用于加工过程中切削力信号的实时监测装置及方法

摘要

本发明公开了用于加工过程中切削力信号的实时监测装置及方法,该装置包括环形测力装置，环形测力装置包括中间开有孔的本体，环形测力装置通过中间开孔套装在电主轴体上并且夹紧固定在电主轴法兰及设备的固定法兰之间，在本体上在同一圆周方向相互间隔90度开有四个力传感器放置孔，在每一个力传感器放置孔中固定有一个三向力传感器，在所述力传感器放置孔外侧开有用于三向力传感器的信号线穿过的槽，力三向传感器的信号线依次与前置放大器、数据采集卡以及计算机相连。本发明结构简单可靠,通用性较强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种加工状态实时监测与控制领域，具体为一种加工过程中切削力 信号的实时监测装置。

背景技术

目前，随着加工制造精度要求越来越高，通过采集加工过程信号对加工状态实 时监测与控制的智能制造系统逐渐受到关注，其中切削力信号最能反映加工过程状 态；机加工切削力信号数据的采集一般采用Kisler公司的动态测力仪进行，然后 将电荷量的力信号通过传输线传到电荷放大器中并转换为电压信号，电荷放大器与 数据采集卡相连，计算机控制采集卡进行采集，然后把这些数据保存在计算机中。 采集过程中仪器较多，连线复杂，不易携带，给使用人员带来很多不必要的时间浪 费；测力仪的安装受到加工工况及工件尺寸等外部因素制约。

发明内容

本发明的目的在于客服已有技术的缺点，提供这一种使用简单方便，通用性较 强的用于机加工中切削力信号的实时监测装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明一种用于加工过程中切削力信号的实时监测装 置，它包括环形测力装置，所述的环形测力装置包括中间开有孔的本体，所述的环 形测力装置通过中间开孔套装在电主轴体上并且夹紧固定在电主轴法兰及设备的 固定法兰之间，在所述的本体上在同一圆周方向相互间隔90度开有四个力传感器 放置孔，在每一个力传感器放置孔中固定有一个三向力传感器，在所述力传感器放 置孔外侧开有用于三向力传感器的信号线穿过的槽，所述的力三向传感器的信号线 依次与前置放大器、数据采集卡以及计算机相连。

本发明一种用于加工过程中切削力信号的实时监测方法，它包括以下步骤：

步骤一、信号的采集：首先，三向力传感器将监测到的加工过程中的切削力信 号转变为电压量的模拟信号，电压量的模拟信号然后经过前置放大器对信号放大处 理后，再通过数据采集卡将模拟信号转换成数字信号输出给计算机；

步骤二、信号的处理：首先将计算机采集的四个三向力传感器输出的在X、Y、 Z方向的力信号分别在X、Y、Z方向上叠加，得到在X、Y、Z方向上的三向切削力， 坐标系X、Y、Z方向以环形测力装置建立，X、Y分别沿着环形测力装置径向相互 垂直，Z方向沿着环形测力装置的轴向；然后将通过计算得到的三向切削力信号采 用低通滤波器对信号数据进行滤波处理，对经滤波后的三向切削力信号通过信号采 集模块实时监测，同时将采集到的力信号以文本的格式保存下来，从而用于进一步 的处理和分析；

步骤三、信号的分析：首先，采用经验模态分解将信号采集模块采集的力信号 数据自适应分解成一组本征模函数；然后，对处理后的力信号数据进行特征提取， 选取时域以及频域的特征；最后，将选取的力信号特征实时显示，实现加工过程中 切削力状态的监测。

本发明的有益效果:本发明切削力信号的实时监测装置考虑到现有测力仪采集 信号过程中遇到的限制因素，结合力传感器结构特点，将力传感器均匀分布固定在 环形测力装置中，并将设计的环形测力装置以垫片形式嵌入到电主轴法兰与设备法 兰之间，很好的解决了力传感器在安装中遇到的各种问题。本发明使用简单方便， 实用性与通用性强，由于是嵌入式的结构，所以结构简单可靠。本发明的切削力监 测方法与现有技术中的监测方法相比，监测软件采用模块接口设计，通过添加模块 接口，可以同时采集振动加速度信号，实现多传感器信号同步采集，对现在加工状 态监测系统中多传感器信号融合采集的实现提供一种技术思路。

附图说明

图1-1是本发明用于加工过程中切削力信号的实时监测装置的结构示意图；

图1-2是图1-1所示的装置的A-A剖示图；

图1-3是图1-1所示的装置的C-C剖示图；

图2是图1所示的装置的安装结构示意图；

图3是图1所示的装置中力传感器坐标系方向定义图。

图中：1-电主轴体，2-传感器，3-设备的固定法兰，4-环形测力装置，5-力传 感器放置孔，6-电主轴法兰，7-槽

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如附图所示，本发明一种用于加工过程中切削力信号的实时监测装置，它包括 环形测力装置4，所述的环形测力装置4包括中间开有孔的本体，所述的环形测力 装置4通过中间开孔套装在电主轴体1上并且夹紧固定在电主轴法兰6及设备的固 定法兰3之间，夹紧固定可以采用穿过环形测力装置4、电主轴法兰6及设备的固 定法兰3的螺栓固定,在所述的本体上在同一圆周方向相互间隔90度开有四个力传 感器放置孔5，在每一个力传感器放置孔5中固定有一个三向力传感器2，在所述 力传感器放置孔外侧开有用于三向力传感器2的信号线穿过的槽7，所述的力三向 传感器2的信号线依次与前置放大器、数据采集卡以及计算机相连。

所述的三向力传感器2在市场有售，如：可以采用NOS的C901三轴力传感器。

本发明一种用于加工过程中切削力信号的实时监测方法，它包括以下步骤：

步骤一、信号的采集：首先，三向力传感器将监测到的加工过程中的切削力信 号转变为电压量的模拟信号，电压量的模拟信号然后经过前置放大器对信号放大处 理后，再通过数据采集卡将模拟信号转换成数字信号输出给计算机；

步骤二、信号的处理：经过信号采集输入到计算机的各通道原始力信号为单一 传感器不同方向的分力信号，首先将计算机采集的四个三向力传感器输出的在X、 Y、Z方向的力信号分别在X、Y、Z方向上叠加，得到在X、Y、Z方向上的三向切 削力，具体可以通过以下公式计算得到三向切削力，坐标系X、Y、Z方向以环形测 力装置建立，X、Y分别沿着环形测力装置径向相互垂直，Z方向沿着环形测力装置 的轴向，具体见参考图3。

Fx＝Fx1-Fy2-Fx3+Fy4

Fy＝Fy1+Fx2-Fy3-Fx4

Fz＝Fz1+Fz2+Fz3+Fz4

上式中Fx、Fy、Fz分别代表测力环装置的X、Y、Z方向分力；Fxi、Fyi、Fzi (i＝1,2,3,4)分别代表力传感器自身测得的X、Y、Z方向分力。

然后将通过计算得到的三向切削力信号采用低通滤波器对信号数据进行滤波 处理，对经滤波后的三向切削力信号通过信号采集模块实时监测，同时将采集到的 力信号以文本的格式保存下来，从而用于进一步的处理和分析；信号采集软件可以 采用模块化设计，通过添加采集模块，可以实现振动加速度、振动位移等电压量信 号的同步采集；

步骤三、信号的分析：首先，采用经验模态分解(EMD)将信号采集模块采集 的力信号数据自适应分解成一组本征模函数(IMF)；然后，对处理后的力信号数据 进行特征提取，选取时域以及频域的特征；最后，将选取的力信号特征实时显示， 实现加工过程中切削力状态的监测。

本实施例中用于加工中切削力信号的实时监测装置将力传感器均匀分布固定在 环形测力装置中，并将设计的环形测力装置以垫片形式嵌入到电主轴法兰与设备法 兰之间，避免了传感器安装过程中出现的问题；本实施例中环形测力装置由于是嵌 入式的结构，所以结构简单，使用方便可靠，实用性与通用性强。

最后说明的是，尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于 上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本 领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作 出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。