為提高機(jī)械加工的精度，對精密加工系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行綜合的監(jiān)測是技術(shù)發(fā)展的趨勢。精密加工系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)是近年來國內(nèi)外發(fā)展較快的一門新興學(xué)科，它包括對機(jī)械狀態(tài)量(力、位移、振動(dòng)、溫度、壓力、和流量等)的監(jiān)測，狀態(tài)特征參數(shù)變化的辨識，機(jī)械產(chǎn)生振動(dòng)和損傷時(shí)的原因分析、振源判斷、故障預(yù)防等等。通過對精密數(shù)控車床精密加工過程中設(shè)備狀態(tài)(刀具三向切削力、振動(dòng)、刀具溫度、主軸軸向位移)和旋轉(zhuǎn)工件部分參數(shù)(工件表面溫度)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，其實(shí)質(zhì)是了解和掌握加工系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的狀態(tài)，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行和加工過程，在出現(xiàn)異常時(shí)，可提供分析的數(shù)據(jù)。 J tYnBg?[E  
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本系統(tǒng)的目的是通過對精密加工系統(tǒng)中一些影響精密加工的因素的監(jiān)測，了解加工系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并為提高加工精度、深化對精密加工過程的認(rèn)識而提供分析依據(jù)。 x8zUGvtQ  
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在精密加工中，車床的振動(dòng)，主軸的位移、刀具溫度、刀具切削力、工件溫度對工件的加工精度影響較大，故本裝置主要監(jiān)測以上5個(gè)參數(shù)。圖1是系統(tǒng)原理圖。所監(jiān)測的非電參數(shù)信息通過不同的傳感器被檢測，然后經(jīng)信號的轉(zhuǎn)換和放大后送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)在線顯示。當(dāng)前對刀具的溫度檢測和旋轉(zhuǎn)工件的溫度場的檢測并不十分理想，本系統(tǒng)對其進(jìn)行一些探討。另外，該系統(tǒng)采用一種新型的刀具三向切削力檢測裝置。 n!3_%K0!r&  
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1 系統(tǒng)構(gòu)成

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圖1 精密加工系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測原理圖

2 監(jiān)測參數(shù)及原理 G.T}^xHmL  
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1) 刀具溫度 ,VJ0J!@  
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對刀具溫度監(jiān)測的目的是了解刀具溫度與切削參數(shù)的關(guān)系。在切削過程中，刀尖淘度很高，較常用的刀具測溫方法是在刀具中埋入熱電偶的熱電偶法，但該方法由于熱電偶的埋入較困難，而且其精度受刀具材料、溫度和時(shí)間的影響較大。本裝置采于紅外探頭來監(jiān)測刀尖溫度，如圖2，在夾持刀具的刀架上引出一縱向支架，其上固定放置紅外探頭，使得探頭與刀具相對位置不變而同時(shí)移動(dòng)。由于紅外測溫儀測量的溫度是其視場的平均溫度．根據(jù)紅外探頭的光學(xué)焦距圖，選擇適當(dāng)測量的距離，可以測量其刀尖的溫度。使用該裝置能夠在線監(jiān)測切削過程中刀尖的溫度變化。

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圖2 刀具溫度測量圖

2) 旋轉(zhuǎn)工件的溫度 ~poy`h'  
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一般來說．固體的線性膨脹系數(shù)為10^-6～10^-8/K的數(shù)量級：因此機(jī)械加工過程中的溫度變化會帶來工件大的機(jī)械變形。旋轉(zhuǎn)工件的溫度采用紅外測溫儀測量。紅外測溫儀測量的溫度是平均溫度，如果檢測區(qū)域的比較小，可以認(rèn)為是測量點(diǎn)所在截面的溫度。 @uT\.W:Q2  
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在本裝置中采用快速移動(dòng)傳感器的方法對其工件進(jìn)行勻速掃描來實(shí)現(xiàn)溫度場的監(jiān)測。如圖3所示：將傳感頭安裝車床的第二刀架上，測量時(shí)，紅外傳感頭隨刀架勻速移動(dòng)，其工件溫度信號經(jīng)運(yùn)放后送入數(shù)據(jù)采集卡中。要獲得工件的溫度場，必須利用軟件來處理所采集到的溫度信號，根據(jù)工件的長度、刀架移動(dòng)的速度，得出在一個(gè)掃描周期內(nèi)溫度的變化．建立一個(gè)坐標(biāo)，將工件長度與溫度變化對應(yīng)起來，得出不同時(shí)刻掃描的溫度曲線。由于工件溫度變化不是很大，調(diào)整刀架移動(dòng)速度，縮短周期時(shí)間，這樣可以近似認(rèn)為工件不同處的溫度具有同一個(gè)時(shí)基，這樣就可以得到某一時(shí)刻(我們以開始掃描的時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn))工件的溫度分布曲線；每隔5 秒對車削工件進(jìn)行一次再掃描就可以得到不同時(shí)刻的溫度曲線，這樣就得到了以5 秒時(shí)間間隙的工件各個(gè)位置的溫度，用計(jì)算機(jī)處理繪出該工件的溫度場。本方法測得的溫度場是二維的。

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圖3 溫度場在線監(jiān)測系統(tǒng)框圖

3) 主軸的軸向位移 U.?,vw'aai  
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主軸軸向位移里利用渦流傳感器進(jìn)行非接觸檢測。渦流檢測是以電磁慈應(yīng)原理為基礎(chǔ)的，其檢測響應(yīng)快。由于精密車床的主軸精度本身就比較高，故在選用渦流傳感器時(shí)應(yīng)選適當(dāng)?shù)牧砍�。設(shè)計(jì)探頭安裝支架，將探頭安裝于支架上，而后將支架固定在主軸端面前方，在安裝時(shí)．盡量讓探頭接近主軸端面，其距離大于主軸的最大位移。這樣使測量精度更高。隨著主軸位移重的變化，探頭和前置器組成的測量系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的電量變化，將其變化輸出送入采集器，用軟件系統(tǒng)讀出主軸位移量。 [",W TZ:  
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4) 加工系統(tǒng)振動(dòng) )ZNH/9e/  
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振動(dòng)使刀具和工件之間產(chǎn)生相對的位移和其它影響加工精度的效應(yīng)，精密加工中應(yīng)盡量減小振動(dòng)．本系統(tǒng)中機(jī)床的振動(dòng)利用壓電傳感器進(jìn)行測量。精密機(jī)床的振動(dòng)并不是很大，采用1g的加速度傳感器。為了測量機(jī)床上某點(diǎn)的三向振動(dòng)，如圖4將方形磁座吸附在機(jī)床上．然后把三個(gè)小圓磁座吸附在方形磁座三個(gè)方向上，壓電傳感器固定在磁座上，該位置的振動(dòng)信息經(jīng))長電傳感器轉(zhuǎn)換后接入電荷放大器，最后送入數(shù)據(jù)采集器。

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圖4 磁座布置圖

5) 刀具切削力 cq@8!Eu w]  
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切削力的實(shí)時(shí)檢測有利于優(yōu)化切削參數(shù)，為精密加工提供依據(jù)。采用壓電石英力傳感器來測量刀具三個(gè)方向的切削力。其原理是通過傳感器受力獲得信號，送入電荷放大器，經(jīng)放大后送入數(shù)據(jù)采集卡，由軟件系統(tǒng)讀出數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示受力曲線和力值，刀具切削力的檢測其關(guān)鍵足設(shè)計(jì)特殊的測力儀刀體，如圖5是測力刀體結(jié)構(gòu)圖，使用時(shí)用材料試驗(yàn)機(jī)將半環(huán)長槽拉開后，將壓電傳感器放進(jìn)中．定位后慢慢去掉外力使傳感器夾緊。給以一定的預(yù)緊力后平圓長槽兩側(cè)面用蓋板采用電子束焊封裝，尾部引線孔用室溫固化硅橡膠密封。

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圖5 測力刀體結(jié)構(gòu)圖

3 數(shù)據(jù)采集 KQQR"[z&V  
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1) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需求 >RF[0s'-  
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a. 本系統(tǒng)是對加工系統(tǒng)的在線監(jiān)測，故其監(jiān)測時(shí)間長。 "E8-76n  
b. 監(jiān)測參數(shù)多，但各參數(shù)對采集率的要求并不一樣。 (j}"1  
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振動(dòng)與主軸位移的數(shù)據(jù)采集率相對于刀具和工件溫度及切削力要高，但它們最好在同一個(gè)時(shí)基下進(jìn)行采集，這徉才能保證分析數(shù)據(jù)時(shí)的同步性。 LuR.;