高精度外圓磨床磨削力測量系統研制*

高 超 丁慶新 穆東輝 易 偉 劉小猛 張秀蘭

（①中國石油大學（北京）機電工程學院，北京 102249；②北京第二機床廠有限公司，北京 100072；③中石油西南油氣田公司能源公司，四川成都 610500）

高精度外圓磨床磨削力測量系統研制*

高 超①丁慶新①穆東輝②易 偉③劉小猛①張秀蘭②

（①中國石油大學（北京）機電工程學院，北京 102249；②北京第二機床廠有限公司，北京 100072；③中石油西南油氣田公司能源公司，四川成都 610500）

針對高精度外圓磨床磨削力的傳統測量方法低效、精確度低等不足，研制了一套高效準確的磨削力實時測量系統。雙向測力頂尖、數據采集卡以及NI信號調理模塊構成的硬件系統，配合LabVIEW圖形化編程軟件實現磨削力實時數據采集；測力傳感器切向分力與法向分力之間的干擾方程的建立及解耦算法的應用減小了兩向之間的相互干擾，達到預期目標。

磨削力 測力傳感器 向間干擾 虛擬儀器

磨削加工是精密加工的主要方法之一，隨著現代 化加工技術的發展，磨削加工的應用越來越廣泛。磨削力是磨削加工中的重要參數，是磨削研究的主要對象。磨削力起源于工件與砂輪接觸時產生的彈性變形、塑性變形、以及磨料和結合劑與工件表面之間的摩擦作用，它不僅影響系統的變形、磨削的效率、精度、表面質量，砂輪耐久度，而且是磨削過程中磨削熱產生和磨削振動的主要原因。因此，通過對磨削力的實時監測，可以反映出切削用量的合理性、振動等切削狀態和機床故障，具有重要的應用意義［1，2］。

傳統的磨削力測試方法是采用指針式儀表提供的示值或函數記錄儀等記錄的數據來了解、分析和研究磨削力。其缺點：一是要求停機檢測，占用生產工時；二是事后需要經過大量的數據處理才能建立磨削力的經驗公式。其測量結果的準確度、測試的自動化程度和效率都不能滿足現代化生產的需求。測力儀是目前廣泛應用的一種測量手段，按測力儀的工作原理可以分為機械式、電阻應變片式、壓電式測力儀等，它們各有各的優點。隨著計算機輔助測試技術的不斷發展，集磨削力數據采集和處理為一體的測試系統已成為必然的發展趨勢［3～5］。

為此研制一種基于LabVIEW平臺的電阻應變片式磨削力測量系統，在數據處理中加入解耦算法以減少測力傳感器各向之間的干擾，并通過試驗驗證了不同的切削用量對磨削力的影響，實驗取得良好效果。

1 磨削力測試系統的原理與設計

1.1 磨削力模型的建立

磨削力源于工件與砂輪接觸引起的彈性變形、塑性變形、切屑形成以及磨料和結合劑與工件表面之間的摩擦作用，既是影響磨削工件質量的主要因素，又是磨床設計及技術改進的重要指標。目前，磨削力的測試按照測量方式的不同可以分為以下幾種：一是測量磨削過程中砂輪的受力；二是測量磨削時工件的受力；三是測量磨削過程中裝夾工件的夾具的受力。在不同的加工情況下，三種方法各有優勢，其測試機理也不盡相同。在外圓磨削中，由于加工過程中砂輪和工件均做旋轉運動，這時采用測量砂輪或是工件的受力都比較困難，因此這里采用特制的力傳感器（帶有彈性變形體的頂尖）來測量外圓磨削過程中的磨削力，不用改裝機床，在正常生產條件下就可以達到測量磨削力的目的，具有結構簡單、制造方便等優點。

外圓磨削加工中，磨削力可分解為法向磨削力、切向磨削力和軸向磨削力，其受力模型如圖1所示。其中，切向磨削力Ft直接影響磨削過程中功率的大小；法向磨削力Fn影響工件的彈性形變、振動、磨削余量以及加工精度；對于軸向磨削力Fa，雖然從單個磨粒的角度來看這個分力很大，但由于各磨粒具有隨機分布的正負傾角，使各分力相互抵消，與切向和法向磨削分力相比很小，這里對軸向磨削分力忽略不計。

1.2 測試系統的硬件組成

磨削力測試系統主要由測力變換裝置（力傳感器）、應變儀、放大器、濾波器、數據采集卡和PC機組成。其組成結構如圖2所示。

在外圓磨床上測力變換裝置是利用測力頂尖作彈性測力元件，金屬式電阻應變片作為變換器的一種裝置。測力頂尖是用普通的磨床尾架頂尖加工而成的：在頂尖的頸部加工出四個互相垂直的對稱平面，將電阻應變片緊貼在頂尖的平面上，接成一個電橋電路；同時為了避免在磨削過程中電阻應變片的輸入輸出導線與旋轉撥叉之間的纏繞，在彈性頂尖中部鉆出一個適當直徑的深孔，方便用來引出導線；另外，外圓磨削一般都采用濕磨，因此要求彈性頂尖具有良好的密封性，避免因冷卻液的流入造成對電阻應變電路的破壞。

測力變換裝置的設計原理如圖3所示，8個電阻分兩組接成橋路，其中 R1、R2、R3、R4橋路用于測量磨削力法向的分力 Fn；R5、R6、R7、R8橋路用于測量磨削力切向的分力Ft。電橋平衡的條件是R1·R3=R2·R4（R5·R7=R6·R8）。磨削過程中，在磨削力的作用下，頂尖產生彈性形變，貼在頂尖上的電阻應變片隨之也產生相應的形變并引起電阻的變化，從而打破了橋式電路的平衡，使橋式應變電路輸出端產生一個不平衡的電壓差，這樣就完成了磨削力信號到電信號之間的轉換。應變儀采用YD－28型動態電阻應變儀，該應變儀頻率范圍寬、精度高，可向電阻應變片提供標準的驅動電壓。應變儀的輸出經過放大電路后得到0～5 V的標準電壓。由于現場的電磁干擾，放大器輸出的信號帶有較強的高頻噪聲信號，這給測量的準確度帶來很大的影響。因此系統采用 型低通濾波器和軟件濾波的方法加以處理，有效地削弱了噪聲信號，提高了測量的準確度。經過調理后的信號輸入到多路數據采集卡研華USB 4711A，并通過LabVIEW軟件程序在計算機中讀出采集的數據并顯示。本次實驗的布局如圖4所示。

1.3 傳感器的標定

上面的過程雖然已經實現了加工過程中數據的采集記錄，但該數據并不是磨削力的真實值，而是彈性元件受力后產生應變所轉換成的電信號，因此必須找出應變儀輸出的電信號與實際磨削力數值之間的對應關系，并通過這個關系求出磨削力的真實值，這個過程就叫做標定。標定的方法是用砝碼對工件進行加載，如圖5所示。

標定的過程為：以不加載砝碼時的輸出值作為初始零點，每加載1 kg的砝碼，記錄相應的電壓穩態值，加載多次后進行卸載。將獲得的電壓值作為橫坐標，對應的砝碼的重量作為縱坐標，利用線性擬合的方法獲得標定曲線，并得到標定系數（受力與輸出電壓之間的線性關系），該系數即是磨削力傳感器的靈敏度k，單位為：N/V。然后根據k來進行轉換，獲得磨削力的真實值。由于測力傳感器在垂直方向和水平方向上的量程不一樣，本次實驗中用到的測力傳感器經標定后得到其垂直方向靈敏度為20.15 N/V，水平方向的靈敏度為40.31 N/V。

2 磨削力數據采集（DAQ）與處理

2.1 磨削力數據采集系統（DAQ）

在配置好相應的硬件后，通過編制應用程序來定義虛擬儀器的功能。本系統中軟件程序主要包括三個方面的內容（圖6）：（1）磨削力數據采集及曲線顯示，它的主要功能是通過數據采集卡USB 4711A將濾波后的信號采集，通過LabVIEW程序將其讀取，并繪制磨削力的實時曲線；（2）數據保存與歷史數據回放，它的主要功能是將采集到的數據保存稱為數據文件，并可以通過歷史數據回放的功能隨時查看先前的測量結果；（3）測量數據統計分析，它的功能是對一次測量的全部數據進行統計分析。得出這組測量值的統計數據包括最大值、最小值、峰峰值等。這些統計數據對磨削力的分析有重要的意義。

LabVIEW程序包含兩個部分，即前面板和后面板。前面板主要用來提供虛擬儀器與用戶的接口，它可以在計算機上生成一個與傳統儀器面板相似的圖形化界面，用于顯示測量的結果，方便用戶使用鍵盤和鼠標對前面板上的開關和按鈕各種進行操作［6，7］。通過波形顯示控件分別顯示兩個方向磨削力的實時曲線；利用數值顯示控件實現最大值、最小值、峰值等統計數據的顯示。后面板則是整個數據采集、數據處理、波形顯示、數據記錄與回放的軟件程序代碼，控制程序運行的流程。歷史數據回放結果如圖7所示。

2.2 法向切與切向磨削力之間干擾的消除

理想的磨削力測量系統要求在相互垂直的兩個方向中任何一個方向受到力的作用時，另一個方向上不應該有力的輸出。然而實際上由于傳感器加工精度的原因，往往存在一個較小的輸出，這就帶來了交叉干擾，這是影響磨削力測量準確度的一個主要原因，必須采取相應的措施減小各向之間的相互干擾。由于被測力的大小是建立在標定結果基礎上的，因此，這里采用數理統計的方法，對兩項測量傳感器的標定數據進行回歸分析，畫出標定曲線，得出測力傳感器各向的干擾系數，進而根據線性疊加原理，求出剔除干擾后的磨削力準確數據。具體步驟如下：

設切向分力和法向分力的真實值分別為Ft和Fn，測量值分別為Fmt和Fmn，則有如下關系：

式中：系數Ktn表示切向受法向影響的干擾系數，Knt表示法向受切向影響的干擾系數。通過克萊姆法則，可以求出切向力和法向力的真實值：

將這個算法加入到數據處理當中，對測量數據進行補償計算，以得到消除方向間干擾后的相對準確的磨削力數據。本次實驗標定得到的Ktn的值為4 N/V，Knt的值為 2 N/V。

3 實驗及結果

實驗用精密數控外圓磨床B2－K1015，工件材料為45號鋼。采用單一因素法，分別改變轉速、吃刀量、進給量，由本測量系統對該磨床多次進行磨削力測量，記錄測量結果。這里只列出改變進給速度和切削深度測得的磨削力數據，如表1所示。

以上實驗數據為磨削力均值，可以看出該機床在工作過程中磨削力的大小變化比較平穩，說明磨削振動較小，磨削效果良好。

表1 磨削力實驗數據

4 結語

（1）通過合理的布片連橋電路把工件所受的磨削力信號轉變成電信號，并研制出一套數據采集軟硬件系統，實現磨削力數據實時采集與保存、歷史數據讀取等功能，為進一步研究精密磨床加工精度打下了基礎。

（2）建立切向法向之間的干擾方程，在數據處理過程中嵌入解耦算法剔除了兩方向之間的相互干擾。

1 陳文興，劉燕.基于DSP實現機床切削力信號在線監測.微計算機信息，2005，21（4）：94 ～95

2 康文利，伊淑梅.基于LabVIEW的虛擬儀器實現切削力測量.水利電力機械，2004，26（6）：48 ～50

3 陳劍飛等.切削力信息處理系統.機械設計與制造，2005（7）：147～148

4 呂樹濱等.外圓磨床磨削力的測定.機械設計與制造，1996（6）：38～39

5 Dimla SrD.E，Lister P.M.On－line metal cutting tool condition monitoring.International Machine Tools&Manufactrue，2000，40：739 －768

6 王磊，陶梅.精通 LabVIEW 8.0［M］.北京：電子工業出版社，2007.

7 陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通.北京：清華大學出版社，2007.

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Research on Grinding Force Measuring System of High Precision External Grinder

GAO Chao①，DING Qingxin①，MU Donghui②，YI Wei③，LIU Xiaomeng①，ZHANG Xiulan②
（①College of Mechanical and Electronic Engineering，China University of Petroleum（Beijing），Beijing 102249，CHN；②The Beijing Second Machine Tool Factory Co.，Ltd，Beijing 100072，CHN；③Energy Departmeat，Southwest Oil and Gas Branch，CNPC，Chengdu 610500，CHN）

Considering that the traditional method of measuring grinding force is inefficient and low accurate，an efficient and accurate grinding force real－time measuring system is developed.Based on the hardware system containing a pair of self－made centre，a data acquisition board and a signal conditioning module from NI，a real－time DAQ system is established on LabVIEW.An interfering equation is established between tangential and normal component of grinding force and a decoupling algorithm is used to decrease the interference between the two components and it achieves the anticipated goals.

Grinding Force；Force Sensor；Mutual Interference；Virtual Instrument

高超，男，1986年生，碩士。主要研究方向：機電系統控制及其自動化。

（編輯 徐潔蘭） （

2009－07－21）

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