切削温度的测量与控制是切削加工科研和生产中的重要课题,由于其具有实时性和复杂性,一直是一个不易解决的难题,对旋转类刀具或工件的切削温度测量更是如此[1]。目前,对切削温度的研究主要采用实验测量、理论解析和数值计算方法。切削温度的测量方法主要有接触测量法、非接触测量法、间接测量法等几类。接触测量法如刀—工自然热电偶法、人工热电偶法、半人工热电偶法等; 非接触测量法主要有光和热辐射法、图像法等; 间接测量法如金相法、定熔点金属粉末法等[2]。在这些方法中,非接触测量法可以直接测量到刀具或工件面的温度,由于辐射率受表面形貌、温度值和材料特性影响,辐射率是一个多因素变量,因此间接测量法一直仅用于表面温度的宏观描述,难以准确获得各测温点的温度值; 相对而言直接测量法能直接测量切削温度,并具有较高的准确性和可靠性。

自然热电偶法和人工热电偶法是最常用切削温度测量方法[1,2,3,4]。将热电偶应用于车削加工切削温度测量的研究已较多,但对铣削、钻削等旋转类刀具的切削温度测量仍鲜见报道[5,6],原因在于用热电偶测量旋转类对象 ( 如车削加工中高速旋转的工件和铣削加工中的铣刀) 需解决如何把热电偶从旋转测温对象获得的热电势信号引接到静态测温装置的问题。 1965年,华南理工大学张发英[7]研制出一种水银式集流器用在卧式车床上测量刀具—工件界面温度; 近年,全燕鸣课题组先后研制出几种电刷式立式铣床铣削温度测量系统[1,8]。这两种方法从理论上解决了把热电偶从旋转体 ( 铣刀或工件) 采集到的热电势信号引出到静态测温设备的问题,但由于都是通过一旋转轴与一静态面旋转接触的方式实现把热电势信号引接到静态测温装置,这个过程产生较大的附加电势, 影响测量精度。

文中拟提出两种方法来实现把热电偶从旋转体上采集到的热电势信号传输到静态测温设备。一种叫信号暂存法,这种方法把热电偶采集到的热电势信号暂时存储在随铣刀一起旋转的热电势信号采集卡中,等一次切削结束后,再通过有线的方法传输到静态测温设备,这一方法的优点在于信号传输稳定,缺点是被测对象的温度值不能适时显示; 另外一种方法是热电偶无线测温,这一方法通过无线的方式把热电势信号适时传输到测温系统的PC机,并转换为切削温度值适时显示。基于这两种方法制造两套测温系统,并通过系列实验验证热电偶无线测温法的稳定性。

鉴于通过机械 ( 有线) 的方法把热电偶从旋转体上采集到的多点热电势信号引出到静态测温设备存在太多的问题,需要研究出一种更有效的方法来避免这些问题,这里提出两种方法: 信号无线传输法和信号暂存法。

基于暂存法的 “高速旋转类刀具温度场热电偶测温无线传输系统” 的基本原理是: 把热电势信号采集模块 ( 见图1) 固定在铣刀外圆,铣削测温时与铣刀一起旋转,切削开始前利用无线遥控装置启动热电势信号采集模块,此时热电偶采集到的铣刀各测温点的热电势信号经过多路电子开关轮流进入热电势采集模块,在热电势采集模块进行放大、滤波和A/D转换后储存在热电势信号采集模块的存储器内。同理,由热电阻采集到的各热电偶参比端的热电势信号经过多路电子开关轮流进入热电势采集模块,进行放大、滤波和A/D转换后储存在热电势采集模块的存储器内。一次切削测温结束后,热电势采集模块中储存的各点的热电势信号经有线通信线路 ( 232线) 导入PC机的热电势数据库中,最后经过 “热电势信号处理程序 “转换为各测温点的温度值,其原理图见图2,实现流程见图3。

基于暂存法的铣刀温度场热电偶测温无线传输系统的优点在于: 切削过程只是采集、处理和储存温度信号,而不把温度信号实时发射到外部静态装置,在切削结束后再通过信号线 ( 232线) 把热电势采集模块所采集并存储在存储器中的热电势信号导入PC机,这样无需担心切削环境下无线传输的不稳定性问题。缺点在于:( 1) 不能进行在线动态监控;( 2) 存储空间的有限性使得每次切削测温结束后必须把热电势信号导入PC机,这使得作业过程不连续及操作不方便。这种方法应用于旋转类刀具热电偶测温无线不是很方便,但利用它有线通信的稳定性特点来评价无线传输通信的稳定性是可行的。

基于热电势信号无线传输法 ( 蓝牙技术) 实现的热电偶测温无线传输系统的热电势信号采集与发射模块的总体思路和暂存法基本是一样的,热电势信号在PC机中的处理和暂存法完全一样,区别在于热电势采集模块获得的各测温点的热电势数据不是暂时存在存储器内,而是通过无线传输的方式实时发射到静态测温设备 ( PC机) 进行热电势信号处理和储存。 整个系统的结构原理图见图4。

切削环境的复杂性是否会影响蓝牙通信的稳定性,这里通过两个实验来验证: 固定数据连续发射法和暂存法校验热电偶测温蓝牙通信的稳定性实验。

热电偶无线测温系统采用蓝牙协议进行数字信号的传输,该协议传输过程具有校验过程,如果校验出错该数据须重新发射,这样能保证无线接收端接收到的数据与发射端发射的数据一致。切削环境的恶劣性使得蓝牙传输的稳定性特别引人关注和质疑,为校验热电偶无线测温系统采用蓝牙传输的稳定性,校核方案设计如下:

稳定性校核原理: 对无线测温系统的热电势采集与无线发射模块进行特定程序设定,使得系统运行后热电势采集与无线发射模块能够连续、循环地发射出X001 ~ X032的16进制数据。如果在不同切削工艺条件下,无线接收端能够连续、循环地接收到X001 ~ X032的数值,不掉包,则可认为无线测温系统采用蓝牙协议是可行的。

切削工艺: 测温点i处于后刀面上,距离主、副刃各1. 5 mm。其中,工件材料: 45钢; 铣削刀具: 材料高速钢、外径16 mm、长100 mm、4刃; 主轴转速: 50 r/min、310 r/min、500 r/min、710 r/min、 900 r / min; 进给量: 0. 1 mm / r; 轴向背吃 刀量: 8 mm; 径向背吃刀量: 1. 5 mm。

表1为不同切削工艺条件下无线接收端接收到的数据,从表可以明确在不同切削工艺条件下接收端获得的数据连贯,没有出现数据丢失,也没有出现错误数据。实验过程还发现在车间工作环境下,在1 ~10 m范围内数据传输过程是非常稳定的; 10 ~ 12 m后数据传输偶尔会出现不连贯,但不会出现数据丢失; 大于12 m后,基本采集不到数据。这些现象与蓝牙协议的定义是一致的。建议用基于蓝牙协议的热电偶测温无线传输系统进行切削测温时,发射端与接收端之间距离不要超过8 m。

校核原理: 设计一块集无线传输和暂时存储功能为一体的热电势信号热电偶采集与无线发射模块。利用该模块进行铣削温度的测量,把每个热电偶测量到的数据暂时存储在热电偶热电势采集与无线发射模块的存储器中,并适时通过无线模式发射到静态测温装备。在一次切削结束后,把暂时存储在热电势采集模块中的热电势数据通过有线的传输方式导入PC机, 再与无线适时传入PC机的数据进行对比,如果两套数据一致则认为蓝牙无线传输在切削环境下进行信号传输是稳定的。图5为集无线传输和暂时存储功能为一体的热电偶热电势采集与无线发射模块进行车削工件切削温度的测量实物图。

切削工艺: 测温点i处于后刀面上,距离主、副刃各1. 5 mm,槽深0. 5 mm,见图6。其中,工件材料: 45钢; 铣削刀具: 材料高速钢、外径16 mm、 长100 mm、4刃; 主轴转速: 2 000 r/min; 进给量: 0. 1 mm / r; 轴向背吃刀量: 8 mm; 径向背吃刀量: 1. 5 mm。

实验结果表明基于暂存法和无线传输法得到的热电势值在各个测温时间点完全一致,可见蓝牙技术应用在铣削热电偶测温无线传输系统中的热电势信号的无线传输是稳定可靠的。

提出两种方法 ( 信号暂存法、热电偶无线测温) 把热电偶从旋转体采集到的热电势信号引出到静态测温设备。基于这两种方法制作了一套集信号暂存和无线传输功能于一体的测温系统,通过固定数据连续发射实验校验通信的稳定性,并通过暂存法进一步校验热电势信号蓝牙传输的稳定性。结果表明蓝牙技术应用在铣削热电偶测温无线传输系统中信号传输是稳定可靠。