基于微銑床主傳動系統(tǒng)功率的微銑削力測量方法
【專利摘要】本發(fā)明基于微銑床主傳動系統(tǒng)功率的微銑削力測量方法屬于微銑削力測量領(lǐng)域，涉及一種基于微銑床主傳動系統(tǒng)功率的微銑削力測量方法。測量方法采用功率采集模塊和帶有PXI數(shù)據(jù)采集模塊的NI數(shù)據(jù)采集箱進行測量；采集軟件編程過程中采用分段循環(huán)采樣方法，在LabVIEW數(shù)據(jù)采集模塊外部嵌套一個循環(huán)程序，每次循環(huán)得出的數(shù)據(jù)信息在內(nèi)存中暫存，并將下一次循環(huán)得到的數(shù)據(jù)信息拼接，最終得到完整的數(shù)據(jù)信息。該方法具有采樣頻率高、精度高、搭建及使用過程簡單等優(yōu)點，搭建及使用過程簡單、成本較低?？梢詽M足微銑床主傳動系統(tǒng)功率測量的需求，并保證微銑削力的測量精度，具有實際應(yīng)用價值。
【專利說明】
基于微銑床主傳動系統(tǒng)功率的微銑削力測量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于微銑削力測量領(lǐng)域，涉及一種基于微銑床主傳動系統(tǒng)功率的微銑削力 測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，微銑削力測量主要集中于使用測力傳感器，但考慮到微銑削力量級較小，一 般精度的測力傳感器無法滿足測量需求，高精度測力傳感器價格昂貴，且搭建及操作不便； 而目前關(guān)于機床主傳動系統(tǒng)功率及能耗采集系統(tǒng)的研究較為廣泛，考慮到切削功率與切削 力之間計算關(guān)系，可以為微銑削力測量提供新思路。
[0003] 劉霜等人的名稱為《機床主傳動系統(tǒng)加工過程能耗信息在線監(jiān)測方法》的發(fā)明專 利，ZL201110095627.6，公開了一種機床主傳動系統(tǒng)加工過程能耗信息在線監(jiān)測方法，通過 測量機床總輸入功率，利用所建立的機床加工過程中主傳動系統(tǒng)能量流和主要能耗信息的 數(shù)學模型，得到機床主傳動系統(tǒng)能耗信息的實時數(shù)據(jù)，但該方法操作過程較為麻煩，精度不 高。唐任仲等人的名稱為《一種數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)非切削能耗獲取方法》的發(fā)明專利， CN201210240326.2，公開的方案是通過實驗獲取主傳動系統(tǒng)變頻器和主軸電機空載功率， 主軸空轉(zhuǎn)摩擦轉(zhuǎn)矩、主傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量、主軸角加速度等模型中的系數(shù)值，就可以求出主 軸空載和主軸加速的功率和能耗值，但該方法精度較低，無法滿足微銑床主傳動系統(tǒng)功率 測量需求。
[0004] 綜上所述，現(xiàn)有機床主傳動系統(tǒng)功率及能耗采集技術(shù)存在著精度低等問題，無法 滿足微銑床主傳動系統(tǒng)功率及進一步微銑削力的測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明一種基于微銑床主傳動系統(tǒng)功率的微 銑削力測量方法，測量方法采用功率采集模塊和帶有PXI數(shù)據(jù)采集模塊的NI數(shù)據(jù)采集箱進 行測量;基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集模塊克服了由于采樣頻率大導(dǎo)致的采樣時間短的問題。采 樣頻率高、精度高、與采用高精度微力測量傳感器相比搭建及使用過程簡單、成本較低。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種基于微銑床主傳動系統(tǒng)功率的微銑削力測量方法， 其特征在于，測量方法采用功率采集模塊和帶有PXI數(shù)據(jù)采集模塊的NI數(shù)據(jù)采集箱進行測 量;采集軟件編程過程中采用分段循環(huán)采樣方法，在LabVIEW數(shù)據(jù)采集模塊外部嵌套一個循 環(huán)程序，每次循環(huán)得出的數(shù)據(jù)信息在內(nèi)存中暫存，并將下一次循環(huán)得到的數(shù)據(jù)信息拼接，最 終得到完整的數(shù)據(jù)信息;為保證精度，采樣頻率達200，000Hz ;基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集模塊 克服了由于采樣頻率大導(dǎo)致的采樣時間短的問題;具體測量步驟如下：
[0007] 第一步:測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件編程
[0008] 本發(fā)明在測量系統(tǒng)采集軟件編程過程中采用分段循環(huán)采樣方法，在LabVIEW數(shù)據(jù) 采集模塊外部嵌套一個循環(huán)程序，每次循環(huán)得出的數(shù)據(jù)信息在內(nèi)存中暫存，并將下一次循 環(huán)得到的數(shù)據(jù)信息拼接，最終得到完整的數(shù)據(jù)信息;有效減少了緩存區(qū)內(nèi)存，克服了因采樣 頻率過大導(dǎo)致的采樣時間短的問題；
[0009] 第二步:測量系統(tǒng)的安裝
[0010] 將微銑床8與主傳動系統(tǒng)變頻器7連接，測量系統(tǒng)中的功率采集模塊1由電流傳感 器3和電壓變壓器4構(gòu)成，電流傳感器3輸入端與微銑床主傳動系統(tǒng)變頻器7連接，電壓傳感 器4輸入端與微銑床8相連接，電流傳感器3和電壓變壓器4輸出端分別與NI數(shù)據(jù)采集箱2中 安裝得PXI數(shù)據(jù)采集模塊5連接;計算機6與NI數(shù)據(jù)采集箱2連接；
[0011]第三步:設(shè)定測量參數(shù)
[0012] 測量微銑床主傳動系統(tǒng)功率時，需要在測量系統(tǒng)采集軟件面板中設(shè)定采樣頻率及 時間；
[0013] 第四步:測量及微銑削力計算
[0014] 啟動微銑床，分別測量主傳動系統(tǒng)在空載過程及切削過程狀態(tài)下的功率值;在采 集數(shù)控微銑床主傳動系統(tǒng)功率時，與數(shù)控微銑床連接的功率采集模塊實時采集數(shù)控微銑床 主傳動系統(tǒng)的功率數(shù)據(jù)，并且傳送至帶有PXI數(shù)據(jù)采集模塊NI數(shù)據(jù)采集箱進行處理;微銑床 主傳動系統(tǒng)功率分為空載過程部分及切削過程部分;采用以下公式計算：
[0015] 空載過程:P = Pn+Pf (1)
[0016] 加工過程:P = Pn+Pf+Pc (2)
[0017] 其中，P為微銑床主傳動系統(tǒng)功率，Pn為微銑床主軸功率，Pf為微銑床變頻器功率， P。為微銑削過程切削功率；
[0018] 功率值的測量是基于電流傳感器與電壓變壓器測得的電流、電壓數(shù)據(jù)導(dǎo)入PXI數(shù) 據(jù)采集模塊計算得到，計算過程通過LabVIEW編程實現(xiàn)，微銑床主傳動系統(tǒng)功率P為：
[0020] 其中，
>;Ui為電壓測量值;Ii為電流測量值;f為采樣頻率;K為采樣總數(shù)。
[0021] 測量微銑床主傳動系統(tǒng)在空載過程及切削過程的功率后，利用公式(2)得到微銑 削過程的切削功率P。，并通過公式(4)計算得到微銑削力F。：

[0023] 其中， ，v為切削速度，d為銑刀直徑，單位為mm，n為主軸轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/ 分。
[0024] 本發(fā)明的有益效果是該方法具有采樣頻率高、精度高、搭建及使用過程簡單等優(yōu) 點，可以滿足微銑床主傳動系統(tǒng)功率測量的需求，并保證微銑削力的測量精度。
【附圖說明】
[0025] 圖1-基于微銑床主傳動系統(tǒng)功率的微銑削力測量方法流程圖。
[0026] 圖2-測量系統(tǒng)示意圖。圖中，1-功率采集模塊，2-NI數(shù)據(jù)采集箱，3-電流傳感器，4-電壓變壓器，5-PXI數(shù)據(jù)采集模塊，6-計算機，7-主傳動系統(tǒng)變頻器，8-微銑床。
[0027] 圖3-測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件程序圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細說明本發(fā)明的【具體實施方式】。
[0029] 圖1是基于微銑床主傳動系統(tǒng)功率的微銑削力測量方法流程圖。
[0030] 微銑削過程中切削力與傳統(tǒng)銑削相比量級小，一般為量級，因而導(dǎo)致微銑削 功率量級小;為保證測量精度，采樣頻率應(yīng)盡可能取大值，但取大采樣頻率會因為硬件緩沖 區(qū)內(nèi)存不足而使采樣時間短;為克服這一問題，考慮到微銑削過程中微銑削力量級較小，一 般精度測力傳感器無法滿足測量需求，另外高精度測力傳感器價格昂貴，且搭建及操作不 便;針對這一問題，本發(fā)明提供一種基于微銑床主傳動系統(tǒng)功率的微銑削力測量系統(tǒng)。
[0031] 附圖2是測量系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)主要包括功率采集模塊1、NI數(shù)據(jù)采集箱2。功率 采集模塊包括電流傳感器3、電壓變壓器4，NI數(shù)據(jù)采集箱2包括PXI數(shù)據(jù)采集模塊5。帶有PXI 數(shù)據(jù)采集模塊的NI數(shù)據(jù)采集箱型號為PXIe-1062Q，PXI數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為200000Hz。 電流傳感器3使用瑞士LEM公司的CTSR 1-P電流傳感器，與主傳動系統(tǒng)變頻器7相連，電壓變 壓器4使用220V轉(zhuǎn)12V變壓器，與微銑床8連接，數(shù)據(jù)采集模塊5使用美國國家儀器公司PXI-4622型4通道高精度采集卡，將其插入美國國家儀器公司PXIe-1062Q數(shù)據(jù)采集箱2中，并配 備帶有顯示屏的計算機6。
[0032]本實施例中采用立式三軸微型數(shù)控銑床，機床配備的微型電主軸最高轉(zhuǎn)速可達 140，000轉(zhuǎn)/分;工件材料為鎳基高溫合金，所用刀具為日本NS公司生產(chǎn)的直徑0.6mm微徑雙 刃硬質(zhì)合金銑刀。本實施例中切削參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為40000轉(zhuǎn)/分、50000轉(zhuǎn)/分、 60000轉(zhuǎn)/分，進給速度為2.2mm/s，切削深度為35mi。
[0033]測量方法的具體步驟如下：
[0034] 第一步:測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件編程
[0035] 微銑削過程中切削力與傳統(tǒng)銑削相比量級小，一般為量級，因而導(dǎo)致微銑削 功率量級?。粸榱吮ＷC測量精度，本發(fā)明中測量系統(tǒng)采樣頻率設(shè)為200，000Hz，但因此會導(dǎo) 致硬件緩沖區(qū)內(nèi)存不足而使采樣時間變小;通常解決這一問題的方法是減小采樣頻率，但 又無法保證測量精度;因此本發(fā)明在測量系統(tǒng)采集軟件編程過程中發(fā)明了分段循環(huán)采樣方 法，在LabVIEW數(shù)據(jù)采集模塊外部嵌套一個循環(huán)程序，每次循環(huán)得出的數(shù)據(jù)信息在內(nèi)存中暫 存，并將下一次循環(huán)得到的數(shù)據(jù)信息拼接，最終得到完整的數(shù)據(jù)信息;這種循環(huán)采樣的方式 有效地減少了緩存區(qū)內(nèi)存，克服了因為采樣頻率大而造成的采樣時間短的問題，程序圖如 附圖3所示。
[0036]第二步:安裝測量系統(tǒng)
[0037]將微銑床8與主傳動系統(tǒng)變頻器7連接，將功率采集模塊1中的電流傳感器3輸入端 與微銑床主傳動系統(tǒng)變頻器7連接，電壓傳感器4輸入端與微銑床8相連接，電流傳感器3和 電壓變壓器4輸出端分別與PXI數(shù)據(jù)采集模塊5連接;電壓變壓器4分別與主傳動系統(tǒng)變頻器 和微銑床8連接起來;裝有LabVIEW采集軟件的NI數(shù)據(jù)采集箱與功率采集模塊連接。
[0038]第三步:設(shè)定測量參數(shù)
[0039]測量微銑床主傳動系統(tǒng)功率時，在測量系統(tǒng)采集軟件面板中設(shè)定采樣頻率為200， 000Hz及采樣時間為10s。
[0040] 第四步:測量及微銑削力計算
[0041] 啟動微銑床，分別測量主傳動系統(tǒng)在空載過程及切削過程狀態(tài)下的功率值;在采 集數(shù)控微銑床主傳動系統(tǒng)功率時，與數(shù)控微銑床連接的功率采集模塊實時采集數(shù)控微銑床 主傳動系統(tǒng)的功率數(shù)據(jù)，并且傳送至帶有PXI數(shù)據(jù)采集模塊NI數(shù)據(jù)采集箱進行處理。
[0042]功率值的測量是基于電流傳感器與電壓變壓器測得的電流、電壓數(shù)據(jù)導(dǎo)入PXI數(shù) 據(jù)采集模塊計算得到，計算過程通過LabVIEW編程實現(xiàn)，利用公式(3)計算微銑床主傳動系 統(tǒng)功率。
[0043] 通過測量微銑床主傳動系統(tǒng)在空載過程及切削過程的功率，利用公式（1)、（2)就 可以得到微銑削過程的切削功率Pc;
[0044] 通過公式(4)計算得到微銑削力，測量值及誤差分析如表1所示。
[0045]表1微銑削力計算值與實際值比較
[0047] 通過表1中對于微銑削力計算值與實測值進行的比較可知，本發(fā)明的一種基于微 銑床主傳動系統(tǒng)功率的微銑削力測量方法可以很好地測量微銑削過程中的微銑削力、滿足 精度需求，與高精度微力測量傳感器相比搭建及使用過程簡單、成本較低。
[0048] 本發(fā)明一種基于微銑床主傳動系統(tǒng)功率的微銑削力測量方法，具有采樣頻率高、 精度高、搭建及使用過程簡單等優(yōu)點，可以滿足微銑床主傳動系統(tǒng)功率測量的需求，并保證 微銑削力的測量精度，具有實際應(yīng)用價值。
【主權(quán)項】
1. 一種基于微銑床主傳動系統(tǒng)功率的微銑削力測量方法，其特征在于，測量方法采用 功率采集模塊和帶有PXI數(shù)據(jù)采集模塊的NI數(shù)據(jù)采集箱進行測量;采集軟件編程過程中采 用分段循環(huán)采樣方法，在LabVIEW數(shù)據(jù)采集模塊外部嵌套一個循環(huán)程序，每次循環(huán)得出的數(shù) 據(jù)信息在內(nèi)存中暫存，并將下一次循環(huán)得到的數(shù)據(jù)信息拼接，最終得到完整的數(shù)據(jù)信息;具 體測量步驟如下： 第一步:數(shù)據(jù)采集軟件編程 在測量系統(tǒng)采集軟件編程過程中，采用分段循環(huán)采樣方法，在LabVIEW數(shù)據(jù)采集模塊外 部嵌套一個循環(huán)程序，每次循環(huán)得出的數(shù)據(jù)信息在內(nèi)存中暫存，并將下一次循環(huán)得到的數(shù) 據(jù)信息拼接，最終得到完整的數(shù)據(jù)信息； 第二步:安裝測量系統(tǒng) 將微銑床(8)與主傳動系統(tǒng)變頻器(7)連接，測量系統(tǒng)中的功率采集模塊（1)由電流傳 感器(3)和電壓變壓器(4)構(gòu)成，電流傳感器(3)輸入端與微銑床主傳動系統(tǒng)變頻器(7)連 接，電壓傳感器(4)輸入端與微銑床(8)相連接，電流傳感器(3)和電壓變壓器(4)輸出端分 別與NI數(shù)據(jù)采集箱(2)中安裝得PXI數(shù)據(jù)采集模塊(5)連接;計算機(6)與NI數(shù)據(jù)采集箱(2) 連接； 第三步:設(shè)定測量參數(shù) 測量微銑床主傳動系統(tǒng)功率時，需要在測量系統(tǒng)采集軟件面板中設(shè)定采樣頻率及時 間； 第四步:測量及微銑削力計算 啟動微銑床，分別測量主傳動系統(tǒng)在空載過程及切削過程狀態(tài)下的功率值;在采集數(shù) 控微銑床主傳動系統(tǒng)功率時，與數(shù)控微銑床連接的功率采集模塊實時采集數(shù)控微銑床主傳 動系統(tǒng)的功率數(shù)據(jù)，并且傳送至帶有PXI數(shù)據(jù)采集模塊NI數(shù)據(jù)采集箱進行處理； 空載過程:P=Pn+Pf (1) 加工過程:P=Pn+Pf+Pc (2) 其中，P為微銑床主傳動系統(tǒng)功率，Pn為微銑床主軸功率;Pf為微銑床變頻器功率;Pc為 微銑削過程切削功率； 功率值的測量是基于電流傳感器與電壓變壓器測得的電流、電壓數(shù)據(jù)導(dǎo)入PXI數(shù)據(jù)采 集模塊計算得到，計算過程通過LabVIEW編程實現(xiàn)，微銑床主傳動系統(tǒng)功率P公式為：其中Λ 收為電壓測量值，I1S電流測量值，f為采樣頻率，K為采樣總數(shù)； / 通過測量微銑床主傳動系統(tǒng)在空載過程及切削過程的功率，得到微銑削過程的切削功 率，并通過公式(4)計算得到微銑削力F。：^為切削速度，d為銑刀直徑，單位為mm，η為主軸轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/分。
【文檔編號】B23Q17/09GK106002486SQ201610594971
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月27日
【發(fā)明人】盧曉紅, 王福瑞, 賈振元, 司立坤, 羅粵興, 張弛
【申請人】大連理工大學