本文關(guān)鍵詞： 高速銑削 刀具溫度場建模 實時在線測溫 熱電偶 無線傳輸　出處：《哈爾濱理工大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：在機(jī)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(dǎo)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(shù)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(shù)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(jìn)行連續(xù)單點溫度測量,又不改變主軸結(jié)構(gòu),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(dǎo)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(jìn)后的刀柄內(nèi)的下位機(jī),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(jī)進(jìn)行處理,實現(xiàn)高速切削中刀具定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(chǔ)上,通過系統(tǒng)分析提出具體性能指標(biāo)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(xué)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(xué)模型和仿真結(jié)果,分析切削熱的產(chǎn)生及其導(dǎo)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(gòu)優(yōu)化設(shè)計、切削實驗設(shè)計等,提供理論依據(jù)。針對成熟可靠的熱電偶測溫方法,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(jī)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(yù)埋槽內(nèi),在不破壞原有刀具強(qiáng)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(jī)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(jìn)刀柄結(jié)構(gòu)提供下位機(jī)安置空間,同時符合其原有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),實現(xiàn)熱電偶與下位機(jī)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(jī)對溫度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分組、打包和發(fā)送,由上位機(jī)對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯、組合和處理,形成改進(jìn)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(luò)、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換和冷端補(bǔ)償所構(gòu)成的環(huán)節(jié),建立其數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行靜態(tài)特性和動態(tài)特性分析;利用仿真軟件進(jìn)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(xué)模型,按照溫度信號傳遞路徑,進(jìn)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(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸測試實驗,驗證在經(jīng)過改進(jìn)UDP協(xié)議處理之后,上位機(jī)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(biāo)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(jìn)行高速立銑刀具定點切削溫度實時在線連續(xù)測量實驗,對測溫系統(tǒng)進(jìn)行實驗驗證。
[Abstract]:In the machining process, cutting temperature and cutting heat generated directly affects the tool wear and life, but also affects the machining quality and the surface quality of the workpiece. The on-line measurement of cutting temperature has important significance for the study of less reduction caused by cutting heat cutting tool wear and life. Especially for the cutting tool in the process of using real-time online measurement technology can monitor the temperature of the cutting tool temperature changes, providing a powerful guarantee for the safety in production, to provide technical support for the quality of products. At present, in the process of cutting the online measurement method can not solve real-time high-speed cutting tool point temperature continuous measurement. Therefore, the research of both can be a continuous single point temperature measurement, but also can not change the spindle structure, and method can obtain the temperature data in real time. It is very necessary to research cutting To reduce the heat caused by cutting tool wear, cutting temperature monitoring cutting process has important significance to ensure the safety and quality of processing processing for high speed cutting process, this paper adopted thermocouple temperature measurement method, the welding methods tool face the maximum temperature point fixed thermocouple in the tool after heading, the thermocouple tail line introduction the machine is placed on the improved handle in the temperature measurement data sent by the wireless transmission mode, the router will use wireless temperature measurement data is sent to the host computer for processing, high speed cutting tool point temperature real-time online continuous measurement. In this paper, the overall design of the system, through the analysis of the system put forward specific performance requirements the index, carried out in-depth theoretical and experimental research. According to the characteristics of high speed milling cutter, temperature field is established by the mathematical method of heat source The model, the temperature field distribution of mills using finite element simulation software. According to the mathematical model and simulation results, and cause analysis of heating heat cutting tool, in order to determine the highest temperature point position, provide a basis to determine the vertical temperature fixed point cutter, also for structure optimization design of the cutter, cutting experiment design, provide a theoretical basis for thermocouple is mature and reliable, the research and implementation of the installation method and tool thermocouple measured by capacitance, welding thermocouple will be heading weld adjacent the main cutting edge in the flank of the embedded groove, the tool does not destroy the original strength and temperature field under the premise the tool temperature field point temperature real-time continuous perception; the research and implementation of thermocouple tail line extraction and machine installation method, the thermocouple tail line through the tool cooling hole leads to The knife handle, provide machine tool structure and improve the placement space, with its original technical standards, implementation of thermocouple and lower machine fixed position relative to the mounting line; the research and implementation of high speed data sampling method, the thermocouple output thermal potential while introducing two small analog to digital converter through dual channel parallel time interleaved sampling method sampling the rate doubled, to achieve high-speed data sampling; research and implementation of high speed and high reliable wireless data transmission method, using the existing UDP protocol, the introduction of targeted supervision and supervision of the matrix, temperature measurement data are grouped by machine, packing and delivery, to receive data for error correction by the host computer, and combined treatment a modified UDP protocol, eliminating the original data reordering and packet error phenomenon, high speed and high reliability of wireless data transmission. In this system, the RC network model A quasi digital conversion and cold end compensation links, establish its mathematical model and analysis of static and dynamic characteristics; the characteristics of simulation using simulation software, the highest frequency gives the system time constant and amplitude loss at 0.1%; according to the established mathematical model, according to the temperature signal transmission path of uncertainty analysis this system range and measurement precision for high speed milling cutting tool developed by the fixed-point temperature real-time online continuous measurement device, wireless data transmission test, verification in the improved UDP protocol after receiving PC data without error packets without reordering, with high-speed transmission characteristics; the precise temperature calibration furnace complete calibration of temperature measurement system, temperature measurement system are static measurement error; the temperature measurement system of high speed milling cutter cutting temperature in real-time fixed line continuous measurement Experiments are carried out to verify the temperature measurement system.

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG71

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本文編號：1458502