專利名稱：一種切削過程中微型刀具與工件接觸精確檢測的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種切削過程中微型刀具與工件接觸精確檢測的方法，屬于微細(xì)加工領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微細(xì)切削加工技術(shù)因具有多種材料適應(yīng)性、可加工復(fù)雜三維形狀和精確的幾何誤差控制等優(yōu)點而在微細(xì)加工技術(shù)中具有獨特的優(yōu)勢，但是微細(xì)切削所采用的刀具尺寸很小，一般是長度范圍在IOmm-1OOmm之間，直徑在0.0lmm-0.5mm之間，由于刀具直徑的減小，加工過程中微型刀具不易準(zhǔn)確定位，嚴(yán)重影響微細(xì)切削的加工精度，如何精確檢測微型刀具與工件的接觸、準(zhǔn)確定位微型刀具已經(jīng)成為微細(xì)切削技術(shù)無法普及于工業(yè)應(yīng)用的重大瓶頸之一。Kumar和Singh等人基于激光技術(shù)來檢測微型刀具-工件的接觸(A PreliminaryInvestigation of the Laser Assisted Micromilling Process),但是只倉泛達至Ij 50Mm 的精度，定位精度過低。Otieno和Pedapati等人采用機器視覺技術(shù)來檢測刀具-工件的接角蟲(Imaging and Wear Analysis of Micro-tools Using Machine Vision),但是這種技術(shù)需要極高倍率的相機，檢測成本過高。Sodemann和Mayor等人采用刀具-工件相接觸時產(chǎn)生的電信號來檢測二者的定位(Parametric Investigation of Precision in Tool -Workpiece Conductivity Touch-Off Method in Micromilling),但是這種方法只有在刀具和工件都是導(dǎo)電材料的情況下才能使用。而目前常用的接觸式刀具定位技術(shù)，其定位過程是先以一組LVDT傳感器接觸刀具的切削刃，使刀尖位置及刀刃形狀得到確認(rèn)，這種方式的定位精度取決于探針的分辨率，精度一般在1-1Oym之間，定位系統(tǒng)靈敏度低，容易因定位不準(zhǔn)確而使微型刀具破損或折斷。從上面的分析可以看出，目前已見諸文獻的切削過程中微型刀具與工件接觸的檢測方法，存在種種問題，所以急迫需要開發(fā)一種新型、實用、通用的微型刀具與工件接觸的檢測方法。

發(fā)明內(nèi)容
為解決微細(xì)切削加工中刀具-工件接觸難以精確檢測的難題，本發(fā)明目的在于一種切削過程中微型刀具與工件接觸精確檢測的方法。為了解決上述技術(shù)問題，實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
基于主軸振動信號功率譜特性的變化來檢測微型刀具與工件是否接觸，利用固定在主軸殼體上的加速度計檢測主軸的振動信號，用軟件對信號進行處理，確定對應(yīng)于最高微型刀具-工件檢測精度的主軸轉(zhuǎn)速，計算該轉(zhuǎn)速對應(yīng)頻率的功率譜，設(shè)置檢測閾值范圍，然后工件向刀具步進進給，實時檢測主軸轉(zhuǎn)動頻率峰值功率的大小，一旦檢測值落在預(yù)設(shè)的閾值范圍之外，就停止工件進給，檢測結(jié)束。該發(fā)明的檢測技術(shù)定位精度高，取代傳統(tǒng)刀具定位技術(shù)過于依賴人工、費時且無法在線檢測、適用性差等缺點，以保證微細(xì)切削的加工精度。
更進一步，所述測量方法采用單軸加速度計固定在主軸殼體上，檢測主軸的橫向振動信號；
更進一步，所述測量方法用數(shù)據(jù)處理軟件對加速度計的輸出信號進行方法和采樣，使用帶通濾波器對信號進行濾波，只保留主軸轉(zhuǎn)速范圍對應(yīng)的頻率信號；
更進一步，所述測量方法計算主軸轉(zhuǎn)速范圍頻率對應(yīng)的功率譜，確定對應(yīng)于最高微型刀具-工件檢測精度的主軸轉(zhuǎn)速；
更進一步，所述測量方法確定該轉(zhuǎn)速對應(yīng)功率譜的峰值功率，設(shè)置刀具-工件接觸檢測的閾值范圍；
更進一步，所述測量方法采用工件向刀具步進進給，實時檢測主軸轉(zhuǎn)速對應(yīng)頻率的峰值功率的大小，一旦檢測值落在預(yù)設(shè)的閾值范圍之外，就停止工件進給，檢測結(jié)束。本發(fā)明的主要優(yōu)點是:
1、檢測精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)亞微米級的檢測精度；
2、對各種刀具-工件材料的組合均適用，克服了傳統(tǒng)檢測方法對刀具-工件材料的硬度、導(dǎo)電性等性能的限制；
3、適用范圍廣，微細(xì)銑削、微細(xì)鉆削等切削加工均可采用此檢測方法；
4、可以在線檢測刀具-工件的接觸，更符合實際加工工況；
5、該測量方法成本低，設(shè)備簡單，實施方便，應(yīng)用前景廣闊；


下面結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明。圖1為主軸振動檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號名稱:1、加速度計；2、主軸；3、微型銑刀；4、工件；5、X、Y、Z工作臺;6、PC機。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明是一種切削過程中微型刀具與工件接觸精確檢測的方法，基于主軸振動信號功率譜特性的變化來檢測微型刀具與工件是否接觸。1.檢測試驗在自行研制的小型三坐標(biāo)微細(xì)銑削機床上進行，X、Y、Z軸均采用無刷無槽直線伺服電機平臺驅(qū)動，并集成RENISHAW公司分辨率為0.1 μ m的直線光柵編碼測量系統(tǒng)，可實現(xiàn)伺服電機閉環(huán)反饋控制；空氣靜壓電主軸的最高轉(zhuǎn)速為120，OOOrpm，加工中可獲得足夠的切削速度；工件材料為硬鋁，刀具為切削直徑0.1mm的硬質(zhì)合金二刃平頭立銑刀。2.單軸加速度計(KISTLER，頻帶為8kHz)固定在主軸殼體上，檢測主軸的橫向振
動信號。3.采用美國NI公司的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(NI 6233)對加速度計的輸出信號進行放大和采樣，使用巴特沃斯帶通濾波器對信號進行濾波，只保留主軸轉(zhuǎn)速范圍(0-120，000)對應(yīng)的頻率信號。4.計算主軸轉(zhuǎn)速范圍頻率對應(yīng)的功率譜，確定對應(yīng)于最高微型刀具-工件檢測精度的主軸轉(zhuǎn)速，也就是功率譜峰值最大的頻率，該實驗中是400Hz，對應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速為24000rpmo5.對400Hz處的功率譜作峰值功率測試，設(shè)置刀具_工件接觸檢測的閾值范圍為(600-700) (v2rms) XlO'6.采用工件向刀具步進進給，步長為0.2Mm，在進給過程中實時檢測主軸轉(zhuǎn)速對應(yīng)頻率的峰值功率的大小，當(dāng)實際檢測到峰值功率為512 (v2rms) X 10_6時，檢測值落在預(yù)設(shè)的閾值范圍之外，此時刀具接觸工件，停止工件進給，檢測結(jié)束。7.采用白光干涉儀對刀具進入工件的超調(diào)量進行檢測，測量值為0.達到了亞微米的檢測精度。
權(quán)利要求
1.一種切削過程中微型刀具與工件接觸精確檢測的方法，其特征在于:基于主軸振動信號功率譜特性的變化來檢測微型刀具與工件是否接觸，檢測主軸的振動信號，計算主軸轉(zhuǎn)速對應(yīng)頻率的功率譜，設(shè)置檢測閾值，工件向刀具進給，檢測峰值功率，依據(jù)該測量值判定刀具與工件是否接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種切削過程中微型刀具與工件接觸精確檢測的方法，其特征在于:單軸加速度計固定在主軸殼體上，檢測主軸的橫向振動信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種切削過程中微型刀具與工件接觸精確檢測的方法，其特征在于:用數(shù)據(jù)處理軟件對加速度計的輸出信號進行放大和采樣，使用帶通濾波器對信號進行濾波，只保留主軸轉(zhuǎn)速范圍對應(yīng)的頻率信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種切削過程中微型刀具與工件接觸精確檢測的方法，其特征在于:計算主軸轉(zhuǎn)速范圍頻率對應(yīng)的功率譜，確定對應(yīng)于最高微型刀具-工件檢測精度的主軸轉(zhuǎn)速。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種切削過程中微型刀具與工件接觸精確檢測的方法，其特征在于:確定該轉(zhuǎn)速對應(yīng)功率譜的峰值功率，設(shè)置刀具-工件接觸檢測的閾值范圍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種切削過程中微型刀具與工件接觸精確檢測的方法，其特征在于:工件向刀具步進進給，實時檢測主軸轉(zhuǎn)速對應(yīng)頻率的峰值功率的大小，一旦檢測值落在預(yù)設(shè)的閾值范圍之外，就停止工件進給，檢測結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種切削過程中微型刀具與工件接觸精確檢測的方法，屬于微細(xì)加工領(lǐng)域。其特征在于基于主軸振動信號功率譜特性的變化來檢測微型刀具與工件是否接觸，利用固定在主軸殼體上的加速度計檢測主軸的振動信號，用軟件對信號進行處理，確定對應(yīng)于最高微型刀具-工件檢測精度的主軸轉(zhuǎn)速，計算該轉(zhuǎn)速對應(yīng)頻率的功率譜，設(shè)置檢測閾值范圍，然后工件向刀具步進進給，實時檢測主軸轉(zhuǎn)動頻率峰值功率的大小，一旦檢測值落在預(yù)設(shè)的閾值范圍之外，就停止工件進給，檢測結(jié)束。本發(fā)明的檢測方法能夠?qū)崿F(xiàn)亞微米級的檢測精度，而且可以在線檢測刀具-工件的接觸，同時該檢測方法所需設(shè)備簡單，成本低，實施方便。
文檔編號B23Q17/22GK103143988SQ20131010878
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月31日
發(fā)明者曹自洋, 李華, 殷振, 薛曉紅, 郭麗華, 宋娜, 謝鷗, 汪幫富, 楊建鋒 申請人:蘇州科技學(xué)院