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CN103624633A - 一种以激光微位移传感器为测量元件的微铣削振动精密测量系统 - Google Patents

一种以激光微位移传感器为测量元件的微铣削振动精密测量系统 Download PDF

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laser
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卢晓红
贾振元
王鑫鑫
路彦君
俆广昊
任宗金
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Dalian University of Technology
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Abstract

本发明属于机床振动在线测量领域，涉及一种微铣削加工过程中刀具和工件间相对振动情况精密测量系统。该测量系统包括激光微位移传感器、传感器支架、激光位移控制器、数据采集卡和具有PXI多功能控制器的计算机。具有传感器支架安装在微铣床工作台上，激光微位移传感器设置在与多自由度调节激光位移传感器支架上；激光微位移传感器在多自由度调节激光位移传感器支架上的位置可以调节，可测量XYZ任一方向振动情况。激光微位移传感器和激光位移控制器相连，激光位移控制器和数据采集卡相连，数据采集卡安装在计算机内部。该测量系统解决了微铣削加工中刀具和工件间相对振动测量的难题，测量精度高，设备移植性强，测量范围广，操作简单。

Description

一种以激光微位移传感器为测量元件的微铣削振动精密测量系统
技术领域
本发明属于机床振动在线测量领域，特别涉及一种以激光微位移传感器为测量元件的微铣削振动精密测量系统。
技术背景
微铣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100μm到10mm之间，特征尺寸一般为10μm～1mm，所加工的零部件具有精度要求高、结构复杂等特点，零部件质量和精度受微铣削加工过程的振动现象影响明显。微铣削加工所用微铣刀直径通常在1mm以下，刚度低、易磨损、易折断，微铣削加工中的振动现象会加速刀具磨损，严重时甚至造成刀具折断，导致加工成本过高，制约微铣削加工技术的应用。微铣削加工过程中机床、刀具及工件都存在振动现象，其中刀具和工件之间的相对振动直接影响加工质量及刀具寿命。当满足一定条件时，稳态的切削振动甚至会发展成切削颤振，从而引发整个微铣削系统的崩溃。因此，微铣削加工过程中的振动抑制非常重要。而要抑制微铣削加工过程中的振动，首先必须实现微铣削加工过程中刀具、工件相对振动的在线精密测量。微铣削加工时刀具高速旋转且伴随进给运动，振动信号采集十分困难。目前尚没有适用于微铣削加工过程刀具与工件相对振动测量的方法和装置。
李红涛等人在文献《介观尺度微型铣床动力学性能试验》中利用安装于工作台工装面上的三维加速度传感器测量机床振动信号，进而研究微铣床的振动特性，并通过增加阻尼、提高机床支撑部件刚度等方法来抑制振动，并取得了一定成效。文献未能获得刀具和工件间相对振动数据，采用的加速度传感器仅能获取机床工作台振动情况，试验存在一定局限性。
Brock A.Mascardelli等人在文献《Substructure Coupling of MicroendMills to Aid in the Suppression of Chatter》中采用激光微位移传感器测量微型铣床振动。实验中激光微位移传感器固定在机床主轴上，激光测量点落在刀具的刀柄上，测得的是刀具和主轴之间的振动情况，且实验中只能实现一个方向上的振动测量。
微铣削振动精密测量是实现微铣削振动抑制的前提和基础，目前国内外微铣削振动测量系统只能测量机床的某个部件或结构，不能较为准确的测量刀具和工件间相对振动，或者只能实现某一个固定方向上的测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对微铣削加工现有振动测量系统不足，提供了一种以激光微位移传感器为测量元件，配合具有多自由度调节能力的激光位移传感器支架实现微铣削刀具和工件相对振动测量。
本发明采用的技术方案是：
一种微铣削振动精密测量系统，包括激光微位移传感器、多自由度调节激光位移传感器支架、激光位移控制器、数据采集卡和具有PXI多功能控制器的计算机。
具有多自由度调节激光位移传感器支架安装在微铣床工作台上，激光微位移传感器设置在与多自由度调节激光位移传感器支架上；激光微位移传感器在多自由度调节激光位移传感器支架上的位置可以调节，可测量X、Y、Z任一方向振动情况。激光微位移传感器和激光位移控制器相连，激光位移控制器和数据采集卡相连，数据采集卡安装在计算机内部。
通过多自由度调节激光位移传感器支架调节激光微位移传感器位置使激光传感器输出的光斑落在电主轴夹具上，调节激光微位移传感器与电主轴夹具在Z方向的距离，使激光微位移传感器能准确、稳定输出位移信号。激光微位移传感器采集刀具和工件之间相对振动信号，由激光微位移传感器控制器转为电信号，由数据采集卡转换为数字量送到计算机，计算机将数字量转化为位移信号，通过绘制位移时域及频域曲线，获得振动情况。
本发明的测量系统以激光微位移传感器为测量元件，配合具有多自由度调节能力的激光位移传感器支架获取微铣削刀具和工件间相对位移信号，位移信号经数据采集卡转换成数字量，并由计算机分析处理，得到刀具和工件间相对振动情况，解决微铣削加工中刀具和工件间相对振动测量的难题。本发明所述的微铣削振动精密测量系统具有测量精度高，设备移植性强，测量范围广，操作简单等特点，具有实际应用价值。
附图说明
图1是系统示意图。
图2是微铣削振动频域曲线。
图中：1微铣床工作台，2机床电主轴夹具，3刀具，4工件，
5激光微位移传感器，6多自由度调节激光位移传感器支架，
7激光位移控制器，8数据采集卡，9具有PXI多功能控制器的计算机，
10计算机显示器。
具体实施方式
结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式：本实施例中激光微传感器选用MTI INSTRUMENTS公司生产的Microtrak II LTC-025-02型激光微位移传感器，激光波长670nm，发射功率2-5mW，测量距离25mm，测量范围±1mm，分辨率±0.12μm，线性度0.05%，响应频率20KHz。数据采集卡使用美国国家仪器公司PXI-4462型4通道高精度采集卡，具有4路同步采样功能，采样率204.8KS/s，最小电压分辨率37.7nV。计算机采用PXI多功能控制器，具有10个插槽，PXI-4462数据采集卡可以直接插入PXI计算机内，计算机配备17寸显示器。测试步骤如下：
（1）测量系统的安装
多自由度激光位移传感器支架6安装在微铣床工作台1上，激光微位移传感器5安装在多自由度调节激光位移传感器支架6上，激光微位移传感器5在支架6上的位置可以调节，可测量X、Y、Z任一方向振动情况，本实施例测量Z向振动。
激光微位移传感器5和激光位移控制器7相连，激光位移控制器7和数据采集卡8相连，数据采集卡8安装在计算机9内部。
利用多自由度调节激光位移传感器支架6调节激光微位移传感器5位置使激光传感器5输出的光斑落在电主轴夹具2上，调节激光微位移传感器5与电主轴夹具2在Z方向的距离，使激光微位移传感器5能准确、稳定输出位移信号。
（2）测量设定
测量时，设定采样频率和采样系数。采样频率决定了单位时间内获得的数据量的多少，采样频率高，获得的振动波形精度高，但数据量大，增加分析时间；采样频率低，则获得的振动波形精度相对较低，数据量小，处理方便。实际使用中可根据振动信号的最高频率来设置采样率，本实施例中电主轴最高转速可达140000rpm，其引起的受迫振动的频率为2333Hz，根据fs≥2fmax，因此采样频率应大于4666Hz。采样系数是指激光微位移传感器输出电压信号与实际位移的比值，LTC-025-02型激光微位移传感器的采样系数为0.2V/mm。
（3）测量及实验结果分析
启动微型铣床进行铣槽加工，开始采集数据，记录振动信号时域及频域数据。实验结束后，通过计算机的数据回放功能来查看、分析实验结果。
本实施例中采用立式三轴微型数控铣床，机床配备的微型电主轴最高转速可达140000rpm，X、Y轴行程51mm，Z轴行程102mm。工件材料为镍基高温合金，工件表面事先进行磨平处理。所用刀具为UNION公司生产的直径0.3mm微径双刃硬质合金铣刀，刀具有效刃长1mm。本实施例中切削参数为电主轴转速70000rpm，进给速度1mm/s，背吃刀量20μm。振动测量曲线如图2所示，实验中测量采样频率为20KHz。
图2中，a点有振动尖峰，振动频率为90Hz，位移幅值为0.058μm，经分析该振动是由机床附近空气压缩机活塞往复运动而产生，可通过增加阻尼的方法来削弱压缩机产生的影响。b点频率为1160Hz，振动幅值为0.0422μm，该频率与电主轴的旋转频率1166Hz吻合，本实施例中使用双刃刀具，主轴旋一周可产生两次切削，在频点1160Hz出现振动，说明铣削过程中有单齿切削现象存在。c点频率为2330Hz，存在振动尖峰，振动幅值为0.059μm，振动频率刚好为主轴旋转频率两倍，与理论计算符合很好。
采用所发明的微铣削振动精密测量系统可以开展微铣削振动研究，分析影响微铣削振动的关键因素及影响规律，探求抑制振动的方法和手段，进而达到提高微铣削加工质量、延长刀具寿命目的。
所发明的微铣削振动精密测量系统可测量刀具和工具间相对振动，设备移植性强，测量范围广，灵敏度高，测量精度高，操作简单，具有实际应用价值。

Claims (1)

1.一种微铣削振动精密测量系统，包括激光微位移传感器、多自由度调节激光位移传感器支架、激光位移控制器、数据采集卡和具有PXI多功能控制器的计算机。
具有多自由度调节激光位移传感器支架安装在微铣床工作台上，激光微位移传感器设置在与多自由度调节激光位移传感器支架上；激光微位移传感器在多自由度调节激光位移传感器支架上的位置调节，测量X、Y、Z任一方向振动情况；激光微位移传感器和激光位移控制器相连，激光位移控制器和数据采集卡相连，数据采集卡安装在计算机内部；
通过多自由度调节激光位移传感器支架调节激光微位移传感器位置使激光传感器输出的光斑落在电主轴夹具上，调节激光微位移传感器与电主轴夹具在Z方向的距离，使激光微位移传感器能准确、稳定输出位移信号；激光微位移传感器采集刀具和工件之间相对振动信号，由激光微位移传感器控制器转为电信号，由数据采集卡转换为数字量送到计算机，计算机将数字量转化为位移信号，通过绘制位移时域及频域曲线，获得振动情况。
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