應(yīng)變計(jì)刀具測(cè)量頭的數(shù)控車床1應(yīng)變計(jì)刀具測(cè)量頭的數(shù)控車床關(guān)鍵詞：刀具探針、應(yīng)變式傳感器、刀具磨損的測(cè)量、直接測(cè)量刀具磨損摘要： 在數(shù)控機(jī)床中刀具探測(cè)器是非常重要的。在現(xiàn)代工業(yè)中探測(cè)器的應(yīng)用及缺 點(diǎn)。按照常規(guī)的想法，刀具探測(cè)器充滿張力，測(cè)量?jī)x橋梁刀具邊緣接受簡(jiǎn)單指示，在切削刃的四個(gè)方向： + X，一 X， + Z 和 - Z 定向刀具磨損的直接測(cè)量中全部使用應(yīng)變橋。1.導(dǎo)言 各領(lǐng)域制造技術(shù)的快速發(fā)展，以降低成本，提高精度和縮短生產(chǎn)時(shí)間的目標(biāo)促進(jìn)了現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用。量綱參數(shù)是最常遇到的工件質(zhì)量特性 。常規(guī)機(jī)床正在逐步被生產(chǎn)廠中的現(xiàn)代化生產(chǎn)系統(tǒng)，機(jī)械加工的組成部分，數(shù)控機(jī)床所取代。主要的新的數(shù)控機(jī)床能操作幾種不同的刀具。為了增加數(shù)控車床加工部件的尺寸精度，我們必須使用刀具設(shè)置系統(tǒng)來(lái)知道刀具是如何定位刀具機(jī)床上的。使用傳統(tǒng)的技術(shù)，刀具設(shè)置既耗費(fèi)時(shí)間，又容易發(fā)生人為錯(cuò)誤。觸摸探測(cè)系統(tǒng)是一種檢測(cè)設(shè)備，它允許機(jī)床在其工作區(qū)進(jìn)行幾何測(cè)量，但除了刀尖坐標(biāo)識(shí)別，我們還必須得到關(guān)于刀具磨損的信息。該技術(shù)已被國(guó)家可持續(xù)技術(shù)研究所（IteE-PIB）資助研究多年。在制造系統(tǒng)所有組成部分中，切削刃磨損是最快的。如果達(dá)到磨損量，我們必須更換磨損刀具具急劇的那一個(gè)。切削刃磨損從第一次接觸的時(shí)候工作材料。我們必須將已磨損的刀具用一把鋒銳的刀具更換。切削刃磨損從第一次接觸的工作材料開(kāi)始的時(shí)候。刀具的磨損可能是逐步的情況下，如果發(fā)生在機(jī)械，化學(xué)或溫度活動(dòng)過(guò)程中，我們把他們稱作自然磨損。在某些情況下，刀具的磨損是突然的——當(dāng)我們施加屈服點(diǎn)以上的壓力時(shí)，我們稱這種情況為災(zāi)難性的刀具破損（KSO） 。2.工業(yè)刀具設(shè)置系統(tǒng)當(dāng)把一把新刀具夾緊在機(jī)床上或更換完舊的刀具后，我們必須得到有關(guān)切削刃方向的信息。在編寫這部分程序時(shí)，刀尖路徑被一個(gè)假想的坐標(biāo)系統(tǒng)描述出來(lái)，而不知道如何把這些刀具定位到機(jī)床中。糾正坐標(biāo)是指通過(guò)刀具探針得到的刀尖位置，然后進(jìn)入存儲(chǔ)在機(jī)器控制單元的所有刀具的工具表中。機(jī)床控制器就可以通過(guò)讀取工具表中的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)節(jié)刀具邊緣點(diǎn)路徑。應(yīng)變計(jì)刀具測(cè)量頭的數(shù)控車床2圖 1 使用標(biāo)準(zhǔn)觸摸觸發(fā)探針系統(tǒng)系統(tǒng)確定刀具 X 坐標(biāo)[ 1 ]當(dāng)?shù)都庥|及探針筆會(huì)使接觸傳感器打開(kāi)，讀自機(jī)床測(cè)量系統(tǒng)的鞍架定位坐標(biāo)值，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入反映測(cè)量刀具數(shù)目的控制單元登記，然后鞍架運(yùn)動(dòng)停止。這些探針只需要表明刀尖和探針筆之間的聯(lián)系。 標(biāo)準(zhǔn)的工具設(shè)置系統(tǒng)使用觸摸式觸發(fā)探頭,最知名是由 Renishaw 設(shè)計(jì)的RP3 探測(cè)系統(tǒng)（圖 2）設(shè)計(jì)的雷尼紹[2,3] 。 圖 2 雷尼紹 RP3 探針[ 3 ] 應(yīng)變計(jì)刀具測(cè)量頭的數(shù)控車床3工件和探針之間的接觸是由電氣開(kāi)關(guān)控制的，它強(qiáng)烈確定了探測(cè)的重要性和準(zhǔn)確性。原來(lái)的觸摸式觸發(fā)探頭也被稱為“運(yùn)動(dòng)電阻探針” （圖 3） ，工作時(shí)有一套共三個(gè)圓柱形套筒相連在探針上。每個(gè)擁有兩個(gè)分開(kāi)的電動(dòng)聯(lián)系，使有六個(gè)自由度的筆共有六個(gè)方向的約束。一個(gè)封閉的電圈把他們聯(lián)系起來(lái)，這時(shí)探針位于他們的中間位置。當(dāng)探針接觸到刀尖就會(huì)增加一點(diǎn)遠(yuǎn)處的約束，而原來(lái)的約束受到的壓力會(huì)降低，這樣就改變了電圈的電阻。當(dāng)超出一定的電阻值，探針與刀尖之間的聯(lián)系會(huì)以信號(hào)的形式傳出。 圖 3 觸摸觸發(fā)探測(cè)器[ 4 ]3.工業(yè)刀具監(jiān)控系統(tǒng) KSO 檢測(cè)必須非常快，然后我們必須在過(guò)程變化中提供必要的調(diào)整，這意味著調(diào)整過(guò)程的自動(dòng)化需要自動(dòng)檢測(cè)和適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)以免發(fā)生 KSO。這種檢測(cè)的方法和范圍依靠過(guò)程的類型。自然磨損是難以測(cè)量的，但我們并不需要監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的快速反應(yīng)，原因是刀具磨損量的不斷變化。 我們有許多工業(yè)類型的刀具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（圖 4） ，我們可以測(cè)量： 1、切削力 2.有效的功率 3、扭矩 4、聲發(fā)射 5、差壓 應(yīng)變計(jì)刀具測(cè)量頭的數(shù)控車床4-冷卻潤(rùn)滑劑遠(yuǎn)程測(cè)量-利用激光，空氣或冷卻潤(rùn)滑劑噴射界限 圖 4 刀具監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（三代）[ 5 ]我們來(lái)看生產(chǎn)過(guò)程刀具檢測(cè)和后處理刀具監(jiān)測(cè)兩種類型。后處理刀具監(jiān)測(cè)后處理工具監(jiān)測(cè)等于使用測(cè)隙規(guī)，遮光板或類似設(shè)備進(jìn)行切削生產(chǎn)過(guò)程前或后的切削刃幾何測(cè)量。優(yōu)點(diǎn)： (1) 有時(shí)高精度破損檢測(cè) (2) 通常情況下更容易使用 缺點(diǎn)： (1) 測(cè)量會(huì)延長(zhǎng)生產(chǎn)時(shí)間 (2) 機(jī)床只有刀具破損后才停止，否則可能會(huì)對(duì)工件，機(jī)床或刀柄產(chǎn)生損壞(3) 并非所有的測(cè)試方法都不產(chǎn)生磨損生產(chǎn)過(guò)程刀具檢測(cè)在整個(gè)金屬切削過(guò)程中，有效功率，切削力或聲波的間接控制。優(yōu)點(diǎn)： (1) 測(cè)量不延長(zhǎng)生產(chǎn)時(shí)間 應(yīng)變計(jì)刀具測(cè)量頭的數(shù)控車床5(2) 在刀具破損時(shí)機(jī)器立即停止 (3) 在靠近刀具時(shí)不需要額外的必須裝置（如控制開(kāi)關(guān)） (4) 不需要傳感器。缺點(diǎn)：(1) 不能提供 100 ％的保證檢測(cè)所有的刀具破損 (2) 有時(shí)只有當(dāng)下一個(gè)工件被切削時(shí)才能檢測(cè)到破損，例如在控制有效功率切削螺紋時(shí)，破損發(fā)生在旋轉(zhuǎn)方向逆轉(zhuǎn)時(shí)。 所有以上工業(yè)系統(tǒng)都不能提供直接的自然刀具磨損測(cè)量。這些方法主要是時(shí)刻檢測(cè)刀具的破損或測(cè)量物理過(guò)程參數(shù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算自然刀具磨損。 數(shù)學(xué)描述必須包括許多過(guò)程變量（如熱膨脹） ，因此基于數(shù)學(xué)模型的方法可能有許多錯(cuò)誤，甚至在自我數(shù)學(xué)模型中也是只是逼近真實(shí)過(guò)程。4.波蘭華沙大學(xué)設(shè)計(jì)的用于直接刀具測(cè)量和刀具設(shè)置的新型探針 ——應(yīng)變儀探針A:刀具設(shè)置的探針這是一個(gè)數(shù)控車床刀尖坐標(biāo)確定和刀具設(shè)置的新型探針。它的主要部分是有一個(gè)圓桿，有著碰撞保護(hù)裝置的尖筆和圓桿連在一起。在圓桿的長(zhǎng)度方向的一部分上有兩個(gè)平行的平面，它們相對(duì)于數(shù)控車床的 X 軸和 Z 軸面向下 45 度 （圖 5） 。 應(yīng)變計(jì)刀具測(cè)量頭的數(shù)控車床6圖 5 原件測(cè)量的概念[ 7 ] 把四個(gè)應(yīng)變片貼在這些平面（其中兩個(gè)安置在一個(gè)面，而其它的兩個(gè)在相反的面上） ，應(yīng)變片連接在一個(gè)有全部壓力表的全橋上。這種新型設(shè)計(jì)使刀尖坐標(biāo)確定在刀具的四個(gè)運(yùn)動(dòng)方向（數(shù)控車床主軸的-X,+X,-Z,+Z 方向） ，并只使用一個(gè)全橋傳感器成為可能。但刀尖觸碰到探針筆并向前移動(dòng)時(shí)，這會(huì)使圓桿的水平易彎曲部分變形。變形的最大值必須保持在材料性能的屈服點(diǎn)以下。將從應(yīng)變片的模擬電信號(hào)獲得的實(shí)際值不斷地與已定義的信號(hào)水平相比較。當(dāng)信號(hào)相同時(shí)，就發(fā)送一個(gè)信號(hào)給數(shù)控機(jī)床控制器來(lái)從直尺上讀取鞍架的定位坐標(biāo)。比較產(chǎn)生這一信號(hào)的重復(fù)性決定了探針的精度?？山邮艿闹貜?fù)性接近 1微米。B:用于測(cè)量刀具磨損的探針 下面探針設(shè)計(jì)的目的是為了校準(zhǔn)時(shí)刀具坐標(biāo)的識(shí)別和刀具磨損的評(píng)價(jià)（圖7） 。最新的概念提供了一種在同一時(shí)間測(cè)量刀尖自然磨損的可能來(lái)作為刀具坐標(biāo)的識(shí)別。重要的是探針的所有測(cè)量部分直接相會(huì)在扦插板上。這樣利于消除錯(cuò)誤，如作為和板材的不均勻熱膨脹。應(yīng)變儀安裝在柔軟的套筒的圓桿的平面應(yīng)變計(jì)刀具測(cè)量頭的數(shù)控車床7部分（圖 8） 。當(dāng)?shù)都獾钠茡p部分接觸到安裝在圓桿的第一塊板，然后刀尖的基礎(chǔ)部分（沒(méi)有破損的）接觸到安裝在套筒上的第二塊板，我們就能從全橋應(yīng)變儀上得到信號(hào)。圖 7 刀具探針測(cè)量刀具的磨損應(yīng)變計(jì)刀具測(cè)量頭的數(shù)控車床8圖 8 探索建設(shè)新鑲嵌件的測(cè)量是用來(lái)作為一個(gè)參考。再加工后測(cè)量所獲得值是參考值與目前切削刃磨損計(jì)算量（柯）的差值（圖 9） 。圖 9 柯計(jì)算當(dāng)?shù)毒咭苿?dòng)并接觸到安裝在圓桿上的板并使桿彎曲，從安裝到圓桿上的應(yīng)變儀得到的信號(hào)達(dá)到規(guī)定水平時(shí)，就會(huì)給機(jī)床控制單元傳送一個(gè)數(shù)字信號(hào)來(lái)確應(yīng)變計(jì)刀具測(cè)量頭的數(shù)控車床9定刀尖坐標(biāo)。我們連續(xù)不斷地從應(yīng)變儀獲得模擬信號(hào)并計(jì)算它們來(lái)得到板的偏差值。當(dāng)?shù)毒呦蚯耙苿?dòng)刀刀尖的非破損部分，接觸到安裝在套筒上的第二塊板并使其變形并達(dá)到規(guī)定水平信號(hào)時(shí)，就會(huì)給控制單元發(fā)送一個(gè)數(shù)字信號(hào)來(lái)記憶從安裝在圓桿上的應(yīng)變儀上獲取的實(shí)際模擬值。這個(gè)值（減去參考數(shù) 1）就是當(dāng)前的刀具磨損量（柯） 。我們將嘗試使用西門子 Siwarex u （圖 10） -稱重模塊作為一個(gè)傳感器。 我們可以用兩個(gè)全橋應(yīng)變儀連接他們并向機(jī)床控制單元發(fā)送信號(hào)。我們也相同波蘭公司 ZEPWN [ 8 ] 合作建立我們自己的控制單元。圖 10 西門子 Siwarex U -稱重模塊[ 9 ] 5 結(jié)論 這個(gè)探測(cè)器與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的刀具探針相比，將是一個(gè)替代的解決方案。應(yīng)變儀從來(lái)沒(méi)有被用來(lái)作為一個(gè)刀具探針的主要部分。第一次測(cè)試結(jié)果表明，該探針與應(yīng)變傳感器在原來(lái)測(cè)量概念的基礎(chǔ)上，適合于所有的數(shù)控車床刀尖坐標(biāo)定位和刀具磨損測(cè)量。我們將努力調(diào)整以滿足工業(yè)需求。參考資料1 .Coleman D., Waters F.：接觸觸發(fā)探測(cè)基礎(chǔ)。 1997 年 2 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