一種以激光微位移傳感器為測(cè)量元件的微銑削振動(dòng)精密測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于機(jī)床振動(dòng)在線測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種微銑削加工過程中刀具和工件間相對(duì)振動(dòng)情況精密測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng)包括激光微位移傳感器、傳感器支架、激光位移控制器、數(shù)據(jù)采集卡和具有PXI多功能控制器的計(jì)算機(jī)。具有傳感器支架安裝在微銑床工作臺(tái)上，激光微位移傳感器設(shè)置在與多自由度調(diào)節(jié)激光位移傳感器支架上；激光微位移傳感器在多自由度調(diào)節(jié)激光位移傳感器支架上的位置可以調(diào)節(jié)，可測(cè)量XYZ任一方向振動(dòng)情況。激光微位移傳感器和激光位移控制器相連，激光位移控制器和數(shù)據(jù)采集卡相連，數(shù)據(jù)采集卡安裝在計(jì)算機(jī)內(nèi)部。該測(cè)量系統(tǒng)解決了微銑削加工中刀具和工件間相對(duì)振動(dòng)測(cè)量的難題，測(cè)量精度高，設(shè)備移植性強(qiáng)，測(cè)量范圍廣，操作簡(jiǎn)單。
【專利說(shuō)明】一種以激光微位移傳感器為測(cè)量元件的微銑削振動(dòng)精密測(cè)量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)床振動(dòng)在線測(cè)量領(lǐng)域，特別涉及一種以激光微位移傳感器為測(cè)量元件的微銑削振動(dòng)精密測(cè)量系統(tǒng)。
技術(shù)背景
[0002]微銑削主要用于微型精密零部件的加工，所加工的零部件尺寸一般介于100 μ m到IOmm之間,特征尺寸一般為ΙΟμπι?1mm，所加工的零部件具有精度要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，零部件質(zhì)量和精度受微銑削加工過程的振動(dòng)現(xiàn)象影響明顯。微銑削加工所用微銑刀直徑通常在1_以下，剛度低、易磨損、易折斷，微銑削加工中的振動(dòng)現(xiàn)象會(huì)加速刀具磨損，嚴(yán)重時(shí)甚至造成刀具折斷，導(dǎo)致加工成本過高，制約微銑削加工技術(shù)的應(yīng)用。微銑削加工過程中機(jī)床、刀具及工件都存在振動(dòng)現(xiàn)象，其中刀具和工件之間的相對(duì)振動(dòng)直接影響加工質(zhì)量及刀具壽命。當(dāng)滿足一定條件時(shí)，穩(wěn)態(tài)的切削振動(dòng)甚至?xí)l(fā)展成切削顫振，從而引發(fā)整個(gè)微銑削系統(tǒng)的崩潰。因此，微銑削加工過程中的振動(dòng)抑制非常重要。而要抑制微銑削加工過程中的振動(dòng)，首先必須實(shí)現(xiàn)微銑削加工過程中刀具、工件相對(duì)振動(dòng)的在線精密測(cè)量。微銑削加工時(shí)刀具高速旋轉(zhuǎn)且伴隨進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)信號(hào)采集十分困難。目前尚沒有適用于微銑削加工過程刀具與工件相對(duì)振動(dòng)測(cè)量的方法和裝置。
[0003]李紅濤等人在文獻(xiàn)《介觀尺度微型銑床動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)》中利用安裝于工作臺(tái)工裝面上的三維加速度傳感器測(cè)量機(jī)床振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而研究微銑床的振動(dòng)特性，并通過增加阻尼、提高機(jī)床支撐部件剛度等方法來(lái)抑制振動(dòng)，并取得了一定成效。文獻(xiàn)未能獲得刀具和工件間相對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)，采用的加速度傳感器僅能獲取機(jī)床工作臺(tái)振動(dòng)情況，試驗(yàn)存在一定局限性。
[0004]Brock A.Mascardelli 等人在文獻(xiàn)《Substructure Coupling of Microend Millsto Aid in the Suppression of Chatter))中采用激光微位移傳感器測(cè)量微型統(tǒng)床振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中激光微位移傳感器固定在機(jī)床主軸上，激光測(cè)量點(diǎn)落在刀具的刀柄上，測(cè)得的是刀具和主軸之間的振動(dòng)情況，且實(shí)驗(yàn)中只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向上的振動(dòng)測(cè)量。
[0005]微銑削振動(dòng)精密測(cè)量是實(shí)現(xiàn)微銑削振動(dòng)抑制的前提和基礎(chǔ)，目前國(guó)內(nèi)外微銑削振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)只能測(cè)量機(jī)床的某個(gè)部件或結(jié)構(gòu)，不能較為準(zhǔn)確的測(cè)量刀具和工件間相對(duì)振動(dòng)，或者只能實(shí)現(xiàn)某一個(gè)固定方向上的測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)微銑削加工現(xiàn)有振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)不足，提供了一種以激光微位移傳感器為測(cè)量元件，配合具有多自由度調(diào)節(jié)能力的激光位移傳感器支架實(shí)現(xiàn)微銑削刀具和工件相對(duì)振動(dòng)測(cè)量。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0008]一種微銑削振動(dòng)精密測(cè)量系統(tǒng)，包括激光微位移傳感器、多自由度調(diào)節(jié)激光位移傳感器支架、激光位移控制器、數(shù)據(jù)采集卡和具有PXI多功能控制器的計(jì)算機(jī)。
[0009]具有多自由度調(diào)節(jié)激光位移傳感器支架安裝在微銑床工作臺(tái)上，激光微位移傳感器設(shè)置在與多自由度調(diào)節(jié)激光位移傳感器支架上；激光微位移傳感器在多自由度調(diào)節(jié)激光位移傳感器支架上的位置可以調(diào)節(jié)，可測(cè)量X、Y、Z任一方向振動(dòng)情況。激光微位移傳感器和激光位移控制器相連，激光位移控制器和數(shù)據(jù)采集卡相連，數(shù)據(jù)采集卡安裝在計(jì)算機(jī)內(nèi)部。
[0010]通過多自由度調(diào)節(jié)激光位移傳感器支架調(diào)節(jié)激光微位移傳感器位置使激光傳感器輸出的光斑落在電主軸夾具上，調(diào)節(jié)激光微位移傳感器與電主軸夾具在Z方向的距離，使激光微位移傳感器能準(zhǔn)確、穩(wěn)定輸出位移信號(hào)。激光微位移傳感器采集刀具和工件之間相對(duì)振動(dòng)信號(hào)，由激光微位移傳感器控制器轉(zhuǎn)為電信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為位移信號(hào)，通過繪制位移時(shí)域及頻域曲線，獲得振動(dòng)情況。
[0011]本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)以激光微位移傳感器為測(cè)量元件，配合具有多自由度調(diào)節(jié)能力的激光位移傳感器支架獲取微銑削刀具和工件間相對(duì)位移信號(hào)，位移信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并由計(jì)算機(jī)分析處理，得到刀具和工件間相對(duì)振動(dòng)情況，解決微銑削加工中刀具和工件間相對(duì)振動(dòng)測(cè)量的難題。本發(fā)明所述的微銑削振動(dòng)精密測(cè)量系統(tǒng)具有測(cè)量精度高，設(shè)備移植性強(qiáng)，測(cè)量范圍廣，操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是系統(tǒng)示意圖。
[0013]圖2是微銑削振動(dòng)頻域曲線。
[0014]圖中:I微銑床工作臺(tái)，2機(jī)床電主軸夾具，3刀具，4工件，
[0015]5激光微位移傳感器，6多自由度調(diào)節(jié)激光位移傳感器支架，
[0016]7激光位移控制器，8數(shù)據(jù)采集卡，9具有PXI多功能控制器的計(jì)算機(jī)，
[0017]10計(jì)算機(jī)顯示器。
【具體實(shí)施方式】
[0018]結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】:本實(shí)施例中激光微傳感器選用MTI INSTRUMENTS公司生產(chǎn)的Microtrak II LTC-025-02型激光微位移傳感器，激光波長(zhǎng)670nm，發(fā)射功率2-5mW，測(cè)量距離25mm，測(cè)量范圍± 1mm，分辨率±0.12 μ m，線性度
0.05%，響應(yīng)頻率20KHz。數(shù)據(jù)采集卡使用美國(guó)國(guó)家儀器公司PX1-4462型4通道高精度采集卡，具有4路同步采樣功能，采樣率204.8KS/s，最小電壓分辨率37.7nV。計(jì)算機(jī)采用PXI多功能控制器，具有10個(gè)插槽，PX1-4462數(shù)據(jù)采集卡可以直接插入PXI計(jì)算機(jī)內(nèi)，計(jì)算機(jī)配備17寸顯示器。測(cè)試步驟如下:
[0019](I)測(cè)量系統(tǒng)的安裝
[0020]多自由度激光位移傳感器支架6安裝在微銑床工作臺(tái)I上，激光微位移傳感器5安裝在多自由度調(diào)節(jié)激光位移傳感器支架6上，激光微位移傳感器5在支架6上的位置可以調(diào)節(jié)，可測(cè)量X、Y、Z任一方向振動(dòng)情況,本實(shí)施例測(cè)量Z向振動(dòng)。
[0021]激光微位移傳感器5和激光位移控制器7相連，激光位移控制器7和數(shù)據(jù)采集卡8相連，數(shù)據(jù)采集卡8安裝在計(jì)算機(jī)9內(nèi)部。[0022]利用多自由度調(diào)節(jié)激光位移傳感器支架6調(diào)節(jié)激光微位移傳感器5位置使激光傳感器5輸出的光斑落在電主軸夾具2上，調(diào)節(jié)激光微位移傳感器5與電主軸夾具2在Z方向的距離，使激光微位移傳感器5能準(zhǔn)確、穩(wěn)定輸出位移信號(hào)。
[0023](2)測(cè)量設(shè)定
[0024]測(cè)量時(shí)，設(shè)定采樣頻率和采樣系數(shù)。采樣頻率決定了單位時(shí)間內(nèi)獲得的數(shù)據(jù)量的多少，采樣頻率高，獲得的振動(dòng)波形精度高，但數(shù)據(jù)量大，增加分析時(shí)間；采樣頻率低，則獲得的振動(dòng)波形精度相對(duì)較低，數(shù)據(jù)量小，處理方便。實(shí)際使用中可根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的最高頻率來(lái)設(shè)置采樣率，本實(shí)施例中電主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)140000rpm，其引起的受迫振動(dòng)的頻率為2333Hz，根據(jù)fs ^ 2fmax,因此采樣頻率應(yīng)大于4666Hz。采樣系數(shù)是指激光微位移傳感器輸出電壓信號(hào)與實(shí)際位移的比值，LTC-025-02型激光微位移傳感器的采樣系數(shù)為0.2V/mm。
[0025](3)測(cè)量及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析[0026]啟動(dòng)微型銑床進(jìn)行銑槽加工，開始采集數(shù)據(jù)，記錄振動(dòng)信號(hào)時(shí)域及頻域數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)回放功能來(lái)查看、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0027]本實(shí)施例中采用立式三軸微型數(shù)控銑床，機(jī)床配備的微型電主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)140000rpm, X、Y軸行程51mm，Z軸行程102mm。工件材料為鎳基高溫合金，工件表面事先進(jìn)行磨平處理。所用刀具為UNION公司生產(chǎn)的直徑0.3mm微徑雙刃硬質(zhì)合金銑刀，刀具有效刃長(zhǎng)1mm。本實(shí)施例中切削參數(shù)為電主軸轉(zhuǎn)速70000rpm，進(jìn)給速度lmm/s，背吃刀量20 μ m。振動(dòng)測(cè)量曲線如圖2所示，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量采樣頻率為20KHz。
[0028]圖2中，a點(diǎn)有振動(dòng)尖峰，振動(dòng)頻率為90Hz，位移幅值為0.058 μ m,經(jīng)分析該振動(dòng)是由機(jī)床附近空氣壓縮機(jī)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生，可通過增加阻尼的方法來(lái)削弱壓縮機(jī)產(chǎn)生的影響。b點(diǎn)頻率為1160Hz，振動(dòng)幅值為0.0422 μ m,該頻率與電主軸的旋轉(zhuǎn)頻率1166Hz吻合，本實(shí)施例中使用雙刃刀具，主軸旋一周可產(chǎn)生兩次切削，在頻點(diǎn)1160Hz出現(xiàn)振動(dòng)，說(shuō)明銑削過程中有單齒切削現(xiàn)象存在。c點(diǎn)頻率為2330Hz，存在振動(dòng)尖峰，振動(dòng)幅值為0.059 μ m,振動(dòng)頻率剛好為主軸旋轉(zhuǎn)頻率兩倍，與理論計(jì)算符合很好。
[0029]采用所發(fā)明的微銑削振動(dòng)精密測(cè)量系統(tǒng)可以開展微銑削振動(dòng)研究，分析影響微銑削振動(dòng)的關(guān)鍵因素及影響規(guī)律，探求抑制振動(dòng)的方法和手段，進(jìn)而達(dá)到提高微銑削加工質(zhì)量、延長(zhǎng)刀具壽命目的。
[0030]所發(fā)明的微銑削振動(dòng)精密測(cè)量系統(tǒng)可測(cè)量刀具和工具間相對(duì)振動(dòng)，設(shè)備移植性強(qiáng)，測(cè)量范圍廣，靈敏度高，測(cè)量精度高，操作簡(jiǎn)單，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
【權(quán)利要求】
1.一種微銑削振動(dòng)精密測(cè)量系統(tǒng)，包括激光微位移傳感器、多自由度調(diào)節(jié)激光位移傳感器支架、激光位移控制器、數(shù)據(jù)采集卡和具有PXI多功能控制器的計(jì)算機(jī)。 具有多自由度調(diào)節(jié)激光位移傳感器支架安裝在微銑床工作臺(tái)上，激光微位移傳感器設(shè)置在與多自由度調(diào)節(jié)激光位移傳感器支架上；激光微位移傳感器在多自由度調(diào)節(jié)激光位移傳感器支架上的位置調(diào)節(jié)，測(cè)量X、Y、Z任一方向振動(dòng)情況；激光微位移傳感器和激光位移控制器相連，激光位移控制器和數(shù)據(jù)采集卡相連，數(shù)據(jù)采集卡安裝在計(jì)算機(jī)內(nèi)部； 通過多自由度調(diào)節(jié)激光位移傳感器支架調(diào)節(jié)激光微位移傳感器位置使激光傳感器輸出的光斑落在電主軸夾具上，調(diào)節(jié)激光微位移傳感器與電主軸夾具在Z方向的距離，使激光微位移傳感器能準(zhǔn)確、穩(wěn)定輸出位移信號(hào)；激光微位移傳感器米集刀具和工件之間相對(duì)振動(dòng)信號(hào)，由激光微位移傳感器控制器轉(zhuǎn)為電信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為位移信號(hào)，通過繪制位移時(shí)域及頻域曲線，獲得振動(dòng)情況。
【文檔編號(hào)】B23Q17/24GK103624633SQ201310666502
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月9日
【發(fā)明者】盧曉紅, 賈振元, 王鑫鑫, 路彥君, 俆廣昊, 任宗金 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)