應(yīng)變計刀具測量頭的數(shù)控車床1應(yīng)變計刀具測量頭的數(shù)控車床關(guān)鍵詞：刀具探針、應(yīng)變式傳感器、刀具磨損的測量、直接測量刀具磨損摘要： 在數(shù)控機床中刀具探測器是非常重要的。在現(xiàn)代工業(yè)中探測器的應(yīng)用及缺 點。按照常規(guī)的想法，刀具探測器充滿張力，測量儀橋梁刀具邊緣接受簡單指示，在切削刃的四個方向： + X，一 X， + Z 和 - Z 定向刀具磨損的直接測量中全部使用應(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)時間的目標(biāo)促進了現(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)機床正在逐步被生產(chǎn)廠中的現(xiàn)代化生產(chǎn)系統(tǒng)，機械加工的組成部分，數(shù)控機床所取代。主要的新的數(shù)控機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)來知道刀具是如何定位刀具機床上的。使用傳統(tǒng)的技術(shù)，刀具設(shè)置既耗費時間，又容易發(fā)生人為錯誤。觸摸探測系統(tǒng)是一種檢測設(shè)備，它允許機床在其工作區(qū)進行幾何測量，但除了刀尖坐標(biāo)識別，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。切削刃磨損從第一次接觸的時候工作材料。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始的時候。刀具的磨損可能是逐步的情況下，如果發(fā)生在機械，化學(xué)或溫度活動過程中，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)我們施加屈服點以上的壓力時，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，刀尖路徑被一個假想的坐標(biāo)系統(tǒng)描述出來，而不知道如何把這些刀具定位到機床中。糾正坐標(biāo)是指通過刀具探針得到的刀尖位置，然后進入存儲在機器控制單元的所有刀具的工具表中。機床控制器就可以通過讀取工具表中的數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)刀具邊緣點路徑。應(yīng)變計刀具測量頭的數(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|及探針筆會使接觸傳感器打開，讀自機床測量系統(tǒng)的鞍架定位坐標(biāo)值，會自動進入反映測量刀具數(shù)目的控制單元登記，然后鞍架運動停止。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)計的RP3 探測系統(tǒng)（圖 2）設(shè)計的雷尼紹[2,3] 。 圖 2 雷尼紹 RP3 探針[ 3 ] 應(yīng)變計刀具測量頭的數(shù)控車床3工件和探針之間的接觸是由電氣開關(guān)控制的，它強烈確定了探測的重要性和準(zhǔn)確性。原來的觸摸式觸發(fā)探頭也被稱為“運動電阻探針” （圖 3） ，工作時有一套共三個圓柱形套筒相連在探針上。每個擁有兩個分開的電動聯(lián)系，使有六個自由度的筆共有六個方向的約束。一個封閉的電圈把他們聯(lián)系起來，這時探針位于他們的中間位置。當(dāng)探針接觸到刀尖就會增加一點遠(yuǎn)處的約束，而原來的約束受到的壓力會降低，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)系會以信號的形式傳出。 圖 3 觸摸觸發(fā)探測器[ 4 ]3.工業(yè)刀具監(jiān)控系統(tǒng) KSO 檢測必須非常快，然后我們必須在過程變化中提供必要的調(diào)整，這意味著調(diào)整過程的自動化需要自動檢測和適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)以免發(fā)生 KSO。這種檢測的方法和范圍依靠過程的類型。自然磨損是難以測量的，但我們并不需要監(jiān)測系統(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)測系統(tǒng)（圖 4） ，我們可以測量： 1、切削力 2.有效的功率 3、扭矩 4、聲發(fā)射 5、差壓 應(yīng)變計刀具測量頭的數(shù)控車床4-冷卻潤滑劑遠(yuǎn)程測量-利用激光，空氣或冷卻潤滑劑噴射界限 圖 4 刀具監(jiān)測系統(tǒng)（三代）[ 5 ]我們來看生產(chǎn)過程刀具檢測和后處理刀具監(jiān)測兩種類型。后處理刀具監(jiān)測后處理工具監(jiān)測等于使用測隙規(guī)，遮光板或類似設(shè)備進行切削生產(chǎn)過程前或后的切削刃幾何測量。優(yōu)點： (1) 有時高精度破損檢測 (2) 通常情況下更容易使用 缺點： (1) 測量會延長生產(chǎn)時間 (2) 機床只有刀具破損后才停止，否則可能會對工件，機床或刀柄產(chǎn)生損壞(3) 并非所有的測試方法都不產(chǎn)生磨損生產(chǎn)過程刀具檢測在整個金屬切削過程中，有效功率，切削力或聲波的間接控制。優(yōu)點： (1) 測量不延長生產(chǎn)時間 應(yīng)變計刀具測量頭的數(shù)控車床5(2) 在刀具破損時機器立即停止 (3) 在靠近刀具時不需要額外的必須裝置（如控制開關(guān)） (4) 不需要傳感器。缺點：(1) 不能提供 100 ％的保證檢測所有的刀具破損 (2) 有時只有當(dāng)下一個工件被切削時才能檢測到破損，例如在控制有效功率切削螺紋時，破損發(fā)生在旋轉(zhuǎn)方向逆轉(zhuǎn)時。 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量。這些方法主要是時刻檢測刀具的破損或測量物理過程參數(shù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)來計算自然刀具磨損。 數(shù)學(xué)描述必須包括許多過程變量（如熱膨脹） ，因此基于數(shù)學(xué)模型的方法可能有許多錯誤，甚至在自我數(shù)學(xué)模型中也是只是逼近真實過程。4.波蘭華沙大學(xué)設(shè)計的用于直接刀具測量和刀具設(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圓桿，有著碰撞保護裝置的尖筆和圓桿連在一起。在圓桿的長度方向的一部分上有兩個平行的平面，它們相對于數(shù)控車床的 X 軸和 Z 軸面向下 45 度 （圖 5） 。 應(yīng)變計刀具測量頭的數(shù)控車床6圖 5 原件測量的概念[ 7 ] 把四個應(yīng)變片貼在這些平面（其中兩個安置在一個面，而其它的兩個在相反的面上） ，應(yīng)變片連接在一個有全部壓力表的全橋上。這種新型設(shè)計使刀尖坐標(biāo)確定在刀具的四個運動方向（數(shù)控車床主軸的-X,+X,-Z,+Z 方向） ，并只使用一個全橋傳感器成為可能。但刀尖觸碰到探針筆并向前移動時，這會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以下。將從應(yīng)變片的模擬電信號獲得的實際值不斷地與已定義的信號水平相比較。當(dāng)信號相同時，就發(fā)送一個信號給數(shù)控機床控制器來從直尺上讀取鞍架的定位坐標(biāo)。比較產(chǎn)生這一信號的重復(fù)性決定了探針的精度?？山邮艿闹貜?fù)性接近 1微米。B:用于測量刀具磨損的探針 下面探針設(shè)計的目的是為了校準(zhǔn)時刀具坐標(biāo)的識別和刀具磨損的評價（圖7） 。最新的概念提供了一種在同一時間測量刀尖自然磨損的可能來作為刀具坐標(biāo)的識別。重要的是探針的所有測量部分直接相會在扦插板上。這樣利于消除錯誤，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)變計刀具測量頭的數(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。圖 7 刀具探針測量刀具的磨損應(yīng)變計刀具測量頭的數(shù)控車床8圖 8 探索建設(shè)新鑲嵌件的測量是用來作為一個參考。再加工后測量所獲得值是參考值與目前切削刃磨損計算量（柯）的差值（圖 9） 。圖 9 柯計算當(dāng)?shù)毒咭苿硬⒔佑|到安裝在圓桿上的板并使桿彎曲，從安裝到圓桿上的應(yīng)變儀得到的信號達(dá)到規(guī)定水平時，就會給機床控制單元傳送一個數(shù)字信號來確應(yīng)變計刀具測量頭的數(shù)控車床9定刀尖坐標(biāo)。我們連續(xù)不斷地從應(yīng)變儀獲得模擬信號并計算它們來得到板的偏差值。當(dāng)?shù)毒呦蚯耙苿拥兜都獾姆瞧茡p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)定水平信號時，就會給控制單元發(fā)送一個數(shù)字信號來記憶從安裝在圓桿上的應(yīng)變儀上獲取的實際模擬值。這個值（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） -稱重模塊作為一個傳感器。 我們可以用兩個全橋應(yīng)變儀連接他們并向機床控制單元發(fā)送信號。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 這個探測器與一個標(biāo)準(zhǔn)的刀具探針相比，將是一個替代的解決方案。應(yīng)變儀從來沒有被用來作為一個刀具探針的主要部分。第一次測試結(jié)果表明，該探針與應(yīng)變傳感器在原來測量概念的基礎(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)探測基礎(chǔ)。 1997 年 2 .Renishaw. ： RP1 和 RP2 工具設(shè)置探討-數(shù)據(jù)表 應(yīng)變計刀具測量頭的數(shù)控車床103 . 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