压电式切削测力仪快速标定系统研究

王 璐

（太原理工大学 机械工程学院，山西 太原 030024）

0 引言

切削力对研究切削机理、计算功率消耗、设计工艺系统的结构、制定合理的切削用量、优化刀具几何参数等具有非常重要的意义［1］。切削力的理论计算误差较大，所以通常利用切削测力仪采用实验的方法获得。为了提高测力仪的动力学性能，目前广泛采用压电式切削测力仪。而压电晶体存在电荷泄漏的不足［2］，使得压电晶体传感器的高精度静态标定十分困难。传统的切削测力仪标定采用测力环上的千分表读取加力值，达到设定力值的调整时间长，致使电荷泄漏更加严重，标定精度差。本文采用对比测量法，设计了新型的压电晶体测力标定系统，采用计算机高速数据采集系统，自动识别记录并取样加力值，极大地缩短了标定时间，从而很好地消除了电荷泄漏的影响。

1 标定系统硬件设计

1．1 标定系统组成原理

要减小电荷泄漏影响，必须减少标定过程的操作时间，为此增加一个力传感器自动检测加载力值，解决原标定系统人工计数速度慢的问题。

自行设计了快速标定装置，切削测力仪采用大连理工大学生产的YDCB－III05三向压电测力仪，其主要由4个YDS－III79K型压电石英三维力传感器组成［3］，其X、Y 两向固有频率均在5kHz以上，而Z向固有频率可达25kHz以上。内置的x、y、z方向的压电式传感器位置经过精心布局，可以反映出Fx、Fy、Fz的大小变化，并最大可能地消除3向分力的干扰。另外购置一个江苏联能电子技术有限公司生产的CLYD－312A压电晶体力传感器，用于测量加载力的大小，其截止频率大于30kHz。4路传感器通过4个电荷放大器接入接线盒，并引入PCI9118高速数据采集卡（采样频率达330kHz），每路的采集时间仅12μs，实现了4路信号的准同时测量。通过编制软件，每组标定数据间加载不需要停顿，大大缩短了加载时间，有效减小了电荷泄漏的影响。标定系统硬件框图如图1所示。

图1 标定系统硬件组成框图

1．2 三向加载机构设计

图2为三向加载机构的实物照片，水平有两个U型可移动支座，用于X、Y方向的加载，Z方向的可调加载支座设计了两个螺柱及横梁并形成门形结构，提高了其承载能力。压电式测力仪以及x、y、z方向可调加载支座用螺钉固定在它的工作台上，3个方向的加载支座可沿垂直于各自加载方向移动20mm；根据标定实验，只有一个方向加载，一个专用加载螺旋机构可以分别安装在3个方向的加载支座中，并可以沿垂直于支座移动方向移动20mm，通过调整来保证加载方向与刀具安装位置准确对应，传感器所受载荷和标定刀杆受力中心所受载荷一致，并可适用于多种尺寸刀杆的刀具标定。

图2 三向加载机构

三向加载机构的关键部分——加载螺杆要完成切削测力仪标定的加载任务，不能产生附加扭矩，为此在加载螺柱和测量传感器之间增加了一个推力轴承（型号为51100），螺杆施加载荷通过轴承与传感器中间的支撑座传给传感器。为防止实际切削刀具刀尖的受力损坏，以保证对标定刀杆加载方便准确、稳定，设计了如图3所示的专用的z向快速标定机构，其前端焊接了一个钢球，加载力等效作用在球心，在测量头上做了一个V型孔，保证所加载荷就在螺杆的受力中心。在支座中安装有一个悬浮螺纹套调整加载位置，加载螺柱栓安装在能移动的螺纹套中，当受到一定的轴向加载力时，螺纹套可以水平移动，实现了在加载机构调整过程中螺纹套的自动对中，保证了加载位置的准确性。

图3 Z向快速标定机构图

2 快速标定系统软件设计

为了加快标定速度，设计了自动检测加载力软件，由基于线程的数据采集软件以较高频率采集加载力以及三向分力Fx、Fy、Fz的实时数据，并放入数据缓冲区，线程技术避免了用户界面操作对采集过程的影响，编程原理如图4所示。其中PCI9118数据采集卡采样频率高达82kHz／路，即使采用分时采集，一组数据中的时间差也可忽略。主程序可根据用户事先设定的加载力初值、终值及测量组数，自动读取数据缓冲区的实时数据，当检测到加载力达到规定的标定点力值时，将这组数据作为有效数据保留并在曲线中显示，直至采集完规定的数据组数，实现了标定加载操作不需要停顿观察加载力值，在很大程度上减少了操作时间，提高了标定精度。

3 切削测力仪标定实验

3．1 标定实验操作步骤

（1）运行切削力标定软件，进入如图5所示的Z向快速标定系统。

图4 快速标定系统软件框图

图5 Z向快速标定操作界面

（2）设定采样频率（默认值为10 000Hz）、加载力初值（默认值为0N）、终值（默认值为2 000N）及测量组数（默认值为10组），点击“启动采集”按键，当前的加载力值实时地显示在右上角“载荷”视图中。

（3）操作者快速连续加载，“载荷”视图中实时出现加载力的数值，“电压”视图中实时出现标定值的离散点；加载时用余光观察界面，出现“数据采集完毕！”时停止加载，Z方向的加载过程完成。

（4）单击“标定”按钮，“电压”视图出现用最小二乘法拟合的3条直线，一个方向的标定完成。

（5）重复上述步骤，完成X、Y两个方向的标定。

3．2 快速标定结果分析

软件自动取样标定结果显示在图5中。软件自动取样是由软件自动检测实时载荷数据，只要发现合适的载荷采样点，软件自动将该组数据显示在图5左图中，因此在加载过程中，操作者不需要观察就可以连续快速加载，即在“载荷”视图中出现了连续快速上升的加载曲线，加载时间明显缩短，自动取值的离散数据点和拟合的直线重合得非常好，说明标定精度很高。

Z方向加载时3个方向的标定斜率分别为：X：0．009 1；Y：0．004 2；Z：0．025 9。说明Z 方向加载对X、Y两个方向的输出有影响，从标定曲线上可以知道这些影响呈线性关系，可以通过求解线性方程组的办法消减向间干扰的影响［3］。

4 结论

针对压电晶体存在电荷泄漏的先天不足，设计了标定力和切削测力仪三向分力的同步采集硬件系统，采样频率大于80kHz／每通道；编制了基于线程的自动数据采集和处理软件，大大减少了人工读数时间，提高了标定速度，自动取值的离散数据点和拟合的直线重合的非常好，有效减少了电荷泄漏对标定精度的影响，达到了设计要求，为压电式传感器的标定系统设计提供了借鉴模式。

［1］ 王时英，吕明．基于LabVIEW的车床动态刚度测量系统研究［J］．太原理工大学学报，2007，38（4）：329－332．

［2］ 王化祥，张淑英．传感器原理及应用［M］．第3版．天津：天津大学出版社，2007．

［3］ 刘晓玲，张军，钱敏．新型压电式车削测力仪的研究［J］．传感器技术，2005，24（12）：35－37．