1、本科毕业论文（20 届）刀具径向磨损测量装置设计所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科毕业论文I摘 要在现代化的制造系统中，为了保障自动化加工设备的安全和加工质量，迫切需要解决加工过程中的监控问题。加工刀具是机械加工过程中最基本的加工要素之一，刀具磨损势必会影响工件的加工表面质量和尺寸精度，严重时甚至会危及机床、工件和人员的安全。另外，由于加工条件的多样性、切削参数的多变性以及刀具磨损等因素使得刀具的状态监测成为整个生产过程监测的重要环节。本设计旨在设计一种接触式的刀具磨损测量装置，通过该装置可直接测得刀具的径向磨损。其中这里刀具主要是
2、大部分车刀。本课题的设计原理是传统表面粗糙度测量仪的工作原理针描法又称触针法。当触针直接在工件被测表面上轻轻划过时，由于被测表面轮廓峰谷起伏，触针将在垂直于被测轮廓表面方向上产生上下移动把这种移动通过千分表转化为其指针的移动幅度或具体的读数，并通过对移动幅度或读数的分析，得出刀具磨损的情况。本课题设计的测量装置结构主要由装夹系统、导轨副、测量系统这三部分，通过联接件和固定件组装在一起。对于设计此测量装置，通过对前人的基础设计方案的分析对比，选取最合理的基础设计方案。在此基础方案上进行创新，对装置的各部分结构进行对比分析，选择最合适的结构，使本设计的装置在测量刀具磨损时，更能体现出优势，使测量结
3、果也更准确。本课题设计的测量装置结构简单，使用方便，成本低，对于实际生产具有很重要的意义。关键词：刀具磨损；测量装置；径向磨损Abstract本科毕业论文IIIn the system of modern manufacture，in order to ensure the safety and machining quality of the automated processing equipment,it is urgem to solve the problem of monitoring. Cutting tool is one of the most important facto
4、rs in the machining process. Tool wear will not only affect the quality and precision of the products，but also may destroy the machine and the workpieees，even endanger workerslives. In addition,due to the diversity of processing conditionsThe variability of cutting parameters and tool wear,it makes
5、the condition monitoring of the cutting tools， become amajor taebe in the entire manufacture processThe project aims to design a tool wear-contact measuring device, through the device can be directly measured radial tool wear. Here the main tool which is most of the turning tools. This design princi
6、ple is the traditional measurement of surface roughness of the working principle - also known as needle depiction of law. When the stylus directly on the gently across the surface of the workpiece under test, because the measured surface profile peak and downs, stylus in the direction perpendicular
7、to the surface of the measured profile up and down. This move by the dial gauge pointer moves into their range or specific reading, and reading through the range of movement or the analysis, the tool wear conditions.Measuring device designed for this project structure is dominated by clamping system
8、s,guide pair,measuring system,through the connection pieces and assembled fixture. For the design of this measuring device, based on previous analysis and comparison of design, select the most reasonable basis for design. On the basis of innovation on the program, all part of the structure of the de
9、vice were compared to select the most appropriate structure, so that the design of the device in the measurement of tool wear, the advantages of the measurement results more accurate.Measuring device designed for this project simple, easy to use, low cost, for the production of very important practi
10、cal significance.Key words： tool wear;measuring device;radial wear本科毕业论文III目 录第 1 章 绪论 .11.1 背景和意义 .11.2 国内外现状 .2第 2 章 基础理论 .42.1 刀具磨损 .42.2 刀具磨损检测 .52.3 机械设计理论 .62.4 测量技术 .8第 3 章 总的基础设计方案 .10第 4 章 装夹系统设计 .134.1 方案设计 .134.1.1 装夹系统方案设计 .134.1.2 方案优化 .13第 5 章 导轨系统设计 .165.1 方案设计 .165.1.1 导轨系统方案设计 .161.
11、直线运动导轨 .165.1.2 方案优化 .175.2 燕尾导轨系统设计 .175.2.1 材料选择 .175.2.2 导轨和滑块设计 .185.2.3 导轨镶条设计 .21第 6 章 测量系统设计 .236.1 测量系统的结构设计 .23总结 .25致谢 .26参考文献 .27附录 1.28本科毕业论文1第 1 章 绪论1.1 背景和意义 在现代化的制造系统中，为了保障高投资自动化加工设备的安全和加工质量，迫切需要解决加工过程中的监控问题。刀具状态变化是机械加工过程中最常见的故障之一。由于加工条件的多样性、切削参数的多变性以及刀具磨损等因素使得刀具的状态监测成为整个生产过程监测的重要环节，刀
12、具状态监测技术是在现代传感器技术、信号处理技术、计算机技术和制造技术基础上发展起来的新兴技术，它对于推动加工过程自动化和无人化发展具有极其重要的作用。刀具磨损在机械加工中是一种普遍存在的现象，刀具的磨损与磨损状态直接影响着机械加工的精度、效率及经济效益，研究刀具磨损可以大大提高机械加工效率，降低加工成本，具有较大的经济效应。刀具磨损的监测是柔性制造系统研究工程的一个重要课题。在金属切削过程中, 刀具的磨损程度直接影响着零件的加工质量、成本和生产率, 是材料加工性研究、刀具耐用度实验、切削数据采集和切削过程优化的最重要的参量之一。长期以来, 人们致力于研究刀具磨损的定量测量技术, 发展了许多直接
13、测量方法, 但无论是从测量的精度还是自动化程度上看, 均无法满足日益发展的加工性研究和自动化生产中在线检测的要求。为此, 我们研制开发了这套刀具磨损图象数字检测系统。该系统以微型计算机为中心, 配以图象传感器和图象捕获器, 能实现对刀具磨损图象的数据采集、图象处理、磨损量测量以及磨损图象的显示等功能。随着高性能 CNC 机床、FMS 以及 C IMS 的广泛应用,机械加工的效率、加工质量有了明显的提高,同时对全自动化生产也提出了更高的要求,操作人机比由原来的一对一发展到现在的一名操作人员操控多台设备的局面。这样,数控机床系统能否自动监测刀具状态,及时了解正在使用的刀具磨损情况,从而根据刀具寿命
14、、磨损量、刀具破裂等形式的刀具故障对刀具工作状态进行监控,并在刀具磨损达到设定磨损量时报警,就显得非常重要。工业统计表明,刀具失效是引起机床故障的首要因素,由此引起的停机时间占数控机床总停机时间的 1 /51 /3。切削加工中,如果刀具磨损不能及时发现,将导致整个加工过程的中断,引起工件报废,甚至整个系统的停止。研究表明,数控机床配备刀具监测系统后可减少 75%的故障停机时间,提高生产率 10% 60% ,提高机床利用率 50%以上。美国 Kennamtal 公司的研究表明,配备刀具监控系统的数控系统,能够节约加工费用达 30%。因此研究开发智能监测技术,防止因刀失效而引起的工件报废、设备损坏
15、并保证机床无故障运行是十分重要的。这样，数控机床系统能否自动监测刀具状态，及时了解正在使用的刀具磨损情况，从而根据刀具寿命、磨损量、刀具破裂等形式的刀具故障对刀具工作状态进行监控，并在刀具磨损达到设定磨损量时报警，就显得非常重要。刀具磨损、破损和崩刃是加工过程中较常出现的问题，这些问题都会影响工件的加工表面质量和尺寸精度，严重时甚至会危及机床、工件和人员的安全，如何及时有效的发现这些问题并给出解决方法，一直以来都是国内外专家学者致力研究的课题。特别是现代机械制造加工工业正朝着自动化高精密加工的方向如火如荼的发展，对各种生产要素和加工条件都有更高更严格的要求，为了保证整个生产过程烦利高效的进行，
16、监测刀具在机械制造加工中的状态，即刀具的工况，自然而然成为举足轻重不容忽视的重要一环。总之，监测刀具在加工过程中的状态，力求做到降低因刀具故障引起的事故发生率，保证加工过程安全高效，避免了巨大的经济损失和人员伤亡；预知刀具工况，在避免类似失修造成的故障，防止过剩维护造成的浪费，提高刀具的利用效率等方面有着重要的意义。本科毕业论文21.2 国内外现状 从上世纪40年代起，人们对刀具磨损状态的监测就有初步的研究，但发展一直很缓慢，直到频谱分析应用于刀具工况监测，这一技术才获得了实质发展。但此时的监测特征比较单一，监测内容比较简单。但是随后，国内外切削工作者在刀具工况监测方面做了大量的研究工作。美国
17、麻省理工学院利用监测原子能放射性的方法进行诊断和监测刀具的磨损情况，日本牧野公司通过主轴负载电流监控器对切削过程的刀具磨损、破损进行实时监测等等。美国、日本、德国及丹麦等国家处于领先地位，并拥有一批成果及专利。国内的多所大学及研究单位也对刀具监控系统进行了一定的研究工作，且有一批产品问世。典型的监控仪有：日本的EMT 1000，CHIP-SSAZ；美国的ATMA，KTA 和Cincinnati的功率监视系统：德国Widia公司研制的Widatronic刀具监测仪；丹麦的HZK系统及中国的DJ-101，DzJ-101和TM-8000等。80年代后期，美国率先研究多传感参数融合的车刀磨损监视系统，
18、利用人工神经网络(ANN)进行多传感参数特征信号并行输入的融合识别。北京航空航天大学也成功研制了基于切削力的刀具破损监测仪。西北工业大学研制了基于声发射技术的刀具破损监测仪。清华大学在深入研究ANN，GMDH等融合识别法基础上开展了声发射和切削振动两种传感信号多特征参数并行输入的“主一从”融合识别车刀与立铣刀磨损及车刀、立铣刀、钻头、丝锥破折损综合监控仪的研究开发和适用化研究，开发了TM-9000型刀具磨破损监控仪。哈尔滨工业大学研制的刀具破损监测仪，通过监测电机功率和声发射信号预报刀具的破损状态。西安交通大学研制了基于切削力监测刀具磨损和破损的刀具磨损、破损实时监测系统。伴随着机械生产自动化
19、和传感技术的发展，刀具磨损状态监测的方法越来越多，综合国内外研究的诸多方法，根据刀具磨损量检测原理的不同，主要分为两种：直接监测方法和间接监测方法。直接法一般只能在刀具不切削时进行，如采用由物镜、光导传像束和CCD照相机组成的光学测量系统能直接测量刀具的后刀面磨损量：采用电视摄像输入装置获取车刀磨损区的图像，提取刀具磨损带、主磨损沟尺寸、副磨损沟尺寸、月牙洼宽度、月牙洼深度和月牙洼中心至切削刃的距离等作为识别刀具磨损的特征，利用模糊模式方法识别刀具磨损，获得了较好的效果；基于马尔可夫随机场理论，建立了工件表面纹理图像的马尔可夫随机场纹理模型，并对工件表面纹理图像的特点进行了分析。在实验数据的基
20、础上，对工件表面纹理图像的特征参数进行提取，提出采用相对距离作为刀具磨损程度的评价指标。指出三阶马尔可夫随机场能比较充分地反映工件表面纹理图像的特征。实验结果表明，基于马尔可夫随机场的工件表面纹理分析方法能够较好地适用于刀具状态监测。应用数学形态学方法对工件表面纹理图像进行分析，间接地实施对刀具磨损状态的监测。工件表面纹理是刀具刀刃状态的映像，刀具锋利时切削出的表面纹理清晰，连续性好；刀刃磨钝时切削出的工件表面纹理紊乱，不连续，有断痕，且不同的加工方式和刀具也会有不同的纹理特征，故可用于刀具磨损状态监测中。但是，直接法有两个明显的缺点：一是要求停机检测，占用生产时间；二是不能检测出加工过程中出
21、现的突然损坏，使其应用受到一定限制。正因如此，间接法已成为国内外学者研究的主流。在刀具状态监测的传感器和信号选择方面:Iwatak和Moriwaki提出了用声发射技术对刀具磨损进行在线监测，Moriwaki在此基础上提出了声发射刀具破损检测方法Kannatey-Asibu和Domfeld从理论上研究了声发射和加工过程参数之间的关系。Lan和Domfledf的研究表明，本科毕业论文3切削力和进给力对刀具磨损具有较高的敏感性。李锡文、李锡文，社润生等人建立了铣刀磨损面和铣削力之间的模型，根据铣刀刀齿渐进磨损过程中切削力信号的变化特点，分析了x和Y方向瞬时切削力、每转平均切削力与刀齿后刀面磨损带面积
22、间模型的时域统计特性。从理论上进一步说明了利用铣削力监测刀具磨损的有效性。文西芹利用磁头型磁致伸缩扭矩传感器进行铣削刀具失效监测，它是基于切削力的监控方法，但它克服了其它力监控方法如应力应变传感器存在的要或多或少地改变机床部件结构等不足，可以实现非接触的在线监控。刘桂杰等人采用电机功率与电流测量法，加工过程中刀具的磨损与切削力有着密切的关系，而电动机功率与电流是切削力的间接反映，可以通过测量机床电功率或电流的变化来监测刀具的工作状态，其主要特点是传感器安装方便，可靠性高，数据处理简单。王忠民研制成功了可用于刀具磨损监测的高灵敏度双叠片式流体声发射传感器，满足自动化加工过程中刀具磨损状态在线自动
23、监测。建立切削力和振动信号与刀具磨损的映射关系预测刀具状态。目前应用最多的就是切削力信号、振动信号和声发射信号。本科毕业论文4第 2 章 基础理论2.1 刀具磨损切削时，刀具的前、后刀面与切屑及已加工表面相接触，产生剧烈摩擦。在接触区内有相当高的温度和压力。因此在前后刀面上都会发生磨损。但它们的磨损情况有各自不同的特点，而且相互影响：1、刀具磨损形式有以下几种： 1、前刀面磨损2、后刀面磨损 3、边界磨损2、刀具磨损的原因由于工件材料、刀具材料种类很多，切削条件变化很大，因此刀具磨损的形式各不相同，其磨损的原因也很复杂。刀具在正常磨损的情况下，其主要原因包括：（1）、机械磨损 （2）、热磨损
24、（3）、化学磨损机械磨损是由工件材料中硬质点的刻划作用引起，而热磨损和化学磨损是由粘结、扩散、腐蚀等引起。3、刀具的磨损过程对切削过程中刀具后刀面磨损量 VB 进行定时(或定切削行程)测量可得刀具磨损过程的典型磨损曲线。刀具磨损过程可分为三个阶段：(1)初期磨损阶段 新刃磨的刀具刚投入使用,后刀面与工件的实际接触而积很小，单位面积上承受的正压力较大，再加上刚刃磨后的后刀面微观凸凹不平，刀具磨损速度很快,此阶段称为刀具的初期磨损阶段。刀具刃磨以后如能用细粒度磨粒的油石对刃磨面进行研磨,可以显著降低刀具的初期磨损量。(2)正常磨损阶段 经过初期磨损后，刀具后刀面与工件的接触面积增大，单位面积上承受
25、的压力逐渐减小，刀具后刀面的微观粗糙表面已经磨平，因此磨损速度变慢，此阶段称为刀具的正常磨损阶段。它是刀具的有效工作阶段。(3)急剧磨损阶段 当刀具磨损量增加到一定限度时，切削力、切削温度将急剧增高，刀具磨损速度加快直至丧失切削能力，此阶段称为急剧磨损阶段。在急剧磨损阶段让刀具本科毕业论文5继续工作是一件得不偿失的事倩，既保证不了加工质量，又加速消耗刀具材料，如出现刀刃崩裂的情况，损失就更大。刀具在进入急剧磨损阶段之前必须更换。 4.刀具的磨钝标准刀具磨损到一定限度就不能继续使用了，这个磨损限度称为刀具的磨钝标准。因为一般刀具的后刀面都会发生磨损，而且测量也较方便，因此国际标准 ISO 统一规
26、定以 12 背吃刀量处后刀面上测量的磨损带宽度 VB 作为刀具的磨钝标准。为避免直接检测给生产带来的不便，常根据切削中的一些现象来判断是否达到磨钝标准。制订刀具的磨钝标准时，既要考虑充分发挥刀具的切削能力，又要考虑保证工件的加工质量。精加工时磨钝标准取较小值，粗加工时取较大值；工艺系统刚性差时，磨钝标准取较小值；切削难加工材料时，磨钝标准也要取较小值。国际标准 ISO 推荐硬质合金车刀刀具寿命试验的磨钝标准，有下列三种可供选择：（1）VB03mm；（2）如果主后刀面为无规则磨损，取 VB max=06mm；（3）前刀面磨损量 KT（00603f）mm。5.刀具寿命的定义一把新刀（或重新刃磨后的
27、刀具）自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止所经历的实际切削时间，称为刀具寿命，用 T 表示。一把新刀往往要经过多次重磨，才会报废，刀具寿命指的是两次刃磨之间所经历的切削时间。而对其从第一次投入使用直至完全报废（经刃磨后也不可再用）时所经历的时间，叫做刀具总寿命。刀具寿命与刀具总寿命是不同的概念。2.2 刀具磨损检测破损是突然发刀具磨损是逐步发生的, 较易预测, 而要监测刀具的破损则较困难, 这是由于刀具的生的。所以需要具有以下性能的传感器和监测系统:1、能发出清晰可靠的信号2、能灵敏地反映刀具逐渐磨损的情况3、对刀具破损能作出迅速响应, 响应时间不超过千分之一秒4、能灵活地用于不同的加工工序5
28、、不干涉切削过程6、可以在车间环境下使用, 成本低、安全可靠7、并能提供与机床控制系统相联接的信号。刀具磨、破损的实时监测是计算机与传感技术的综合。目前, 监测方法根据切削加工过程和传感器类型一般可分为直接法和间接法两大类。直接法是直接检测刀刃的形状、位置等参量, 一般只能离线测量。例如：（1）监测刀具的切削刃是否已磨损（2）监测刀具的切削刃的位置。间接法是间接测量正在切削状态中的某些参数, 将它与给出的正式切削参数进行比较, 从而推断出刀具是否已磨损或者刀具就要发生破损的先兆, 达到监测目的。许多可测量的参数能够指出刀具磨损或破损 例如：（1）切削力 切削力的突然增加或消失,表明切削已破坏
29、（2）切削温度 温度的突然升高或降低也可表征刀具已磨损或破损 （3）主轴功率或扭矩 和进给驱动力的增加或降低 （4）切削时刀具发出的异常声音 （5）工件尺寸的突然变化 （6）工件表面本科毕业论文6粗糙度的变化(工件刀具之间电阻值的变化)间接法可以有以上多种检测参量, 但考虑到信号获取方式、灵敏度、抗干扰性及使用条件的限制, 目前在实际生产中较常见的是切削力、主电机负荷及声发射信号监测法直接监测法1、 直接测量刀具表面磨损此法优点是直观性强, 准确、可靠。但大部分只能在切削完毕后, 把刀具移到固定位置进行观察。当出现刀瘤或其他沉积物时, 分析损耗部位就会有困难。此外, 光反射不适于刀具破损的检测
30、, 并且受刀具材料不同及测量环境亮度变化的影响也较大。另外不能进行动态测量, 只能在两次切削之间进行静态测量。2、 利用放射性监测刀具磨损在应用此法时, 在大多数情况下会使刀具带有放射性, 并要把切屑收集起来, 以便对放射能量集扫进行计量间接监测法1、切削力变化的监测方法切削力变化是切削过程中与刀具磨、破损状态最为密切相关的一种物理现象。采用切削力作为检测信号, 具有拾取信号容易, 反应迅速、灵敏等优点, 是在线实时法中研究较多、很有希望突破的一种方法, 所以是加工中心和FMS中测量刀具破损的常用方法之一。2、切削功率(或扭矩) 变化和波形的监测方法此法的主要缺点是, 在应用于监测刀具磨损、破
31、损时, 由于切削条件变化设置阑值较困难, 其反应是灵敏度不太高。在小尺寸刀具或切削用量较小时, 电机功耗变化不明显, 一般仅适合于粗加工场合。3、工件尺寸变化的监测方法4、切削温度变化的监测方法5、测量刀具与工件接触处电阻的方法6、测量不同振动频率的监测方法7、声发射法监测刀具8、工件表面粗糙度变化的监测方法由于切削过程的复杂性，影响切削力的因素很多，所以较难建立精确而完善的切削力模型；即使建立了较完善的切削力模型，切削用量的改变引起的切削分力的变化很难与由刀具破损或磨损引起的切削分力的变化区分开；另外，在安装测力装置时需要改装机床结构，使调整和维修很不方便，不利于该方法在生产实际中推广。而切削噪声监测法目前实际使用的监控系统还很少。其中一个重要原因就是采用声音检测法难以在实际的加工车间实行，因为车间的环境噪声通常在90 dB 左右，此外信号的实时处理技术以及特征提取方法尚有待进一步研究2.3 机械设计理论机械设计是一门通过设计新产品或者改进老产品来满足人类需求的应用技术科学。它涉及工程技术的各个领域，主要研究产品的尺寸、形状和详细结构的基本构思，还要研究产品在制造、销售和使用等方面的问题。一台机器的整体结构是由若干个部件组成的，每一个部件又是由若干个零件组成的。机
