銑削熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)參比端溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償

摘要:對(duì)銑削測(cè)溫過(guò)程熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)的熱電勢(shì)采集模塊熱電偶參比端進(jìn)行測(cè)溫,發(fā)現(xiàn)切削測(cè)溫過(guò)程參比端溫度具有動(dòng)態(tài)變化的特征,用熱電阻來(lái)動(dòng)態(tài)采集熱電勢(shì)采集模塊熱電偶參比端的溫度,并結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)參比端溫度的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)切削測(cè)溫點(diǎn)溫度的測(cè)量.測(cè)溫對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明基于數(shù)據(jù)庫(kù)和熱電阻的熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)參比端溫度的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償.
       切削熱(溫度)是用來(lái)表征、評(píng)價(jià)刀具或工件材料切削特征的常用物理量之一.在進(jìn)行非旋轉(zhuǎn)類(lèi)刀具的切削熱研究時(shí)，熱電偶是常見(jiàn)的測(cè)溫工具.然而對(duì)旋轉(zhuǎn)類(lèi)刀具(如銑刀),主要有紅外測(cè)溫和加強(qiáng)光CCD等非接觸式技術(shù)，這些技術(shù)僅能從宏觀上描述溫度場(chǎng)的分布，測(cè)量誤差較大[5-6).能方便地實(shí)現(xiàn)銑削溫度的測(cè)量--直是刀具研究領(lǐng)域的一項(xiàng)急待解決的基礎(chǔ)問(wèn)題.雖介紹了多種應(yīng)用于銑削測(cè)溫的熱電偶有線測(cè)溫方法,但用有線的方法把被測(cè)對(duì)象的熱電勢(shì)信號(hào)引出到靜態(tài)測(cè)設(shè)備,在信號(hào)引出過(guò)程容易發(fā)生附加熱電勢(shì),并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性差.
       本文首先對(duì)熱電偶無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的熱電勢(shì)采集模塊上熱電偶參比端的溫度進(jìn)行測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，針對(duì)切削測(cè)溫過(guò)程熱電偶參比端溫度具有動(dòng)態(tài)變化的特征,提出用熱電阻來(lái)動(dòng)態(tài)采集熱電勢(shì)采集模塊熱電偶參比端的溫度,最后結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)參比端溫度的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)對(duì)切削測(cè)溫點(diǎn)溫度的測(cè)量.
1熱電偶法參比端溫度精確補(bǔ)償
       測(cè)溫?zé)犭娕荚诨芈分挟a(chǎn)生電勢(shì)

       式(1)中,ƒ(t)為測(cè)量端溫度t時(shí)的函數(shù),ƒ(t0)為參.比端溫度t0時(shí)的函數(shù).熱電偶分度表中的熱電勢(shì)值都是在參比端溫度為0(℃)的情況下給出的,實(shí)際工程中參比端的溫度不為0(0℃)就必須得:

       式(2)中，E.(t,o)為熱電偶測(cè)量端溫度為t及參比端溫度為0℃時(shí)的熱電勢(shì);E(t,o)為熱電偶的測(cè)量端溫度為t和參比端溫度為t0時(shí)的熱電勢(shì);E.(t0,o)為熱電偶的測(cè)量端溫度為t0時(shí)所應(yīng)加的校正值.因此,只要知道熱電偶參比端的溫度t0,就可以從分度表查出t0對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)E.(t0,o),將這個(gè)值與E.(t,t0)相加得到E(t,t0),再?gòu)姆侄缺聿榈肊(t,0)對(duì)應(yīng)的溫度值.
       用熱電偶銑削測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行銑削溫度的測(cè)量時(shí)，其熱電勢(shì)采集模塊參比端溫度為恒值還是變值?如果為變值則需進(jìn)行熱電偶參比端溫度的動(dòng)態(tài)測(cè)定和補(bǔ)償.
2基于數(shù)據(jù)庫(kù)和熱電阻實(shí)現(xiàn)參比端溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償
2.1.測(cè)量熱電偶參比端溫度
       把熱電偶無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的熱電勢(shì)采集模塊套在距離刀頭50mm處的銑刀外圓.熱電阻用焊錫固定在熱電偶無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的熱電勢(shì)采集模塊的熱電偶參比端(見(jiàn)圖1),進(jìn)行切削并測(cè)量熱電偶無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng)的熱電勢(shì)采集模塊熱電偶參比端的溫度值,獲得的溫度曲線如圖2,切削參數(shù):工件材料:45鋼;淬火硬度(HBS):187;強(qiáng)度(GPa):0.637;銑削刀具:高速鋼，φ16x100,4刃;機(jī)床型號(hào):HYM600A數(shù)控銑床;主軸轉(zhuǎn)速n/(r·min0^-1'):1000,1200;進(jìn)給量ƒ/(mm.r^-1):0.1;軸向背吃刀量αpa:/mm:8;徑向背吃刀量αpt/mm:1.5.

       從圖2可知,銑削過(guò)程熱電勢(shì)采集與無(wú)線發(fā)射模熱電偶參比端的溫升達(dá)10℃以上,隨切削參數(shù)增大上升幅度還有增大的可能,因此對(duì)參比端的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償就顯得非常重要.產(chǎn)生溫升的原因在于:1)環(huán)境溫度影響參比端的溫度;2)熱電勢(shì)采集與無(wú)線發(fā)射模塊套在銑刀外圍,銑刀上的熱量會(huì)傳人熱電勢(shì)采集與無(wú)線發(fā)射模塊;3)切削過(guò)程大量的切削熱散入空氣,熱電勢(shì)采集與無(wú)線發(fā)射模距切削區(qū)很近,熱空氣會(huì)影響熱電勢(shì)采集與無(wú)線發(fā)射模塊參比端的溫度.諸多因素使得熱電勢(shì)采集與無(wú)線發(fā)射模塊參比端的溫度在切削過(guò)程發(fā)生明顯變化.為此進(jìn)行參比端溫度的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償是非常必要的.
2.2基于數(shù)據(jù)庫(kù)和熱電阻實(shí)現(xiàn)參比端溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償
       圖3為熱電偶參比端的溫度動(dòng)態(tài)變化時(shí),基于數(shù)據(jù)庫(kù)和熱電阻實(shí)現(xiàn)參比端溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)脑韴D.測(cè)溫點(diǎn)的熱電偶獲得E（t,t0）值，由于熱電偶參比端的溫度是動(dòng)態(tài)變化的,而熱電阻測(cè)溫不存在參比端溫度補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，因此用熱電阻來(lái)測(cè)量熱電偶參比端的熱Rt0.E（t,t0）和Rt0經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)值信號(hào),再經(jīng)無(wú)線發(fā)射和無(wú)線接受裝置把數(shù)值傳輸?shù)絇C機(jī),并分別儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫(kù)E（t,t0）和Rt0數(shù)據(jù)庫(kù).從在PC機(jī)建立的熱電阻分度表數(shù)據(jù)庫(kù)和熱電偶分度表數(shù)據(jù)庫(kù).查熱電阻分度表數(shù)據(jù)庫(kù)得到Rt0對(duì)應(yīng)的溫度值t0.由值to查熱電偶分度表數(shù)據(jù)庫(kù),得到參比端的溫度值t0對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)E（t0,t）.E（t0,t）與E（t,t0）相加就得到E（t,0）由E（t,0）查熱電偶分度表數(shù)據(jù)庫(kù)，得到測(cè)溫點(diǎn)的溫度t.

3參比端溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果驗(yàn)證
       實(shí)驗(yàn)原理:由式(1)知,用參比端0℃恒溫器法解決參比端溫度補(bǔ)償時(shí),系統(tǒng)誤差為零.因此,分別用參比端0℃恒溫器法和上文討論的參比端溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法實(shí)現(xiàn)的熱電偶有線測(cè)溫系統(tǒng)(這兩套測(cè)溫系統(tǒng)除參比端補(bǔ)償方法不同,其他部分都一致)同時(shí)測(cè)量燒杯中水的溫度.對(duì)比測(cè)量結(jié)果,如果結(jié)果--致,則參比端溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法能有效實(shí)現(xiàn)參比端溫度補(bǔ)償.之所以采用有線的方法,是因?yàn)榘褵犭妱?shì)采集模塊置于恒溫器內(nèi),恒溫器會(huì)對(duì)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行屏蔽.
       主要實(shí)驗(yàn)儀器:容積為2升的燒杯--只;基于參比端0℃恒溫器法實(shí)現(xiàn)的自制熱電偶有線測(cè)溫系統(tǒng)1套;基于參比端溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法實(shí)現(xiàn)的自制熱電偶有線測(cè)溫系統(tǒng)1套;0℃恒溫冰箱2臺(tái),精度0.01;鉑熱電阻1套;鎳鉻-鎳硅熱電偶2套;PC機(jī)2臺(tái);固定熱電偶的銅塊1塊;支撐銅塊的支架-個(gè).
實(shí)驗(yàn)步驟:
1)在PC機(jī)1中建立熱電偶熱電勢(shì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)E(t.to)和熱電阻信號(hào)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)Rt。;
2)把熱電偶1和熱電阻與基于參比端溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法實(shí)現(xiàn)的自制熱電偶有線測(cè)溫系統(tǒng)接好，并使該熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)與PC機(jī)1正常通信,熱電偶1測(cè)溫端固定在銅環(huán)上,熱電偶金屬部分懸浮在水中不與燒杯壁和銅環(huán)接觸,確保熱電偶測(cè)量到的溫度為水的溫度.把該套測(cè)溫系統(tǒng)的熱電勢(shì)采集模塊置于溫度保持0℃的恒溫器1內(nèi),0.5h后進(jìn)行第4步;
3)把熱電偶2與基于參比端0℃恒溫器法實(shí)現(xiàn)的自制熱電偶有線測(cè)溫系統(tǒng)接好,并使該熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)與PC機(jī)2正常通信,同樣把熱電偶2固定在銅環(huán).上,熱電偶金屬部分懸浮在水中.把該套測(cè)溫系統(tǒng)的熱電勢(shì)采集模塊置于恒溫器2內(nèi),并使溫度保持0℃,0.5h后進(jìn)行第4步;
4)燒杯中水加熱致沸騰,關(guān)閉恒溫器1,并打開(kāi)恒溫器門(mén)，制造一種參比端動(dòng)態(tài)變化的測(cè)溫環(huán)境，同時(shí)啟動(dòng)兩套測(cè)溫系統(tǒng)開(kāi)始測(cè)溫,測(cè)溫時(shí)間為1800s,采集周期90s.表1為采集到的各種信號(hào)及信號(hào)處理結(jié)果.

       由表1知,恒溫器1關(guān)閉并打開(kāi)箱門(mén)后自制熱電偶有線測(cè)溫系統(tǒng)熱電偶參比端溫度會(huì)逐漸上升,即動(dòng)態(tài)變化;各同一測(cè)溫時(shí)刻，兩套系統(tǒng)獲得的溫度值差不超過(guò)0.2℃;參比端0℃恒溫器法測(cè)溫獲得的平均沸水溫度`T1與參比端溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法獲得的平均沸水溫度`T2幾乎一致(0.01℃),可見(jiàn)基于數(shù)據(jù)庫(kù)和熱電阻實(shí)現(xiàn)參比端溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償能對(duì)參比端溫度實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償.
4結(jié)論
       對(duì)銑削過(guò)程用于切削測(cè)溫的熱電勢(shì)采集與無(wú)線發(fā)射模塊熱電偶參比端的溫升達(dá)10(℃)以上,用熱電偶測(cè)溫時(shí)候必須進(jìn)行參比端溫度的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償;各同一測(cè)溫時(shí)刻,兩套系統(tǒng)獲得的溫度值差不超過(guò)0.2℃,參比端0℃恒溫器法測(cè)溫獲得的平均沸水.溫度`T1與參比端溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法獲得的平均沸水溫度`T2幾乎--致(0.01℃),基于數(shù)據(jù)庫(kù)和熱電阻能實(shí)現(xiàn)參比端溫度動(dòng)態(tài)補(bǔ)償能對(duì)參比端溫度實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償.