【正文】 電效應(yīng)十分微弱。壓電傳感器的工作原理就是利用這些壓電材料的壓電效應(yīng)。 反過(guò)來(lái)，如果在壓電晶體上垂直于X軸平面上加上電場(chǎng)，會(huì)使晶片產(chǎn)生機(jī)械變形；如果加交流電壓，則切片沿電極方向有伸縮而產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，這種現(xiàn)象就稱(chēng)為“逆電壓效應(yīng)”或“電致伸縮效應(yīng)”[7]。當(dāng)在X方向上對(duì)壓電晶體施加一壓力時(shí)，在垂直于X軸的晶體表面上產(chǎn)生電荷Q。 X — — — — — — — — — — y + + + + + + + + + + 壓電效應(yīng)原理圖壓電式傳感器是利用壓電效應(yīng)來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。它是一種可逆性換能器，既可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，又可以將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。（6）測(cè)量方法：傳感器在實(shí)際條件下的工作方式，工作方式不同對(duì)傳感器的要求就不同[5]。（4）可靠性：為了保證傳感器在應(yīng)用中具有高的可靠性，必須選用設(shè)計(jì)、制造良好，使用條件適宜的傳感器。（3）線(xiàn)性范圍：線(xiàn)性范圍越寬，就表明傳感器的工作量程越大。因此，往往要求傳感器的信噪比越大越好，既要求傳感器的本身噪聲小，且不易從外界引入干擾。傳感器的選用原則有：（1）靈敏度：一般來(lái)說(shuō)，傳感器的靈敏度越高越好，因?yàn)槿綮`敏度越高，就意味著傳感器所能感知變化量就會(huì)越小。其性能直接影響整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)測(cè)量精度至關(guān)重要。隨著測(cè)試、控制與信息技術(shù)的發(fā)展，傳感器作為這些領(lǐng)域里的一個(gè)重要構(gòu)成因素受到了普遍重視。然后將處理過(guò)的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后輸入到計(jì)算機(jī)，最后計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制和分析。由系統(tǒng)的示意圖可以很容易的看出該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理：壓電式傳感器將難以直觀(guān)表達(dá)的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的模擬信號(hào)。為了使該系統(tǒng)可以在各種數(shù)控機(jī)床上安全運(yùn)行，：壓電式傳感器電荷放大器數(shù)據(jù)采集板計(jì)算機(jī)（內(nèi)有數(shù)據(jù)處理軟件）件） 系統(tǒng)整體示意圖： 系統(tǒng)實(shí)體外觀(guān)圖本文中切削力信號(hào)的采集是利用壓電式傳感器測(cè)得信號(hào)并通過(guò)電荷放大器將微弱的電荷信號(hào)放大成電壓信號(hào)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)采集板將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，最后將信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上利用軟件DEWESoft對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并動(dòng)態(tài)顯示，從而可以監(jiān)測(cè)整個(gè)加工過(guò)程。 2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本課題的主要研究目的是對(duì)切削力信號(hào)進(jìn)行采集，并進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與分析，為機(jī)床加工過(guò)程中刀具的磨損情況以及何時(shí)換刀提供一定的理論依據(jù)。與傳統(tǒng)的機(jī)械加工過(guò)程中人工判別刀具狀態(tài)相比，該在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)切削力信號(hào)進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)從而能夠非常精確的判別刀具狀態(tài)。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)對(duì)硬件和軟件系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行、校驗(yàn)，觀(guān)察其運(yùn)行效果并對(duì)其不足之處進(jìn)行改進(jìn)。首先，對(duì)軟件系統(tǒng)本身做標(biāo)定和檢測(cè)，其次，對(duì)壓電測(cè)力儀進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定后，然后聯(lián)機(jī)成為切削力實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)采集的切削力信號(hào)，從而得到實(shí)際的驗(yàn)證。在不同的切削用量或切削條件下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，以便體統(tǒng)能夠精確的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和分析。(2)切削力信號(hào)的處理與分析——將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、濾波、相關(guān)分析、譜分析等，在時(shí)域和頻域同時(shí)分析信號(hào)，以便進(jìn)行監(jiān)控。，完成軟件設(shè)計(jì)。，介紹各控制部分和測(cè)量部分的原理和應(yīng)用，并對(duì)其硬件部件進(jìn)行選擇定型。三是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，并進(jìn)行分析。本課題的主要工作：一是從整體對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出方案。信號(hào)采集是利用壓電式傳感器測(cè)得信號(hào)并送入計(jì)算機(jī)，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并動(dòng)態(tài)顯示信號(hào)，從而監(jiān)控整個(gè)加工過(guò)程。 設(shè)計(jì)內(nèi)容 本課題是研究利用計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)和信息，對(duì)加工過(guò)程中刀具受力實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但是,隨著自動(dòng)化程度的日益提高,由人工判別刀具狀態(tài)已經(jīng)成為阻礙加工自動(dòng)化發(fā)展的主要因素。如果不對(duì)磨鈍的刀具采取措施,將可能導(dǎo)致工件的報(bào)廢,甚至有可能損壞機(jī)床。 在機(jī)械加工過(guò)程中，為了使加工更好地完成，對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制是很有必要的，這就要求監(jiān)控系統(tǒng)具有很好的實(shí)時(shí)性，能對(duì)變化做出快速的反應(yīng)。隨著切削加工技術(shù)的發(fā)展，切削力的測(cè)量技術(shù)將朝著以下幾方面進(jìn)行發(fā)展：（1）應(yīng)用微電子和集成電路技術(shù)，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成化，提高數(shù)據(jù)采集的速度與精度；（2）開(kāi)發(fā)新型彈性元件。近幾年來(lái)，很多學(xué)者研究利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)端面銑削時(shí)刀具磨損進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。最終，其通過(guò)一系列的分析、實(shí)驗(yàn)得出了后刀面磨損與加工誤差的數(shù)學(xué)關(guān)系式。 后刀面磨損。一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家和學(xué)者大都通過(guò)在線(xiàn)檢測(cè)刀具的磨損狀態(tài)來(lái)采取相應(yīng)的措施（誤差補(bǔ)償、更換刀具等）來(lái)減少和避免由于刀具磨損產(chǎn)生的加工誤差[2]。加工過(guò)程中切削力的測(cè)量系統(tǒng)就應(yīng)該滿(mǎn)足以下要求：①實(shí)時(shí)性好，能夠?qū)η邢髁M(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)測(cè)量；②測(cè)量范圍大、高精度以及高分辨率；③能夠?qū)?fù)雜多變的切削力信號(hào)進(jìn)行各種處理與分析。1 前言 選題背景與意義隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電工電子技術(shù)、數(shù)控技術(shù)等各種技術(shù)的發(fā)展，制造技術(shù)正朝著精密化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、全球化、虛擬化、智能化的方向發(fā)展。由于現(xiàn)代削加工過(guò)程正在向高速切削、強(qiáng)力切削、精密以及超精密加工方向發(fā)展以及數(shù)控機(jī)床、加工中心等先進(jìn)設(shè)備的廣泛應(yīng)用,因此迫切需要新型、可靠、實(shí)用的切削過(guò)程在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。刀具磨損是引起加工誤差的主要原因之一，尤其是在自動(dòng)化生產(chǎn)的精密加工中，刀具磨損產(chǎn)生的加工誤差是不容忽視的問(wèn)題。 華東交通大學(xué)的郭厚焜等人就針對(duì)銑削加工過(guò)程中刀具磨損的狀態(tài)進(jìn)行了研究和分析，提出了以后刀面磨損作為主要參數(shù)的加工誤差計(jì)算方法。通過(guò)對(duì)銑削過(guò)程中刀具的磨損情況分析得出對(duì)于以主切削刃承擔(dān)主要切削任務(wù)的銑削加工，后刀面的磨損是導(dǎo)致加工誤差的主要因素。因此，可以通過(guò)此結(jié)論來(lái)確定何時(shí)換刀，從而提高生產(chǎn)質(zhì)量。即采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)識(shí)別刀具磨損狀況，將切削力和進(jìn)給速度等其他已知的參數(shù)的平均值輸入到網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)一系列的研究和分析得出這些參數(shù)與刀具磨損情況的關(guān)系。優(yōu)化彈性元件的結(jié)構(gòu)和應(yīng)變片的布片方案，提高應(yīng)變式測(cè)力儀的固有頻率，有效解決應(yīng)變式測(cè)力儀的剛度和靈敏度之間的矛盾問(wèn)題，降低各向力之間的耦合程度；（3）完善數(shù)據(jù)分析處理的功能，例如將虛擬儀器技術(shù)引入切削力測(cè)試系統(tǒng)，以便對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行多種操作和數(shù)據(jù)庫(kù)處理；建立專(zhuān)家系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，從而對(duì)刀具磨損、切削顫振等情況做出預(yù)報(bào)并提出相應(yīng)的治理措施[3]。刀具作為切削過(guò)程的直接執(zhí)行者,在切削加工過(guò)程中不可避免地存在磨損和破損等現(xiàn)象。在傳統(tǒng)的機(jī)械加工過(guò)程中,可以通過(guò)辨別切屑及加工過(guò)程中的噪聲來(lái)判斷刀具的磨損、破損狀態(tài)。因此對(duì)機(jī)床切削力信號(hào)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究更加有深遠(yuǎn)的意義，它將會(huì)為制造業(yè)揭開(kāi)嶄新的一頁(yè)。本課題是以加工中心機(jī)床切削力在線(xiàn)狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，它主要包括切削力信號(hào)的采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控和后續(xù)處理與分析。信號(hào)處理是將采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行后續(xù)處理與分析，它包括顯示、濾波、相關(guān)分析、譜分析等，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，可以得出信號(hào)的特征。二是根據(jù)具體的對(duì)象，對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，并使它有一定的通用性。具體的工作是:，了解每個(gè)部分的組成及功能。，信號(hào)的采集原理和方法；了解數(shù)據(jù)采集板的構(gòu)成，熟悉信號(hào)轉(zhuǎn)換的原理。(1)切削力信號(hào)的采集——利用現(xiàn)有的臺(tái)灣研華公司的MP04A視頻采集卡作為數(shù)據(jù)采集板，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，計(jì)算機(jī)接口軟件實(shí)現(xiàn)了采集、顯示和存儲(chǔ)的功能，具有實(shí)時(shí)、快速的特點(diǎn)。(3)調(diào)試程序并與實(shí)際結(jié)合。 通過(guò)對(duì)本課題的研究設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)加工中心機(jī)床切削力信號(hào)的在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)利用壓電測(cè)力儀測(cè)得信號(hào)，而后進(jìn)行放大、補(bǔ)償、A/D轉(zhuǎn)換，再利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行采集、處理和分析。因此能夠提高生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率以及機(jī)械生產(chǎn)加工的自動(dòng)化程度。由于該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)對(duì)象是加工過(guò)程中機(jī)床的切削力信號(hào)，因此系統(tǒng)必須對(duì)其進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。經(jīng)過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，從而