除或尽可能减少横向干扰是非常有必要的。2.2.2放大器的选用因为压电式力传感器的输出电信号是十分微弱的电荷，而且传感器本身具有非常大的电阻，所以输出的能量十分微弱，这给后接电路带来了一定的难度。因此，通常是先把压电式力传感器感应到的信号输入到前置放大器（它能将高阻的电荷源转换为低阻的电压源），再经过阻抗变换以后，才能够用一般的放大、检波电路将信号输给指示仪表或记录器。在这前置放大器电路的主要用途有：一是将压电式力传感器的高阻抗输出变换为低阻抗的输出，其输入阻抗高达10121014，其输出阻抗小于100；二是用于放大压电式力传感器输出

15、的微弱电信号。前置放大器电路有两种形式：一种是用于电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压成正比；另一种是含有电容反馈的电荷放大器，其输出的电压正比于输入的电荷（也就是压电式力传感器输出）。本课题中使用的是电荷放大器。电荷放大器是一个高增益的运算放大器。使用电荷放大器最显著的优点就是，在一定条件下，电缆的长度和压电式力传感器的灵敏度没有关系。图2.4 电荷放大器的等效电路 图2.5 压电传感器与电荷放大器连续的等效电路电荷放大器的等效电路见图2.4。图中k表示的是电荷放大器的开环放大倍数，而（-k）则表示放大器的输出与输入反相，如果放大器的开环增益足够高，则运算放大器的输入端a点的电位将会接

16、近“地”电位。因为电荷放大器的输入级采用了场效应晶体管，因此放大器输入端几乎没有分流，放大器的输入阻抗极高，电荷Q只对反馈电容Cf充电3，充电电压几乎就等于放大器的输出电压，即（2.3）式中 Uo表示运算放大器的输出电压； U表示反馈电容两端的电压。由式（2.3）可知，电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系。因此，只要保持反馈电容的数值不变，就可得到与电荷量Q变化成线性关系的输出电压。同时，反馈电容Cf小，输出电压就大，因此要到达一定的输出灵敏度要求，必须选择适当的容量的反馈电容。若使输出电压与电缆电容没有关系是有一定条件的。图2.5是

17、压电式力传感器与电荷放大器连接的等效电路，由“虚地”原理可知，反馈电容Cf折合到放大器输入端的有效电容Cf为 （2.4）当略去传感器漏电阻和电荷放大器的输入电阻时，则电荷放大器的输出电压4 （2.5）式中Ci表示电荷放大器的输入电容； Ca表示传感器的部电容； Cc表示电缆电容。若放大器开环增益足够大，即（1+k）CfCa+Cc+Ci时，则电荷放大器的输出电压为 （2.6）由此可知，当电荷放大器的开环增益足够大时，可以认为传感器的输出灵敏度与电缆电容没有关系。在实际使用时，传感器与测量仪器之间总会存在一定的距离，它们之间是用电缆连接的，由于电缆的噪声增加，从而使信噪比有所降低，也一定程度的限制

18、了低电平的振动。在这里我们选用的是Dewetron公司的DAQPad-CHARGE-B型电荷放大器。KISTLER（奇石乐）5011B型电荷放大器是微处理器控制的5011B型电荷放大器，它将压电传感器产生的电荷转换为相应比例的电压信号。该放大器主要用于机械量,如压力,力和加速度的测量。它的测量围从10pC到999,000 pC连续可调。面板上的两行液晶显示使参数设置极为方便。设置后的参数即使在断电情况下仍能保持不丢失。5011B型电荷放大器还有下述特点:1、 量程比较大；2、 工作频率较宽；3、 零点能够自动校正；4、 低通滤波与时间常数可以自己选取；5、 通过不同的选件和变型, 得出最佳适合

19、的具体测量问题；6、 符合电磁干扰规定(CE, 欧共体有关规定)。该放大器上可以选配IEEE488并行接口或RS232串行接口, 通过这些接口可以对设置值进行远程输入或查询。2.2.3数据采集板的选用在信息时代的今天，数据采集技术已经成为信息技术的重要组成部分之一。在计算机测试系统中，如果要实现智能控制，就需将被测对象的各种测量参数送入计算机，而输入计算机的信号应该是数字信号。数据采集就是将要获取的信息通过传感器转换为信号，并经过信号调理、采样、量化、编码和传输等步骤，最后送到计算机系统中进行处理、分析、存储和显示。因此，在计算机和传感测试电路之间，按要求设置信息的传递和转换装置，从而在计算机

20、与外部世界之间起桥梁和纽带作用的就是数据采集通道，即A/D转换器。图2.6 逐次逼近A/D转换器原理A/D转换器的作用是将模拟量转换成数字量。通常A/D转换方法有：逐次逼近型A/D转换、双积分式A/D转换、计数式A/D转换、并行A/D转换和串/并行A/D转换等。逐次逼近A/D转换器原理如图2.66。逐次逼近的转换方法是由同输入电压与一系列的基准电压进行比较，从高位到低位逐位确定并进行转换后数据的各位是0还是1。A/D转换器主要的性能指标有：（1） 分辨率分辨率是指A/D转换器能够转换成二进制书的位数，规定为A/D转换器能够区分的模拟量地最小变化值。由于二进制位决定了能过分辨的模拟量值，因此通常

21、用位数表示分辨率，如4位、8位、12位等。（2） 转换时间从发出启动转换命令到转换结束，得到稳定的输出量为止的时间就称为A/D转换时间。（3） 量化误差一定围连续变化的模拟量只能反映同一个数字量。A/D转换器总是存在1/2LSB的量化误差，这个误差在量化过程中是不可避免的。（4） 精度量化误差和附加误差之和就称为精度。A/D转化器不只量化误差还有非线性引起的误差等其他因素引起的误差，对这种附加误差的总和，称总不可调误差，即A/D调整到最精确的情况下还存在的附加误差。在计算机插A/D卡进行数据采集和记录是一种经济易行的方式。这种插A/D卡很好的利用了通用计算机的硬件资源（包括总线、机箱、电源、存

22、储器与系统软件），并且借助于插入微机或工况机的A/D卡与数据采集软件相结合来实现数据的记录任务。在这种方式下，计算机写外存的速度和信号的采集速度与A/D卡转换的速度有关，计算机外存存储器容量和信号记录长度有关。在这里采用的是研华公司的MP-04A视频采集卡作为该系统的数据采集板。MP-04A采用的是Philips7130芯片，它的开发有多条视频PIC总线视频卡和采集彩色/黑白信号的视频采集卡。计算机通过视频采集卡可以接收来自视频输入端的模拟视频信号，从而对该信号进行采集、量化成数字信号，然后压缩编码成数字视频。视频卡还具备硬件压缩的功能，在采集视频信号时首先在卡上对视频信号进行压缩，再通过PC

23、I接口把压缩的视频数据传送到主机上。视频采集卡流程如下图2.7。图2.7 视频采集卡流程2.2.4软件的选用根据系统的功能要求来选用系统的应用软件。系统软件的选用的要求有良好的稳定性性、可操作性、可靠性、拥有数据的录入、滤波数据处理、图形和数据的输出功能等。这里选用的是DEWETRON公司的产品DEWESoft-6-lt1（界面如图2.8）。其具有DEWESOFT 和FLEXPRO 软件的功能。图2.8 DEWESoft-6-lt1软件的界面该系统提供基于 Windows 操作系统上的通用数采开发平台软件。包括图形化数据采集、分析软件Dewesoft 和多功能数据后处理分析软件Flexpro。

24、数据采集软件DEWESoft的主要性能有：任意测量值的工程单位转换，图形化友好的人机界面，简单易用；在进行数据存储时可加入事件表注、文字注释与声音提示；光标显示幅值和频率；同时显示12通道FFT 曲线；在线计算最大值、频率和有效值；峰值、指数和线性的平均功能；鼠标拖动 ZOOM 功能；同一窗口可同时显示多达4条的测试曲线；可同时显示四个曲线显示窗口，每窗口可显示4通道测试曲线；多种数据文件输出格式，EXCEL、FLEXPRO、I-DEAS、MATLAB、CADA-PC；传递函数测试，可方便进行锤击模态试验；轨迹图；X/Y 记录仪功能；1/3，1/6，1/12，1/24 倍频程分析；图象信号处理

25、功能。FLEXPRO 是一个易于使用，功能强大，兼容多种数据格式的信号后处理软件。具有：（1） 随机信号统计分析：方差分析，概率分布，概率密度，最大/最小值，均值，均方值等；（2） 信号分析：曲线下面积，信号微分和积分，傅里叶变换，傅里叶逆变换，阶次分析，卷积等；（3） 信号处理：数字滤波，信号平滑，曲线拟合，样条插值等；（4） 图形显示：曲线，平面，三维，向量，等高线等多种图形显示方法。功能扩展：通过大量的公式库，用户可自定义多种扩展功能。2.3刀架设计由于本课题中测力仪是安装在刀架下面，直接感应刀具的受力情况。因此需要有专门的刀架对测力仪进行固定。刀架应满足的要求有：（1）满足工艺要求；（

26、2）刀架能牢固的安装刀具；（3）具有足够的刚度；（4）可靠性高；（5）操作方便和安全。根据以上要求设计刀架，刀架和测力仪的安装如图2.8。图2.8 刀架和测力仪的安装2.4总体设计2.3.1系统的组成系统的组成部件有计算机、KISTLER9257B型测力仪、DEWETRON电荷放大器、1677A5 连接电缆、带加法器的5045A 分线盒，1601B3信号输出电缆， Dewetron-PCI 信号调理器(其有置12bit，采样率为1.25MsA/D 板，置有8 个准静态信号调理电荷模块DAQP-CHARGE-B，并且还可置其8个其它信号调理模块，如频率模块、电压模块、温度模块等模块来实现它所需要

27、测试的项目)、系统软件（由数据采集软件DEWESOFT 和通用数据处理软件FLEXPRO 两部分组成）。数控车床在进行车削时,刀具加工工件所产生的力信号由KISTLER9257B测力仪测得,然后接DAQPad-CHARGE-B型电荷放大器,最后通过电荷放大器与计算机上的DEWESoft-6-LT1作为数据采集软件来进行数据采集与分析。2.3.2系统的特点采用KISTLER9257B型测力仪与 DEWETRON的通用型数据采集分析系统DEWE-BOOK-PCI相配合的突出特点是：该系统不但能够完成切削力的采集分析工作，而且还可以实现其它测量工作(如振动、噪声、转速、温度、转矩、应力应变等)。因此

28、其是一个灵活方便的通用型数据采集测量系统，但是该系统需要客户自己配置计算机。因为采用了通用型数据采集分析软件，所以既可以进行切削力的采集分析，又可以实现各种测量的分析处理工作。3.系统的实验上述几章对本课题的来源、研究的目的和意义、系统的整体结构与各组成部件的选取进行了描述。至此实验数据采集之前的各项准备工作已经基本完成。3.1实验目的实现对车床切削力信号的在线监测。3.2实验设备本实验选用的是测力仪（Kislter9257B型）、电荷放大器（DAQPad-CHARGE-B型，如图3.1）、外圆车刀、CK0625数控车床（如图3.2），还有在计算机上使用DEWESoft-6-LT1软件作为实验

29、的数据采集软件。图3.1 DAQPad-CHARGE-B型电荷放大器实物实验条件如下表3.1和图3.2所示：表3.1 实验条件加工工件车床型号所用刀具材料 半径（mm）CK0625型数控车床外圆车刀C45 20材料：硬质合金图3.2 CK0625数控车床实物图3.3电荷放大器与计算机实物3.3实验原理该实验选用的是外圆车刀。刀架用六角螺钉安装于型测力仪上，测力仪又用六角螺钉安装与车床上。本实验中选用的测力仪是Kistler9257B型，其由四组压电式传感器组成。当刀具产生力时，测力仪中的四组压电式传感器分别产生三向力，然后求和，最后输出的就是它们的和如式（3.1）。(3.1)影响切削力的因素有

30、很多，如工件的材料、切削用量、刀具的几何参数、刀具磨损等16。本次实验是通过改变切削用量（切削速度、进给量、背吃刀量这3个条件）来进行多次实验，得出多组数据，分别进行频域和时域分析。（1） 背吃刀量ap即切削深度，指垂直于进给速度方向的切削层最大的尺寸。通常指工件上已加工表面与待加工表面之间的垂直距离。车削外圆时： （3.2）式中dw表示待加工表面的直径（mm）；dm表示已加工表面的直径（mm）。（2） 进给量f工件或工具每转一周或往复一次，或刀具每转过一齿时，工件与工具在进给运动方向上的相对位移，即刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量。车削是单位是mm/r。进给量与变形区中的变形量有直接关

31、系。当进给量较小是，变形量也较小，但工件部不会变形，加剧了金属变形的不均匀性，影响到锻件的质量。对圆柱件加工时，进给量太小时会产生“蘑菇效应”。为保证锻件的质量，应有足够的进给量，以使变形渗透整个锻件的高度。车削时： （3.3）式中 vf表示进给速度（mm/s）： n表示主运动的速度（r/s）。（3） 切削速度v在进行切削加工时，单位时间刀具切削刃上某一点相对于待加工表面在主运动方向上的位移。单位是m/s。车削时的主运动为工件的旋转运动，因此切削速度为： （3.4）式中n表示工件每分钟的转速（r/min）。有上式（3.4）可知，当刀选定以后改变工件的旋转速度就代表改变了切削速度，即它们具有正比

32、的关系。3.4实验结果分析信号处理可以分为频域和时域两种方法。3.4.1时域分析对信号的时域信息直接进行分析和评估是状态监测最直接和最简单的方法，特别是信号里面有简谐信号、周期信号或脉冲信号时。时域分析可以是我们了解切削力信号随时间的变化情况，时域波形图可直接观察从而得出周期、谐波和脉冲。分别改变进给量、背吃刀量、工件的旋转速度的大小，然后对测出的时域图进行分析。例如：图3.4 切削力的时域信号上图的实验可看出在0.4ms时，在z方向受到的力为200N，后来稳定在120N左右。当刀切出工件时，受力不是直接减少到零。并且在后面还出现正常切削受力方向相反的力，这是因为刀在切出时产生了负剪切现象，这

33、种现象的形成在切削刃产生了一个和正常切削加工方向相反的摩擦力，并且使刀应力的急剧恶化。3.4.2频域分析时域分析可用取平均值的方法来反映某时刻的切削力总体情况，但是它忽略了切削 实时状态的瞬时微观信息。因此要进行频域分析。通过傅里叶变换，信号可分解为不同的频率分量。频域分析体现的是信号随频率变化的特征。信号使用频率作为自变量来表示就叫做频谱。通常频域用功率谱表示，其实质上是信号的一种频域能量密度分布描述，所以可视为频域分布。 （a） (b)图4.4两种刀具磨损状态下切削力的功率谱上图是刀具在不同磨损阶段随机抽取的1024点得到的对应轴向力Fx和切向力Fz的频谱图。刀具磨损状态不同的情况下，总是

34、有一组频率的两次谱值取最大值，这组频率就称为切削过程的特征频率。由图可看出频率随切削过程发生变化，切削用量保持不变，只是刀具产生磨损，因此频率反映了刀具磨损状态。由图（a）中可看出在初磨损阶段，谱峰值约在1500Hz。由图（b）可看出，特征频率出现在20002500Hz的低频区。该组功率谱值呈现逐渐增加的趋势。由于外在因素的影响。功率谱和刀具的磨损直接的直线关系。3.5本章小结本章我们通过改变切削用量对切削力信号进行了时域和频域的分析，从而验证了该系统在硬件部分和软件部分的稳定性和可靠性。通过实时监测也可以观察出刀具的磨损情况，从而与时更换刀具。结 论切削加工是生产领域中重要的一种加工方法，众

35、多科技工作者为深入把握其机理，控制其加工过程，不断的尝试把新的技术和方法应用其中。对切削力的把握和控制是加工中的重要部分之一，其直接影响着加工质量、刀具寿命和磨损等一些重要指标，所以对切削力的监测有着比较重要的意义。在对本课题的研究的过程中，存在许多尚未解决的难题。对车削过程进行测量，需要将测力仪安装在车床上，这就或多或少的需要改动车床部件结构，不易被用户接受，因而限制了切削力信号监测方法的推广和使用。并且，切削工况的改变也会引起切削力的变化，像是在刀具切入工件时，切削力会从小到大 ，在趋于稳定的变化。怎样区分工况改变引起的切削力变化和刀具磨损引起的切削力变化是采用切削力信号监测的一个不利因素

36、。参 考 文 献1吴长忠,选,国平.机床切削力信号在线监测的研究J.科技创新导报,2009:52 Toshimichi moriwaki, Toshiroh shibasaka and Somkiat tangjitsitcharoen. Development of in-Process Tool Wear Monitoring System for CNC TurningJ. JSME International Journal,Series,2004,47(3):3-9383熊诗波,黄长艺.机械工程测试技术基础M.第3版.:机械工业,2009.6:90-934朱蕴璞,孔德仁,王芳.传感器

37、原理与应用M.:国防工业,2005.8:77-935何光伟,艾长胜,王娜等.基于切削力的刀具磨损检测J.控制与检测,2009(12):51-576周林,殷侠.数据采集与分析技术M.:电子科技大学,2005.7:115-1197乐善.微型计算机接口技术与应用M.: 华中科技大学,2000.4:266-2718马旭,捷.数控机床刀具磨损监测方法J.测量与监测技术,2009,36(6):70-739莉.机床切削力信号在线监测的开发D.理工大学硕士学位论文.2002:5-13 10翔. 21世纪制造业的发展趋势J.工业学院报,1999(3):42-4511于广伟,贾建军.工况信息融合的精神网络刀具监控

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