1 引言
对切削力进行测试和研究,可为汽车用新材料、新刀具和新工艺的开发与应用制定合理的加工规范;可为自动化生产中监控切削过程和刀具工作状态、提高产品的加工精度、节资降耗等奠定理论基础。传统的切削力测试方法是通过微应变、当量值换算来获得切削力数据,其测量结果的准确度、测试的自动化程度和效率都不能满足当今生产的需要。随着计算机辅助测试技术的不断发展,集切削力数据采集和处理为一体的、具有智能化功能、便于现场使用的切削力测试系统已成为必然的发展趋势。
2 切削力测试系统结构框图
切削力测试系统的结构框图见图1.
3 算法
切削力测量是一种典型的空间动态力测量。本系统采用的三向应变式测力仪是通过巧妙设计的受力弹性元件和在弹性元件上粘贴多个应变片,组成三个独立电桥,分别测量作用力的三个相互垂直的分量。
一个理想的三向测力系统,要求在互相垂直的三个方向中的任何一个方向受到力作用时,其余两方向上不应有输出,而实际上常常有微小输出,这种现象称为交叉干扰。本系统采用数理统计方法对标定数据进行回归分析,得出三向应变式测力仪的各向灵敏度和交叉干扰度,进而根据线性时不变系统符合叠加原理的性质推导出应变式测力系统的干扰方程,并采用分段线性化与线性插值方法组成切削力数据处理算法程序,减小了交叉干扰的影响。下面介绍算法原理。
3·1 测力仪各向灵敏度和交叉干扰度的获取
被测力的大小是与预先标定的结果作比较而确定的,标定是否精确直接影响测量结果的精确度。静态标定的目的是确定标定曲线、各方向灵敏度和交叉干扰度。为此采用螺旋机构来施加标准力,标准力的量值用ES—06标准测力计来度量。所测+X、-X方向数据见表1。
由测力仪各方向加载测得的5组电压数据可绘出5张交叉干扰曲线图,其中两张如图2所示。从图中可见X方向受力时, Y、Z方向受干扰的程度及+X方向和-X方向的曲线存在明显差别。
处理后即可得出反映应变式测力仪+X方向加载时, x、y、z输出通道的回归直线方程为
由方程可得测力仪+X方向的灵敏度和交叉干扰度,为建立干扰方程打下了基础。
3·2 由测力仪输出电压值推算对应的力值
按切削力测试系统结构框图连接测力仪等仪器后,在测力仪X方向加载,则x、y、z三个输出通道均有电信号输出,用公式可表示为
式(1)、(2)、(3)中,εXX为测力仪X方向灵敏度,εYX、εZX为测力仪X方向加载对Y方向和Z方向的交叉干扰度,UXX为测力仪x通道输出电压信号,FX为加载力值,以下相应符号可类推。
同理,在测力仪Y、Z方向加载时也各有相应的3个公式。结合测力仪现场工作情况,可推论出:在随机力作用下,测力仪x输出通道的输出电信号除了由X方向加载引起外,还包括Y方向和Z方向对其的干扰,即
可以看出,式(4)、(5)、(6)构成一组联立方程式,它表明在受力状态下所包含的各变量之间的相互作用情况。将测力仪任一瞬间x、y、z通道输出的电压值UX、UY、UZ代入该联立方程求解,即可得出测力仪各方向所受的力值。
3·3 由干扰方程求各标定点对应输出力值
将测力仪各方向加载所测得对应标定点的电压值UX、UY、UZ代入干扰方程,可得到4张不同方向组合各标定点对应输出力值表,其中1张如表2所示。
采用X、Y方向的不同组合是考虑了测力仪的参数分散性和分析实测数据后确定的。X、Y方向的组合是通过程序对各输出通道采样电压值进行判断自动确定的,组合方向确定后,程序可自动转入相应分支完成相应处理工作,无需人工干预。
3·4 分析输出力值表,分段消除剩余干扰
由计算出的4张力值表可作出12张不同方向组合、不同方向加载各标定点对应输出力值分布图,其中1张如图3所示。
从图中可见剩余干扰的分布情况,针对干扰在0~5kN测力范围内变量之间呈非线性关系的情况,采用分段线性化与线性插值算法消除剩余干扰。具体做法是:按照ES—06标准测力计检定证书所给的标定点把测力仪的干扰曲线分成7段,每个分段的干扰曲线用其端点连成的直线段来代替,就可以在分段范围内用直线方程来代替干扰曲线方程,从而简化计算。设各分段点的输入和输出值分别为
ki= (yi+1-yi) / (xi+1-xi)为第i段直线的斜率
由上述过程可看出,各区段的ki和pi都是按函数特性可预先求出的值,本系统通过软件自动求出所有标定点之间直线方程的系数ki、pi,作为已知常数存入数据文件中,供动态检测时修正用。
动态检测时由各通道采集到的电压值代入测力系统的干扰方程,经Cramer法则计算后,得出反映X、Y、Z三个方向所受力值。然后通过比较,找出三者中最大的力值,按最大力值检索其所属的区段,从k、p表中查得该区段的两个常数ki、pi,经计算修正后,即可确定出所测实际切削力。
3·5 算法程序介绍
算法程序充分考虑了应变式测力仪参数分散的特点,利用现场标定数据能迅速计算出被标定测力仪的各方向灵敏度、交叉干扰度及相应修正系数,可方便地用于现场测试。算法程序主要由三部分组成:
(1)标定参数计算程序 通过现场采集的标定数据自动计算系统所需各种参数,并存入相应数据文件中,供其他模块调用。
(2)标定结果检验程序 利用标定参数计算程序计算出的各种参数,检验标定结果是否正确,检查这些参数的置信度,看能否达到预期的目标。该程序还能计算各标定点动态消除交叉干扰前后各通道交叉干扰的百分数。
(3)动态检测程序 采用经标定结果检验程序检验过的参数对实时采集的数据进行修正处理,使其能真实反应出切削力的大小。
4 测试结果
4·1 标定曲线测试
算法程序在调试时对所有标定点的干扰都进行了修正检查,图4为+X、+Y方向组合, +X方向加载5kN测得的标定曲线。同时测得系统线性误差为0·82%、回程误差为0·88%、标准差为3·71N、漂移量为4h变化5·6N,交叉干扰系数小于3%,均已达到测力系统必须具备的性能指标。
4·2 切削力测试
用本算法进行了大量的切削试验,图5给出了一种铣削力测试曲线,图中显示出铣削力均作有规律的大幅度波动,波形变化趋势与理论推导的铣削力波形基本一致(工艺条件:主轴转速750r/min,切深1·73mm,每齿进给量0·098mm/z,硬质合金可转位中齿面铣刀,铣刀直径100mm,齿数5,铣削试件材料DFL-1铝合金)。
5 结束语
本算法改变了传统的通过微应变、当量值换算进行切削力测试的模式,为提高切削力测试的准确度和自动化程度打下了坚实的理论基础。历经铸态铝合金材料ZL106与DFL—1铣削力对比试验和非调质钢30MnVS、30Mn2SiV、40MnV与40Cr车削力对比试验考验证明,算法程序适应现场复杂环境,稳定可靠,准确实用。以该算法为基础的基于VC++的切削力测试系统能为科研单位、刃量具厂研究刀具磨损、加工精度、切削机理、设计和使用刀具、夹具、制定工艺规程提供定量分析的工具。
参考文献
1 付昌林,唐勇.应变式测力仪用于材料试验机力值检定的可行性分析.计量与测试技术, 2001 (2)
2 罗五四,王林.基于Windows98的铣削力数据处理软件的设计.工具技术, 2002 (8)
本文作者：罗五四
