專利名稱：微小型機械加工切削力實時無線檢測及控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種微小型機械加工切削力實時無線檢測及控制系統(tǒng)，特別是用于精密微細復雜結構件高精度加工過程中的切削力實時檢測和控制，屬于精密機械制造技術領域。
背景技術：
隨著航空、航天、軍事、醫(yī)療等行業(yè)的發(fā)展，對精密微細復雜結構件的需求日益增長，車銑復合加工以其獨有的優(yōu)勢特別適用于該類結構件的加工。在高速車銑復合加工過程中，對切削力進行實時監(jiān)測和控制對提高零件的加工精度、表面質量等有重要作用。目前并沒有可應用于高速車銑復合加工的毫牛級切削力檢測和控制的系統(tǒng)及相關裝置，現(xiàn)有的切削力檢測方法也大多處于實驗研究階段，應用局限性很大，通常僅適用于車、銑、鉆等單一加工方式中，如在車削加工中，通常將應變片貼在車刀上；在鉆、銑加工·中，通常將測力裝置放置于工件下方，通過線纜將所測得力信號傳輸出來進行處理。對于上述車削加工中切削力的測量，由于通常車刀的剛度遠遠大于工件的剛度，要使刀具產生形變就需要較大的切削力，而這樣就會導致傳感器的靈敏度太低。同理，對于銑削或鉆削中切削力的測量，由于工件裝夾裝置本身的重量就較大，也需要大量程的傳感器，測力精度也會受影響。另外，在車銑復合加工中，車削主軸和銑削主軸是共同運動的，因此以上所述方法都無法應用于車銑復合加工中切削力的檢測，主要原因是傳感器固定安裝后引起的線纜纏繞問題。同時，在精密微細復雜結構件加工過程中的切削力是比較小的，一般的傳感器無法實現(xiàn)此過程中切削力的高精度測量，要使用高精度的傳感器，其安裝位置就需要重新考慮。另外，要實現(xiàn)切削力的實時控制，還需要對影響切削力的相關因素，如切削速度、切削深度、進給速度等進行實時控制。因此，有必要研制一種微小型機械加工切削力實時無線檢測及控制系統(tǒng)來滿足精密微細復雜結構件的加工需求。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種微小型機械加工切削力實時無線檢測及控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)適用于測量0. Imm^lOmm尺度范圍內微小型零件粗精加工過程中的毫牛級切削力的實時高精度檢測和控制。該檢測及控制系統(tǒng)包括力傳感器、轉接盤a、轉接盤b、信號處理模塊a、無線發(fā)送模塊、無線接收模塊、信號處理模塊b、控制器和微動平臺；其中力傳感器為環(huán)形結構；轉接盤b為圓柱形空腔結構，且轉接盤b的兩端設置有端蓋；安裝關系轉接盤b—端的端蓋與車削主軸的端面固連，轉接盤b另一端的端蓋與力傳感器的一個端面固連，力傳感器的另一個端面通過轉接盤a與夾持工件的三爪卡盤端面固連，且力傳感器、轉接盤及三爪卡盤與車削主軸同軸安裝，在轉接盤b內部的空腔內設置無線發(fā)送模塊，信號處理模塊a與無線發(fā)送模塊集成在一起，且力傳感器的線纜從其中心孔穿過轉接盤b的端蓋與信號處理模塊a連接，微動平臺安裝在機床Y向溜板箱上，銑削主軸安裝在微動平臺上，控制器設置在車銑主軸之外并與微動平臺通過線纜連接，無線接收模塊和信號處理模塊b集成在一起并設置在車銑主軸之外并與控制器通過線纜連接；各模塊功能如下力傳感器采集工件受到的切削力，并將力信號轉換成電信號輸出給信號處理模塊a ;信號處理模塊a將接收到的電信號轉換成數(shù)字信號并輸出給無線發(fā)送模塊；無線發(fā)送模塊將接收到的數(shù)字信號輸出給無線接收模塊；無線接收模塊將接收到的數(shù)字信號輸出給信號處理模塊b ;信號處理模塊b將接收到的數(shù)字信號轉換成電信號并輸出給控制器；控制器將接收到的電信號轉化為切削力的大小并與標準切削力進行比較，進而生成控制指令輸出給微動平臺，微動平臺根據(jù)控制指令調整銑削主軸在三個軸向的微位移，進而控制銑刀實現(xiàn)微位移調整。所述的力傳感器采用六維力傳感器,實現(xiàn)對x、y、z三個軸向切削力及繞x、y、z的三個軸向扭矩的測量，其測力精度達4mN。有益效果(1)本發(fā)明通過力傳感器檢測切削力并通過無線模塊傳輸給控制器·實現(xiàn)對切削力的實時檢測和控制，從而提高精密微細復雜結構件的加工精度和表面質量，滿足實際生產加工的要求；(2)本發(fā)明的力傳感器采用六維力傳感器，，其測力精度可達1/256N (約4mN)，可滿足微小型切削中切削力高精度測量要求。


圖I為本發(fā)明高速車銑復合加工機床的示意圖。圖2為本發(fā)明切削力檢測及控制系統(tǒng)的原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。如附圖I及附圖2所示，本發(fā)明提供了一種微小型機械加工切削力實時無線檢測及控制系統(tǒng)，該檢測及控制系統(tǒng)包括六維力傳感器、轉接盤a、轉接盤b、信號處理模塊a、無線發(fā)送模塊、無線接收模塊、信號處理模塊b、控制器和微動平臺；其中六維力傳感器為環(huán)形結構；轉接盤b為圓柱形空腔結構，且轉接盤b的兩端設置有端蓋。安裝關系轉接盤b—端的端蓋與車削主軸的端面固連，轉接盤b另一端的端蓋與力傳感器的一個端面固連，力傳感器的另一個端面通過轉接盤a與夾持工件的三爪卡盤端面固連，且力傳感器、轉接盤及三爪卡盤與車削主軸同軸安裝，以保證傳感器與工件之間直接的剛性連接，這樣在切削時工件受到的切削力就可以直接由六維力傳感器進行測量，保證最高的測量準確性；六維力傳感器可以實現(xiàn)對x、y、z三個軸向切削力及繞x、y、z的三個軸向扭矩的測量，其測力精度可達1/256N (約4mN)，可滿足微小型切削中切削力高精度測量要求。信號處理模塊a與無線發(fā)送模塊集成在一起并設置在轉接盤b內部的空腔里，且力傳感器的線纜從其中心孔穿過轉接盤b的端蓋與信號處理模塊a連接，在加工時，隨工件和車削主軸一起轉動，避免了線纜纏繞問題。微動平臺安裝在機床Y向溜板箱上，銑削主軸安裝在微動平臺上，控制器設置在車銑主軸之外并與微動平臺通過線纜連接，無線接收模塊和信號處理模塊b集成在一起并設置在車銑主軸之外并與控制器通過線纜連接。
各模塊實現(xiàn)功能如下在切削過程中，工件受到的切削力由與之連接的三爪卡盤和轉接盤a傳遞給六維力傳感器。六維力傳感器將該力信號轉化為模擬電壓信號并輸出給信號處理模塊a ;信號處理模塊a將接收到的電信號轉換成數(shù)字信號并輸出給無線發(fā)送模塊；無線發(fā)送模塊將接收到的數(shù)字信號輸出給無線接收模塊；無線接收模塊將接收到的數(shù)字信號輸出給信號處理模塊b ;信號處理模塊b將接收到的數(shù)字信號轉換成電壓信號并輸出給控制器；控制器將接收到的電信號轉化為切削力的大小并與標準切削力進行比較，進而生成控制指令輸出給微動平臺，微動平臺根據(jù)控制指令調整纟先削主軸在x、y、z三個軸向進行U m級甚至nm級的微位移，進而控制銑刀實現(xiàn)微位移調整，實現(xiàn)對切削參數(shù)的實時調整，從而實現(xiàn)對切削力的實時控制。本實施例中，當控制器運算所得的實時切削力大于標準切削力時，控制器根據(jù)兩者的偏差生成控制指令輸出給微動平臺，控制銑削主軸在切削深度和切削進給的反方向做U m級甚至nm級微小調整，減小切削深度和進給速度，從而使切削力降低到標準值；反之亦然?！ぴ撓到y(tǒng)主要應用于微小型車銑復合機械加工中切削力實時無線檢測和控制，也適用于普通機械加工(如車、銑、鉆、磨等)過程中切削力的檢測和控制，只需根據(jù)切削力的大小更換合適量程的傳感器即可。本發(fā)明主要針對采用非開放的數(shù)控系統(tǒng)的機床來說，對于使用開放數(shù)控系統(tǒng)的機床，其不需要借助于微動平臺，可以通過在數(shù)控系統(tǒng)直接對車銑主軸的各個切削參數(shù)進行實時控制，從而實現(xiàn)對切削力的實時控制。綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
權利要求
1.微小型機械加工切削力實時無線檢測及控制系統(tǒng)，其特征在于，該檢測及控制系統(tǒng)包括力傳感器、轉接盤a、轉接盤b、信號處理模塊a、無線發(fā)送模塊、無線接收模塊、信號處理模塊b、控制器和微動平臺；其中力傳感器為環(huán)形結構；轉接盤b為圓柱形空腔結構，且轉接盤b的兩端設置有端蓋； 安裝關系轉接盤b—端的端蓋與車削主軸的端面固連，轉接盤b另一端的端蓋與力傳感器的一個端面固連，力傳感器的另一個端面通過轉接盤a與夾持工件的三爪卡盤端面固連，且力傳感器、轉接盤及三爪卡盤與車削主軸同軸安裝，在轉接盤b內部的空腔內設置無線發(fā)送模塊，信號處理模塊a與無線發(fā)送模塊集成在一起，且力傳感器的線纜從其中心孔穿過轉接盤b的端蓋與信號處理模塊a連接，微動平臺安裝在機床Y向溜板箱上，銑削主軸安裝在微動平臺上，控制器設置在車銑主軸之外并與微動平臺通過線纜連接，無線接收模塊和信號處理模塊b集成在一起并設置在車銑主軸之外并與控制器通過線纜連接； 各模塊功能如下力傳感器采集工件受到的切削力，并將力信號轉換成電信號輸出給信號處理模塊a ;信號處理模塊a將接收到的電信號轉換成數(shù)字信號并輸出給無線發(fā)送模塊；無線發(fā)送模塊將接收到的數(shù)字信號輸出給無線接收模塊；無線接收模塊將接收到的數(shù)字信號輸出給信號處理模塊b ;信號處理模塊b將接收到的數(shù)字信號轉換成電信號并輸出給控制器；控制器將接收到的電信號轉化為切削力的大小并與標準切削力進行比較，進而生成控制指令輸出給微動平臺，微動平臺根據(jù)控制指令調整銑削主軸在三個軸向的微位移，進而控制銑刀實現(xiàn)微位移調整。
2.如權利要求I所述的微小型機械加工切削力實時無線檢測及控制系統(tǒng)，其特征在于所述的力傳感器采用六維力傳感器，實現(xiàn)對x、y、z三個軸向切削力及繞x、y、z的三個軸向扭矩的測量，其測力精度達4mN。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種微小型機械加工切削力實時無線檢測及控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)力傳感器采集工件受到的mN級切削力，并將力信號轉換成電信號輸出給信號處理模塊a，并通過無線發(fā)送模塊和無線接收模塊輸出給信號處理模塊b，控制器將接收到的電信號轉化為切削力的大小并與標準切削力進行比較，進而生成控制指令輸出給微動平臺，微動平臺根據(jù)控制指令調整銑削主軸在x、y、z三個軸向的微位移，進而控制銑刀實現(xiàn)微位移調整，實現(xiàn)對切削參數(shù)的實時調整，從而實現(xiàn)對切削力的實時控制。本發(fā)明通過六維力傳感器檢測切削力，并通過無線模塊傳輸給控制器，進而控制各切削參數(shù)實現(xiàn)對切削力的實時檢測和控制，從而提高精密微細復雜結構件的加工精度和表面質量。
文檔編號B23Q17/09GK102785127SQ20121029257
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月16日 優(yōu)先權日2012年8月16日
發(fā)明者劉冰冰, 葉鑫, 張之敬, 趙曾武, 金鑫 申請人:北京理工大學