基于数控车床的切削力测量

摘 要：随着科学技术的快速发展，切削力的测量显得尤其重要。本文一开始，从总体上介绍了切削力测量的大致方法。后面介绍了一种常用的利用单片机测量切削力的方法，以及介绍了DSP与虚拟仪器这种应用于切削力测量的新方法。希望本文能为相关研究人员提供新的思路。

关键词：數控车床；切削力；测量；单片机；DSP

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.10.021

0 引言

在数控车床的加工过程中，切削力对整个加工过程有着重要的影响。首先在切削过程中，切削力导致了切削热的产生，切削热会使刀具产生不同程度的磨损，进而对降低刀具的耐用度与加工表面的质量，会影响整个加工过程。其次，可以根据切削力计算出切削功率的大小，选择合适的机床、刀具与夹具。最后，通过对切削力的测量可以保证数控机床顺利的运行，在数控加工中可以实时监控，有利于数控机床的自动加工，避免出现过载等问题。在研究数控车床切削力的时候，根据实际需要通常把总的切削力分解成X、Y、Z方向上三个互相垂直的力来进行测量。

1 数控车床切削力测量方法分类

最开始的方法，是利用一些已有的经验公式，带入数据得出切削力的数值。例如，机床在加工的时候，产生的功率可以用仪器测量出来。如果切削速度可以确定，代入经验公式可以得出具体的切削力数值。这种方法可以粗略估算切削力的值，误差大。以下常用的方法大致可以分为直接测量和间接测量。

直接测量一般利用测力仪将测得的力信号转化为电信号，经过一系列处理后读出三个方向上的切削分力值。这种方法具有灵敏度高、量程范围大等优点但是耗时大、误差大、测量精度较高，可以通过不同的数据处理方法提高测量精度。

2 基于单片机的数控车床切削力测量

利用单片机测量数控车床的切削力，系统设计一般为将力通过传感器进行测量，通过电桥放大器把信号进行放大，然后进行模数转换，设计单片机进行信号处理，通过设计按键电路使LED数码管进行循环显示切削力的大小，设置通信接口，当切削力过大时进行过载报警。

电阻应变片和压电晶体是我们测量力的时候常用的传感器。其中电阻应变片具有灵活性大、适应性广、性能稳定等优点。在数控车床车削时，车削力经工件转动传递于车刀刀架上，使紧贴在上面的电阻应变片产生变形。无论应变片受拉伸使电阻丝直径变细，或者应变片受压缩变形使电阻丝直径变粗，都会使电阻值发生变化，从而产生电信号。

3 基于DSP实现机床切削力信号在线监测

我们选取压电测力采集机构，采取压电刀杆式的测力方法进行测量。机构在外形上与普通外圆车刀相似，在后面加一个三向的压电传感器对信号进行采集。机床工作产生切削力的时候，切削力会作用在压电传感器上，自动在X 、Y 、Z 三个方向进行分解并输出。测得的输出信号需要经过电荷放大器处理后，连接采集系统TMS320C5402。利用TMS320C5402数字信号处理器组成的采集系统，对压电传感器测得的切削力信号进行实时采集并动态显示信号。实现计算机与通信采集系统的通信，从而来监控数控机床的加工过程。

电荷是压电力传感器的输出信号，作用力的大小可以通过电荷的多少来进行反应。通过电荷放大器，我们可以将微弱的电荷量进行处理，进行完这一系列的操作后，就能利用DSP进行数据采集和数据的处理。数字信号处理器将采集来的数据进行后续处理与分析。具体的操作包括显示、滤波、相关分析谱分析等，在时域和频域上对信号进行分析，可以得出信号的特征。

4 基于虚拟分析仪的切削力测量

当今时代，科学技术迅速发展，计算机技术发展尤其迅速，有各种各样新式仪器，现在出现了一种基于计算机和软件的仪器——虚拟仪器。

切削力测量的传统方法需要用专门的测力仪、示波器、记录仪等，这种方法的局限性是只能测量力的数值，之后需要进行大量的数据分析与数据处理，才能得到经验公式。虚拟分析仪可以对作用在刀具上的力和力矩进行分析，对数据进行滤波、平滑等一系列的处理。虚拟仪器可以显示图形，这可以提高对测量数据的理解和解释，可对测量数据进行数据库管理 ，充分体现了计算机在数据计算 、存储 和显示等方面的巨大优势。在节省财力、人力的条件下，具有精确度高，速度快，稳定性高，使用方便的优点。

力信号可以应用八角环测力仪转换成电阻变化信号，再通过动态电阻应变仪将电阻变化信号转换成电压信号，通过 A/D 转换将电信号转换成数字信号，后面连接计算机，再通过虚拟式分析仪器对数据进行处理。

在数控机床车削加工中，利用虚拟分析仪器对输出的电信号进行数据采集，可以得到切削力的值。通过实验可以得出，对各种电信号可以利用虚拟式信号分析仪器进行数据的采集、处理和分析。此种方法包含了各种仪器，方便使用，有很好的发展潜力。

5 存在的问题以及发展

现代数控机床的切削加工正在朝着高速度、高精度、高自动化的方向快速发展。这会大大提高生产者对切削力测量系统的要求。切削力的测量系统应该具有较宽的测量范围、以及较高的分辨率；实时监测性好，能在线进行测量；数据处理与分析能力强大，能够对各种复杂的切削力信号进行快速准确的分析。

针对切削力测量系统精度的问题，可以开发新型的弹性元件，将弹性元件的结构进行完善，合理设计应变片的摆放方案，可以有效解决应变式测力仪灵敏度低问题，提高测量系统的精度。将集成电路与微电子技术应用到切削力测量系统中，集成化数据采集系统，使数据采集系统的速度与精度得到提高。

6 结论

切削力的测量有着重要的实际意义，有利于数控机床实现自动化。切削力的测量方法，总体上分为间接测量与直接测量。其中间接测量误差大，适用于一些特定的场合。利用单片机技术可以较为方便、快速的测量出切削力的大小，性价比高但精度低。DSP与虚拟仪器等新技术将会有更大的发展前景。

参考文献：

[1]徐哲，施志辉.虚拟分析仪器及其在切削力测量中的应用[J].航空制造技术，2005（05）：99-100.

[2]岳文辉，陈雪华，何艳芳.虚拟仪器及其在切削力测量中的应用[J].现代科学仪器，2010（05）：133-137.

[3]陈兴文，刘燕.基于DSP实现机床切削力信号在线监测[J].微计算机信息，2005（04）：94-95.

作者简介：黄锡祥（1993-），男，贵州黄平人，本科，研究方向： 机械。