高速立銑切削刀具溫度場建模與實時在線溫度測量技術研究.pdf

1、在機械加工切削過程中，切削熱及其產(chǎn)生的切削溫度直接影響刀具的磨損和壽命，同時也影響工件的加工質(zhì)量和表面質(zhì)量。其中，切削溫度的在線測量對于研究由切削熱導致的刀具磨損和壽命減少具有重要意義。尤其是對于正處在切削過程中的刀具，采用刀具溫度實時在線測量技術能監(jiān)控其切削溫度變化，為加工安全提供有力保障，為加工質(zhì)量提供技術支撐。目前，切削過程中的在線測量方法還不能解決高速切削中刀具定點溫度實時在線連續(xù)測量的問題。因此，研究一種既可以進行連續(xù)單點溫度

2、測量，又不改變主軸結(jié)構，同時能夠?qū)崟r獲得溫度數(shù)據(jù)的方法是非常必要的。這對研究切削熱導致的刀具磨損和壽命減少、監(jiān)控切削過程刀具切削溫度變化以保證加工安全和加工質(zhì)量等具有重要意義。
　　針對高速切削過程，本文采用熱電偶測溫方法，以熔焊方式在刀具后刀面切削溫度場最高溫度點位置固定熱電偶結(jié)球，將熱電偶尾線引入放置于改進后的刀柄內(nèi)的下位機，采用無線傳輸方式發(fā)送溫度測量數(shù)據(jù)，利用無線路由器將溫度測量數(shù)據(jù)送至上位機進行處理，實現(xiàn)高速切削中刀具定

3、點溫度實時在線連續(xù)測量。本文在提出系統(tǒng)總體方案的基礎上，通過系統(tǒng)分析提出具體性能指標要求，展開了深入的理論和實驗研究。
　　針對高速立銑刀的特點，采用熱源法建立溫度場的數(shù)學模型，利用有限元軟件仿真立銑刀的溫度場分布。再根據(jù)數(shù)學模型和仿真結(jié)果，分析切削熱的產(chǎn)生及其導致的刀具升溫，從而判斷溫度最高點的位置，為確定立銑刀固定測溫點位置提供依據(jù)，還可為立銑刀的結(jié)構優(yōu)化設計、切削實驗設計等，提供理論依據(jù)。
　　針對成熟可靠的熱電偶測溫

4、方法，研究并實現(xiàn)熱電偶與被測刀具的安裝方法，通過電容焊機將熱電偶結(jié)球焊接在位于刀具后刀面上鄰近主切削刃的預埋槽內(nèi)，在不破壞原有刀具強度和溫度場的前提下，實現(xiàn)刀具溫度場定點溫度的實時在線連續(xù)感知；研究并實現(xiàn)熱電偶尾線引出和下位機安裝方法，將熱電偶尾線通過刀具內(nèi)冷孔引出至刀柄內(nèi)，改進刀柄結(jié)構提供下位機安置空間，同時符合其原有技術標準，實現(xiàn)熱電偶與下位機相對位置固定的安裝連線；研究并實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采樣方法，將熱電偶輸出熱電勢同時引入兩片微小型模

5、擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，通過雙通道并行時間交替采樣方法將采樣率提高一倍，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采樣；研究并實現(xiàn)高速高可靠無線數(shù)據(jù)傳輸方法，采用現(xiàn)有UDP協(xié)議，有針對性地引入監(jiān)督位和監(jiān)督矩陣，由下位機對溫度測量數(shù)據(jù)進行分組、打包和發(fā)送，由上位機對接收數(shù)據(jù)進行糾錯、組合和處理，形成改進的UDP協(xié)議，消除原有的數(shù)據(jù)亂序和錯包現(xiàn)象，實現(xiàn)高速高可靠無線數(shù)據(jù)傳輸。
　　針對測溫系統(tǒng)中，由 RC網(wǎng)絡、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換和冷端補償所構成的環(huán)節(jié)，建立其數(shù)學模型并進行靜態(tài)特性

6、和動態(tài)特性分析；利用仿真軟件進行特性仿真，給出系統(tǒng)時間常數(shù)和幅值損耗0.1％時的最高頻率；根據(jù)所建立的數(shù)學模型，按照溫度信號傳遞路徑，進行不確定度分析，給出系統(tǒng)量程和測量精度。
　　針對所研制的高速立銑切削刀具定點溫度實時在線連續(xù)測量裝置，進行無線數(shù)據(jù)傳輸測試實驗，驗證在經(jīng)過改進UDP協(xié)議處理之后，上位機接收到的數(shù)據(jù)無錯包無亂序，具有高速傳輸特性；通過精密溫度校驗爐完成測溫系統(tǒng)標定，給出測溫系統(tǒng)靜態(tài)測量誤差；采用本文測溫系統(tǒng)進行高