[发明专利]一种三维动态磨削力检测装置及其解耦算法

说明书

本发明公开了一种三维动态磨削力检测装置及其解耦算法，主要解决了现有电阻应变式磨削测力仪固有频率低、可测动态力范围窄，压电式磨削测力仪制造复杂、价格昂贵、无法检测静态力，多元线性回归解耦算法对检测装置线性度依赖度高，解耦效果不稳定等问题。该三维动态磨削力检测装置主要由底座、立柱、支座、弹性薄板组、上盖板和电阻应变片组组成。待加工工件通过螺纹连接安装在上表面平台上，磨削加工时，磨削力作用在工件上，通过上表面平台传递到立柱，引起立柱产生相应变形，并传递到与其并联安装的三组弹性薄板，三组弹性薄板各组之间安装位姿两两垂直，引起粘贴在弹性薄板上的三组电阻应变片产生相应电阻值变化量，并经过信号调理与采集，传递到PC机，实现了三维动态磨削力的检测。该解耦算法采用BP神经网络作为解耦模型，并通过遗传算法对其初始权值和阀值参数进行优化，得到最优解耦模型，实现三维磨削力信号的高精度解耦。本发明结构设计巧妙，固有频率高，可测动态力范围广，同时可测量静态力，向问耦合程度低，制造简单，大大降低了三维动态磨削力检测装置的制造难度和生产成本，同时解耦算法收敛快、精度高、可靠性高，具有较好的实用和推广价值。

技术领域

本发明属于机械加工测试技术领域，涉及的是精密零件磨削加工过程中三维动态磨削力的检测装置和解耦算法。

背景技术

磨削作为精密零件加工过程中不可或缺的加工方法，其加工精度将直接地影响工件表面质量和使用性能。磨削力作为影响磨削加工精度和效率的重要因素，如何对其进行精确测量，进而实现在线磨削力实时控制，成为提高磨削加工精度和质效的重要保证。国内外目前主要采用以下装置和方法进行三维动态磨削力的检测和解耦：

1.电阻应变式磨削测力仪，采用八角圆环、薄壁圆筒、十字筋等机械结构作为弹性元件，在磨削力的作用才产生变形，通过贴于其表面上的电阻应变片，将变形量转化为电压输出，实现磨削力的检测。

2.压电式磨削测力仪，采用整体式机械结构，压电石英晶体作为力电转换元件，磨削力作用在整体式机械结构上表面，机械结构产生未变形，将磨削力传递到石英晶体，石英晶体在外力作用下产生电荷输出，实现磨削力的检测。

3.三维动态磨削力解耦目前大多采用基于最小二乘拟合的多元线性回归解耦算法。

上述应变式及压电式磨削测力仪的主要问题是：

1.八角圆环、薄壁圆筒和十字筋等机械结构作为弹性元件，为了保证在磨削力作用下产生足够的变形量，导致其刚度无法提高，测力仪整体固有频率过低，往往在几十赫兹，可检测动态力的频率范围狭窄，无法满足复杂曲面精密磨削过程中高动态磨削力的检测要求。

2.压电式磨削测力仪制造过程需要对石英晶体进行精确切型，且晶体与机械结构装配过程技术要求高，国外成熟的压电式磨削测力仪售价高昂，给用户造成了巨大的经济负担，另外压电式磨削测力仪不能检测静态力和静态力矩。

3.多元线性回归解耦算法对测力仪标定数据采用线性拟合进行处理，但实际测力仪的标定数据不可能是严格线性的，测力仪线性度的好坏将严重影响拟合误差，因此多元线性回归解耦算法对测力仪线性度依赖性大，导致解耦效果极不稳定。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，设计一种可以同时保证高灵敏度与高固有频率的、制造简单、低成本的电阻应变式三维动态磨削力检测装置及高精度、高可靠性解耦算法。

为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案如下：