具有多切削状态参数监测功能的减振内孔车刀及监测方法
阅读说明：本技术 具有多切削状态参数监测功能的减振内孔车刀及监测方法 (Vibration reduction inner bore turning tool with multi-cutting-state parameter monitoring function and monitoring method ) 是由 刘强 张海军 高大湧 周强 白峥言 于 2021-07-08 设计创作，主要内容包括：具有多切削状态参数监测功能的减振内孔车刀及监测方法,属于金属切削加工领域,本发明为解决深孔加工采用离线监测存在加工质量和加工效率低的问题。本发明包括内孔车刀和切削状态参数感知系统,所述内孔车刀包括车刀刀片、刀头和刀杆,刀头固定在刀杆的前端,刀头用于装夹车刀刀片,所述切削状态参数感知系统用于采集车刀刀片切削内孔时的振动信号,并根据该振动信号获取车刀刀片的刀尖处振动位移、速度及加速度状态参数。监测方法,该方法包括：通过振动传感器采集刀尖的振动信号并发送至上位机,以获得刀尖x向和z向的多种状态参数。(The invention discloses a vibration reduction inner bore turning tool with a multi-cutting-state parameter monitoring function and a monitoring method, belongs to the field of metal cutting machining, and aims to solve the problems of low machining quality and low machining efficiency in off-line monitoring of deep hole machining. The inner bore turning tool comprises a turning tool blade, a tool bit and a tool bar, wherein the tool bit is fixed at the front end of the tool bar and is used for clamping the turning tool blade, and the cutting state parameter sensing system is used for acquiring a vibration signal generated when the turning tool blade cuts an inner bore and acquiring vibration displacement, speed and acceleration state parameters of the tool point of the turning tool blade according to the vibration signal. A method of monitoring, the method comprising: the vibration sensor is used for acquiring vibration signals of the tool nose and sending the vibration signals to the upper computer so as to obtain various state parameters of the tool nose in the x direction and the z direction.)
技术领域
本发明涉及深孔加工过程对车刀切削状态监测的技术，属于金属切削加工领域。
背景技术
在金属切削加工中，内孔加工约占加工总量的33％。20世纪以前，深孔加工技术多应用于保密的军工领域，且因加工难度大，加工成本高而闻名于整个制造业。进入21世纪后，随着科学技术的飞速发展，深孔类零件在军用、民用领域得到了广泛的应用，其中多涉及关系国防与民生的军、航空航天、能源装备等重大领域，如：炮筒、直升机、舰用燃气轮机深孔类零件的加工都属于大长径比的深孔加工。由于深孔类零件自身结构的特殊性，深孔类零件多为装备中最为关键的零部件，其加工精度和表面质量对整个设备的使用性能与服役寿命均有重大影响，一旦零件存在振纹、微裂纹等加工缺陷将会在军用或民用的使用中造成不可估量的影响。
一般切削内孔的内孔车刀长径比较大，导致加工过程中易发生振动问题，而振动的产生严重影响被加工件的表面精度，同时由于内孔结构空间受限的问题，导致切削过程中加工参数的监测变得异常困难。因此，实际加工中多数选择离线监测的方式，为了保证加工质量，需要多次进行停机检测，这种加工方式通常过于保守，无法发挥机床的性能，甚至造成加工过程的不稳定导致内孔车刀发生振动，极大的降低了加工质量与加工效率。因此，内孔加工过程中切削状态参数的监测对于加工质量和效率具有重要的意义。
发明内容
本发明目的是为了解决深孔加工采用离线监测存在加工质量和加工效率低的问题，提供了一种具有多切削状态参数监测功能的减振内孔车刀及监测方法。
本发明所述具有多切削状态参数监测功能的减振内孔车刀，包括内孔车刀和切削状态参数感知系统，所述内孔车刀包括车刀刀片1、刀头2和刀杆5，刀头2固定在刀杆5的前端，刀头2用于装夹车刀刀片1，所述切削状态参数感知系统用于采集车刀刀片1切削内孔时的振动信号，并根据该振动信号获取车刀刀片1的刀尖处振动位移、速度及加速度状态参数。
优选地，切削状态参数感知系统包括传感单元3、吸振块4、信号采集模块6、信号传输模块7和上位机9，
刀杆5内部靠近刀头2一侧设置有空腔，在所述空腔内部设置有传感单元3和吸振块4，所述吸振块4通过悬臂梁10固定在靠近刀头一侧空腔侧壁上，吸振块4能够在空腔内做悬臂振动，在所述悬臂梁10上设置有传感单元3，所述传感单元3由x向振动传感器3-1和z向振动传感器3-2构成，x向振动传感器3-1和z向振动传感器3-2在悬臂梁同一圆周上成90度角布置，用于感知吸振块4的振动信息，其中x向为竖直方向，z向为水平方向且与悬臂梁轴向垂直；
所述振动信号发送给信号采集模块6，并通过信号传输模块7发送至上位机9，上位机9通过动力学方程计算获得刀尖处振动位移、速度及加速度状态参数。
优选地，切削状态参数感知系统还包括供电模块8，所述供电模块8用于为传感单元3、信号采集模块6和信号传输模块7提供工作所需电能。
优选地，还包括控制壳体，所述控制壳体具有前开口并固定在刀杆5的后端部，所述控制壳体内设置有信号采集模块6、信号传输模块7和供电模块8。
优选地，刀杆5设置有通孔5-1，所述通孔5-1与前端的空腔和后端的后箱体连通，所述通孔5-1用于信号采集模块6与传感单元3之间走线。
本发明还提供另一种技术方案：减振内孔车刀多切削状态参数监测方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、信号采集：x向振动传感器3-1监测获取x向振动加速度ax，z向振动传感器3-2监测获取z向振动加速度az；监测的振动加速度由信号采集模块6采集，并通过信号传输模块7发送至上位机9；
步骤二、上位机9根据x向振动加速度ax获取车刀刀片1的刀尖处x向振动位移δx、速度及加速度状态参数；
步骤三、上位机9根据z向振动加速度az获取车刀刀片1的刀尖处z向振动位移δz、速度及加速度状态参数。
优选地，步骤二的上位机9根据x向振动加速度ax获取车刀刀片1的刀尖处x向振动位移δx具体过程为：
A1、根据接收到的x向振动加速度ax信息获取x向振动频率ω；
A2、吸振块4中点的x向振动位移x2按下式获取：
其中，xl1为x向振动传感器3-1中点的x向振动位移，由x向振动加速度ax二次积分获取；
l1为x向振动传感器3-1中点与悬臂梁10固定端的水平距离；
l2为吸振块4中点与悬臂梁10固定端的水平距离；
A3、建立x向动力学方程：
其中，FAx为内孔车刀x向切削力Fx的幅值，M1为内孔车刀等效质量，K1为内孔车刀刚度，C1为内孔车刀阻尼，m2为吸振块4的质量，k2为悬臂梁10的刚度，c2为悬臂梁10的阻尼；x1为内孔车刀等效位置点的x向振动位移，内孔车刀等效位置点设置在刀杆5空腔中，且在静止状态时与吸振块4中点重合；x2为吸振块4中点的x向振动位移；
A4、根据A3的动力学方程获取内孔车刀x向切削力Fx的幅值FAx：
其中，A2-x为吸振块4中点的x向振动位移x2的振幅；
中间变量a、b、f和g按下式求取：
a＝(K1+k2-M1ω2)(k2-m2ω2)-k2 2-(C1+c2)c2ω2+c2 2ω2，
b＝(K1+k2-M1ω2)c2ω+(k2-m2ω2)(C1+c2)ω+2(K1+k2)c2ω，
f＝k2，
g＝c2ω；；
A5、根据A4的幅值FAx获取内孔车刀x向切削力Fx：
Fx＝FAX sin(ωt)；
A6、根据步骤A5的内孔车刀x向切削力Fx获取车刀刀片1的刀尖处x向振动位移δx：
优选地，获取车刀刀片1的刀尖处x向速度和加速度具体过程为：车刀刀片1的刀尖处x向振动位移δx的一阶导数为车刀刀片1的刀尖处x向速度，车刀刀片1的刀尖处x向振动位移δx的二阶导数为车刀刀片1的刀尖处x向加速度。
优选地，步骤三的上位机9根据z向振动加速度az获取车刀刀片1的刀尖处z向振动位移δz具体过程为：
B1、根据接收到的z向振动加速度az信息获取z向振动频率ω；
B2、吸振块4中点的z向振动位移z2按下式获取：
其中，zl1为z向振动传感器3-1中点的z向振动位移，由z向振动加速度az二次积分获取；
l1-z为z向振动传感器3-1中点与悬臂梁10固定端的水平距离；
l2-z为吸振块4中点与悬臂梁10固定端的水平距离；
B3、建立z向动力学方程：
其中，FCx为内孔车刀z向切削力Fz的幅值，M1为内孔车刀等效质量，K1为内孔车刀刚度，C1为内孔车刀阻尼，m2为吸振块4的质量，k2为悬臂梁10的刚度，c2为悬臂梁10的阻尼；z1为内孔车刀等效位置点的z向振动位移，内孔车刀等效位置点设置在刀杆5空腔中，且在静止状态时与吸振块4中点重合；z2为吸振块4中点的z向振动位移；
B4、根据B3的动力学方程获取内孔车刀z向切削力Fz的幅值FCx：
其中，A2-x为吸振块4中点的z向振动位移z2的振幅；
中间变量a、b、f和g按下式求取：
a＝(K1+k2-M1ω2)(k2-m2ω2)-k2 2-(C1+c2)c2ω2+c2 2ω2，
b＝(K1+k2-M1ω2)c2ω+(k2-m2ω2)(C1+c2)ω+2(K1+k2)c2ω，
f＝k2，
g＝c2ω；
B5、根据B4的幅值FCx获取内孔车刀z向切削力Fz：
Fz＝FCxsin(ωt)；
B6、根据步骤B5的内孔车刀z向切削力Fz获取车刀刀片1的刀尖处z向振动位移δz：
优选地，获取车刀刀片1的刀尖处z向速度和加速度具体过程为：车刀刀片1的刀尖处z向振动位移δz的一阶导数为车刀刀片1的刀尖处z向速度，车刀刀片1的刀尖处z向振动位移δz的二阶导数为车刀刀片1的刀尖处z向加速度。
本发明的有益效果：本发明考虑到具有减振功能的内孔车刀切削过程中由于空间受限，导致切削状态参数在线监测空难的问题，不在待加工孔中设置监测设备，采用在车刀内侧悬臂的吸振块上安装振动传感器的技术方案，并结合动力学方程，可在线监测出切削中多种参数(如刀尖x向、y向、z向三个方向位移；刀尖x向、y向、z向三个方向切削力)，为正确完成深孔切削提供良好的监测手段，能很好的解决了内孔加工遇到的各种问题。
附图说明
图1是本发明所述具有多切削状态参数监测功能的减振内孔车刀的结构示意图；
图2是图1的局部放大图；
图3是x向、z向振动传感器在悬臂梁上分布的轴向示意图；
图4是系统动力学模型；
图5是吸振块及传感单元的安装位置示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1～5说明本实施方式，本实施方式所述具有多切削状态参数监测功能的减振内孔车刀，包括内孔车刀和切削状态参数感知系统，所述内孔车刀包括车刀刀片1、刀头2和刀杆5，刀头2固定在刀杆5的前端，刀头2用于装夹车刀刀片1，所述切削状态参数感知系统用于采集车刀刀片1切削内孔时的振动信号，并根据该振动信号获取车刀刀片1的刀尖处振动位移、速度及加速度状态参数。
切削状态参数感知系统包括传感单元3、吸振块4、信号采集模块6、信号传输模块7和上位机9，
刀杆5内部靠近刀头2一侧设置有空腔，在所述空腔内部设置有传感单元3和吸振块4，所述吸振块4通过悬臂梁10固定在靠近刀头一侧空腔侧壁上，吸振块4能够在空腔内做悬臂振动，在所述悬臂梁10上设置有传感单元3，所述传感单元3由x向振动传感器3-1和z向振动传感器3-2构成，x向振动传感器3-1和z向振动传感器3-2在悬臂梁同一圆周上成90度角布置，用于感知吸振块4的振动信息，其中x向为竖直方向，z向为水平方向且与悬臂梁轴向垂直；
所述振动信号发送给信号采集模块6，并通过信号传输模块7发送至上位机9，上位机9通过动力学方程计算获得刀尖处振动位移、速度及加速度状态参数。
刀杆5设置有通孔5-1，所述通孔5-1与前端的空腔和后端的后箱体连通，所述通孔5-1用于信号采集模块6与传感单元3之间走线。
本实施方式的切削状态参数感知系统采集振动信号，并将其转换为为电压量的模拟信号，电压量的模拟信号经过信号采集模块，又将模拟量的信号转换成数字量信号，并对信号进行放大，放大后的振动信号通过信号传输模块传送到上位机9；经上位机9计算可获取车刀刀片1的刀尖处振动位移、速度及加速度等多状态参数。
直接采集车刀刀片1切削内孔时的振动信号是比较难的，本实施方式采用外置传感器的方式实现，在刀杆5设置空腔，并用悬臂梁10连接吸振块4，在工作时车刀刀片1切削的振动信号会传递至悬臂梁10、吸振块4使其发生匹配的振动，在悬臂梁10上设置x向振动传感器3-1和z向振动传感器3-2来采集车刀刀片1切削的振动信号是可行的手段，这种采集方式解决了内孔空间小不能直接测量的难题。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，切削状态参数感知系统还包括供电模块8，所述供电模块8用于为传感单元3、信号采集模块6和信号传输模块7提供工作所需电能。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，还包括控制壳体，所述控制壳体具有前开口并固定在刀杆5的后端部，所述控制壳体内设置有信号采集模块6、信号传输模块7和供电模块8。
具体实施方式四：本实施方式所述减振内孔车刀多切削状态参数监测方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、信号采集：x向振动传感器3-1监测获取x向振动加速度ax，z向振动传感器3-2监测获取z向振动加速度az；监测的振动加速度由信号采集模块6采集，并通过信号传输模块7发送至上位机9；
参见图2，建立如图坐标系，车刀轴向为y向，上下方向为x向，与车刀刀尖垂直的水平方向是z向，两个振动传感器安装图参见图3所示。
步骤二、上位机9根据x向振动加速度ax获取车刀刀片1的刀尖处x向振动位移δx、速度及加速度状态参数；
步骤三、上位机9根据z向振动加速度az获取车刀刀片1的刀尖处z向振动位移δz、速度及加速度状态参数。
步骤二的上位机9根据x向振动加速度ax获取车刀刀片1的刀尖处x向振动位移δx具体过程为：
A1、根据接收到的x向振动加速度ax信息获取x向振动频率ω；
A2、吸振块4中点的x向振动位移x2按下式获取：
结合图5对式中参数进行说明，xl1为x向振动传感器3-1中点的x向振动位移，由x向振动加速度ax二次积分获取；
l1为x向振动传感器3-1中点与悬臂梁10固定端的水平距离；
l2为吸振块4中点与悬臂梁10固定端的水平距离；
A3、建立x向动力学方程：
其中，FAx为内孔车刀x向切削力Fx的幅值，M1为内孔车刀等效质量，K1为内孔车刀刚度，C1为内孔车刀阻尼，m2为吸振块4的质量，k2为悬臂梁10的刚度，c2为悬臂梁10的阻尼；x1为内孔车刀等效位置点的x向振动位移，内孔车刀等效位置点设置在刀杆5空腔中，且在静止状态时与吸振块4中点重合；x2为吸振块4中点的x向振动位移；
参见图4为等效过程。
A4、根据A3的动力学方程获取内孔车刀x向切削力Fx的幅值FAx：
其中，A2-x为吸振块4中点的x向振动位移x2的振幅；
中间变量a、b、f和g按下式求取：
a＝(K1+k2-M1ω2)(k2-m2ω2)-k2 2-(C1+c2)c2ω2+c2 2ω2，
b＝(K1+k2-M1ω2)c2ω+(k2-m2ω2)(C1+c2)ω+2(K1+k2)c2ω，
f＝k2，
g＝c2ω；
A5、根据A4的幅值FAx获取内孔车刀x向切削力Fx：
Fx＝FAX sin(ωt)；
A6、根据步骤A5的内孔车刀x向切削力Fx获取车刀刀片1的刀尖处x向振动位移δx：
获取车刀刀片1的刀尖处x向速度和加速度具体过程为：车刀刀片1的刀尖处x向振动位移δx的一阶导数为车刀刀片1的刀尖处x向速度，车刀刀片1的刀尖处x向振动位移δx的二阶导数为车刀刀片1的刀尖处x向加速度。
步骤三的上位机9根据z向振动加速度az获取车刀刀片1的刀尖处z向振动位移δz具体过程与步骤二类似，为：
B1、根据接收到的z向振动加速度az信息获取z向振动频率ω；
B2、吸振块4中点的z向振动位移z2按下式获取：
其中，zl1为z向振动传感器3-1中点的z向振动位移，由z向振动加速度az二次积分获取；
l1-z为z向振动传感器3-1中点与悬臂梁10固定端的水平距离；
l2-z为吸振块4中点与悬臂梁10固定端的水平距离；
B3、建立z向动力学方程：
其中，FCx为内孔车刀z向切削力Fz的幅值，M1为内孔车刀等效质量，K1为内孔车刀刚度，C1为内孔车刀阻尼，m2为吸振块4的质量，k2为悬臂梁10的刚度，c2为悬臂梁10的阻尼；z1为内孔车刀等效位置点的z向振动位移，内孔车刀等效位置点设置在刀杆5空腔中，且在静止状态时与吸振块4中点重合；z2为吸振块4中点的z向振动位移；
B4、根据B3的动力学方程获取内孔车刀z向切削力Fz的幅值FCx：
其中，A2-x为吸振块4中点的z向振动位移z2的振幅；
中间变量a、b、f和g按下式求取：
a＝(K1+k2-M1ω2)(k2-m2ω2)-k2 2-(C1+c2)c2ω2+c2 2ω2，
b＝(K1+k2-M1ω2)c2ω+(k2-m2ω2)(C1+c2)ω+2(K1+k2)c2ω，
f＝k2，
g＝c2ω；
B5、根据B4的幅值FCx获取内孔车刀z向切削力Fz：
Fz＝FCxsin(ωt)；
B6、根据步骤B5的内孔车刀z向切削力Fz获取车刀刀片1的刀尖处z向振动位移δz：
获取车刀刀片1的刀尖处z向速度和加速度具体过程为：车刀刀片1的刀尖处z向振动位移δz的一阶导数为车刀刀片1的刀尖处z向速度，车刀刀片1的刀尖处z向振动位移δz的二阶导数为车刀刀片1的刀尖处z向加速度。
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