三向切削力測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三向切削力測量裝置，旨在克服現(xiàn)有切削力測量裝置在各個方向之間相互干擾和貼片位置不精確的問題。三向切削力測量裝置包括八角環(huán)刀架（1）、車刀（2）、Z軸位移傳感器（3）、Y軸位移傳感器（4）、X軸位移傳感器（5）與刀桿（7）。車刀（2）利用螺釘固定在刀桿（7）左端的刀槽內，刀桿（7）右端固定在八角環(huán)刀架（1）的矩形凹槽內，Z軸位移傳感器（3）、Y軸位移傳感器（4）與X軸位移傳感器（5）由上至下地依次固定在八角環(huán)刀架（1）上的Z傳感器通孔、Y傳感器通孔與X傳感器通孔內。Z軸位移傳感器（3）、Y軸位移傳感器（4）與X軸位移傳感器（5）的回轉軸線平行。并同處八角環(huán)刀架（1）的對稱面M內。
【專利說明】三向切削力測量裝置【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種車削加工過程中切削力測量裝置，更具體地說，它涉及一種三個獨立方向的三向切削力測量裝置。
【背景技術】
[0002]在切削加工中，切削力是一個非常重要的參數(shù)。切削力信號含有豐富的刀具磨損信息，它反映刀具的磨損情況最為直接，與刀具磨損的相關性好，信號處理的實時性強，因此可利用它作為特征量來實時在線監(jiān)測刀具的磨損情況。切削力還是設計和合理使用機床、刀具、夾具的重要依據(jù)。
[0003]目前，用于測量車削力最常見的裝置是八角環(huán)電阻應變片式測力儀，其結構簡單、制造容易、成本低廉，可以進行多個方向上分力的測量，所以得到了廣泛的應用。八角環(huán)電阻應變片式測力儀根據(jù)單個八角環(huán)受力變形規(guī)律制作而成，同時對其進行了簡化，做成雙層八角環(huán)結構，但由于單個八角環(huán)和實際測力儀上的耳環(huán)的變形規(guī)律有一定的差異，所以八角環(huán)上的理論貼片位置并不一定就是測力儀耳環(huán)上的對應位置，測力儀的測量精度就不高，被測的各個分力之間的相互影響較大。另外電阻應變片的一致性很難保證，應變片的粘貼固定也相當繁瑣，成功率和一致性很難保證，同時存在零點漂移問題、蠕變問題、現(xiàn)行修正和標定問題。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術問題是克服了現(xiàn)有切削力測量裝置在各個方向之間相互干擾和貼片位置不精確的問題，提供了一種三向切削力測量裝置。
[0005]為解決上述技術問題，本發(fā)明是采用如下技術方案實現(xiàn)的:所述的三向切削力測量裝置包括八角環(huán)刀架、車刀、Z軸位移傳感器、Y軸位移傳感器、X軸位移傳感器與刀桿。
[0006]車刀利用螺釘固定在刀桿左端的刀槽內，刀桿右端固定在八角環(huán)刀架上的凹槽內，Z軸位移傳感器、Y軸位移傳感器與X軸位移傳感器由上至下地依次固定在八角環(huán)刀架上的三個傳感器通孔內。
[0007]技術方案中所述的八角環(huán)刀架為一個多棱柱式等橫截面的左右對稱的空心殼體件，八角環(huán)刀架的前半部分為前端，八角環(huán)刀架的后半部分為固定端，前端與固定端連成一體，八角環(huán)刀架即前端與固定端的左右端設置有對稱地圓柱形通孔，兩圓柱形通孔由一個長方體形通孔連通，兩圓柱形通孔的左右側壁上設置有和兩圓柱形通孔連通的矩形通孔，前端的前端面上設置有安裝刀桿的凹槽，固定端的前端面上由上至下地設置有三個安裝Z軸位移傳感器、Y軸位移傳感器與X軸位移傳感器的傳感器通孔即Z傳感器通孔、Y傳感器通孔與X傳感器通孔。
[0008]技術方案中所述的矩形凹槽位于八角環(huán)刀架的前端的幾何中心處。
[0009]技術方案中所述的Z傳感器通孔、Y傳感器通孔與X傳感器通孔的回轉軸線相互平行，并同處于八角環(huán)刀架的左右對稱面M上，Y傳感器通孔的回轉軸線處于八角環(huán)刀架的中性層即中性面N內。
[0010]技術方案中所述的Z軸位移傳感器、Y軸位移傳感器與X軸位移傳感器的回轉軸線相互平行，并同處于八角環(huán)刀架的左右對稱面M內，對稱面M為八角環(huán)刀架幾何對稱面即YOZ平面；Y軸位移傳感器的回轉軸線位于八角環(huán)刀架的中性面N內，中性面N平行于XOY面，且經(jīng)過八角環(huán)刀架的中性層。
[0011]技術方案中所述的Z軸位移傳感器位于中性面N的上方，X軸位移傳感器位于中性面N的下方。
[0012]技術方案中所述的車刀的刀尖位于八角環(huán)刀架的左右對稱面M內，即車刀的刀尖位于YOZ平面內。
[0013]與現(xiàn)有技術相比本發(fā)明的有益效果是:
[0014]1.本發(fā)明所述的三向切削力測量裝置不同于以往的測量裝置，本發(fā)明是提出了一種利用電容式位移傳感器測量切削力的裝置，避免了因電阻應變片貼片位置不精確產(chǎn)生的誤差及維間干擾，提高了測量精度，實現(xiàn)了維間解耦；
[0015]2.本發(fā)明所述的三向切削力測量裝置結構簡單，使用方便。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的說明:
[0017]圖1為車削加工過程中刀尖受力的軸測投影圖；
[0018]圖2為本發(fā)明所述的三向切削力測量裝置結構組成的軸測投影圖；
[0019]圖3為本發(fā)明所述的三向切削力測量裝置中所采用的八角環(huán)刀架結構的軸測投影圖；
[0020]圖4為本發(fā)明所述的三向切削力測量裝置中所采用的八角環(huán)刀架結構的俯視圖；
[0021]圖中:1.八角環(huán)刀架，2.車刀，3.Z軸位移傳感器，4.Y軸位移傳感器，5.X軸位移傳感器，6.前端,7.刀桿,8.固定端。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖對本發(fā)明作詳細的描述:
[0023]本發(fā)明針對目前切削力測量裝置在各個方向之間相互干擾和貼片位置不精確的問題，提出了一種機械結構簡單、測量精度高的三向切削力測量裝置，利用三個非接觸的電容式位移傳感器即Z軸位移傳感器3、Y軸位移傳感器4與X軸位移傳感器5測量八角環(huán)刀架I在Ζ、Υ、Χ三個方向上的變形，進而較精確計算三向切削力的大小。該三向切削力測量裝置結構簡單，調試方便，同時該三向切削力測量裝置采用非接觸測量方式，很大程度上降低了三個方向上切削力之間的相互干擾，提高了三向切削力測量裝置的各向精度。
[0024]參閱圖2，本發(fā)明所述的一種三向切削力測量裝置包括有八角環(huán)刀架1、車刀2、Z軸位移傳感器3、Y軸位移傳感器4、X軸位移傳感器5、刀桿7。
[0025]所述的八角環(huán)刀架I為一個多(12)棱柱式等橫截面的左右對稱的空心殼體件。八角環(huán)刀架I的前半部分為前端6,八角環(huán)刀架I的后半部分為固定端8,前端6與固定端8連成一體，八角環(huán)刀架I的左、右兩端即前端6與固定端8的左、右端設置有左右對稱的圓柱形通孔，兩圓柱形通孔之間由一個長方體形通孔連通，兩圓柱形通孔的左右側壁(即左端圓柱形通孔的左側壁與右端圓柱形通孔的右側壁)上設置有和兩圓柱形通孔(即左端圓柱形通孔與右端圓柱形通孔)連通的兩矩形通孔(左端矩形通孔與右端矩形通孔)，前端6的前端面上設置有安裝刀桿7的矩形凹槽，矩形凹槽的左右對稱面與八角環(huán)刀架I左右對稱面共面，車刀2的刀尖位于矩形凹槽與八角環(huán)刀架I的左右對稱面內，固定端8的前端面上由上至下地設置有三個安裝Z軸位移傳感器3、Y軸位移傳感器4與X軸位移傳感器5的傳感器通孔即Z傳感器通孔、Y傳感器通孔與X傳感器通孔。Z傳感器通孔、Y傳感器通孔與X傳感器通孔的回轉軸線相互平行，并同處于八角環(huán)刀架I的左右對稱面M內，左右對稱面M平行于YOZ坐標面；Y傳感器通孔的回轉軸線處于八角環(huán)刀架I的中性層即中性面N內，中性面N平行于XOY坐標面。
[0026]所述的刀桿7的一端設置有用于安裝車刀的刀槽，桿7可以為單獨的零件，也可以與八角環(huán)刀架I做成一體。
[0027]所述的Z軸位移傳感器3、Υ軸位移傳感器4、Χ軸位移傳感器5均為非接觸的電容式傳感器，均采用型號為ZCS1100的傳感器，所述非接觸的電容式位移傳感器是指傳感器與被測量目標為非接觸的，在本發(fā)明中具體指Z軸位移傳感器3、Y軸位移傳感器4、X軸位移傳感器5與刀架I的前端6為非接觸的，并通過測量前端6與后端8之間的位移變化來獲得測量數(shù)據(jù)。Z軸位移傳感器3、Y軸位移傳感器4、X軸位移傳感器5分別固定安裝于Z傳感器通孔、Y傳感器通孔與X傳感器通孔內。X軸位移傳感器5用于測量進給力Fx，Y軸位移傳感器4用于測量背向力Fy，Z軸位移傳感器3用于測量主切削力Fz，降低了三向力之間的相互干擾，實現(xiàn)維間解耦。
[0028]車刀2利用螺釘固定在刀桿7左端的上刀槽內，刀桿7右端(尾端)固定在八角環(huán)刀架I左端的矩形凹槽內，該矩形凹槽位于八角環(huán)刀架I的前端6的幾何中心，車刀2的刀尖位于八角環(huán)刀架I的左右對稱面M內，即車刀2的刀尖位于YOZ平面內。Z軸位移傳感器
3、Y軸位移傳感器4、Χ軸位移傳感器5由上至下地依次固定安裝在八角環(huán)刀架I的Z傳感器通孔、Y傳感器通孔與X傳感器通孔內，Z軸位移傳感器3、Y軸位移傳感器4與X軸位移傳感器5的回轉軸線相互平行，并同處于八角環(huán)刀架I的左右對稱面M內，對稱面M為八角環(huán)刀架I幾何對稱面即YOZ平面；Υ軸位移傳感器4的回轉軸線位于八角環(huán)刀架I的中性面N內，中性面N平行于XOY面，且經(jīng)過八角環(huán)刀架I的中性層；Ζ軸位移傳感器3位于中性面N的上方，X軸位移傳感器5位于中性面N的下方。八角環(huán)刀架I的中性層，是指車刀2刀尖承受Z向力時，八角環(huán)刀架I上層材料受拉伸長，下層材料受壓縮短，在伸長層與縮短層之間存在的一個長度保持不變的纖維層。
[0029]參閱圖1，當進行車削加工時，車刀2上所受的力可以分解成三個方向的分力，SP主切削力Fz,進給力Fx及背向力Fy。
[0030]參閱圖2至圖4，在測量進給力Fx時，主切削力Fz及背向力Fy不會對X軸位移傳感器5產(chǎn)生干擾，這是因為X軸位移傳感器5是通過測量八角環(huán)刀架I的前端6與固定端8之間在X軸方向上的位移變化來測量進給力Fx的大小的，根據(jù)八角環(huán)刀架I的受力變形規(guī)律，進給力Fx只會使得八角環(huán)刀架I的前端6在X軸方向上產(chǎn)生位移變化，且主切削力Fz使得八角環(huán)刀架I產(chǎn)生彎曲變形，背向力Fy使得八角環(huán)刀架I的前端6向八角環(huán)刀架I的固定端8移動，即主切削力Fz和背向力Fy均不會使八角環(huán)刀架I的前端6和固定端8在X軸方向上發(fā)生相對位移變化；在測量背向力Fy時，進給力Fx不會對Y軸位移傳感器4產(chǎn)生干擾，Y軸位移傳感器4是通過測量八角環(huán)刀架I的前端6與固定端8之間沿Y軸方向上的位移變化來測量背向力Fy大小，由于Y軸位移傳感器4軸線在中性面N內，主切削力Fz使得八角環(huán)刀架I的上層材料受拉伸長，下層材料受壓縮短，Y軸位移傳感器4軸線位于伸長層與縮短層之間的一個長度保持不變的纖維層上，即主切削力Fz不會對Y軸位移傳感器4產(chǎn)生干擾；在測量主切削力Fz時，Z軸位移傳感器3是通過測量八角環(huán)刀架I的前端6與固定端8之間沿Y軸方向上的位移變化來測量主切削力Fz的，進給力Fx使得八角環(huán)刀架I的前端6相對于固定端8在X軸方向上產(chǎn)生位移，因此不會對Z軸位移傳感器3產(chǎn)生干擾，而由于背向力Fy的作用會使得八角環(huán)刀架I的前端6與固定端8之間沿Y軸方向上的位移發(fā)生變化，即對Z軸位移傳感器3測量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾，設Z軸位移傳感器3所測量到的變形量為A = Az-KAy，其中Λζ、Ay分別為主切削力Fz及背向力Fy作用于車刀2的刀尖部位使得八角環(huán)刀架I所產(chǎn)生的變形量，K為影響因子，所以消除背向力Fy對主切削力Fz產(chǎn)生的干擾后，得到主切削力Fz所引起的變形量Az=A+KAy。然后，將Z軸位移傳感器3、Y軸位移傳感器4與X軸位移傳感器5所采集的信號經(jīng)過Α/D轉換及計算機處理后，得到三向切削力的大小。
[0031]該測力裝置結構簡單，調試方便，采用電容式位移傳感器，與傳統(tǒng)的電阻應變片式結構相比，該裝置的非線性度明顯降低。同時該測力裝置采用非接觸的測量方式，很大程度上降低了切削力在三個方向上的分力之間的相互干擾，提高了切削力測量裝置的各向精度。
[0032]三向切削力測量裝置的工作原理:
[0033]八角環(huán)刀架I的固定端8固定于車床的工作臺上，在進行車削加工時，車削加工所產(chǎn)生的切削力作用于車刀2的刀尖部位，并通過刀桿7傳到八角環(huán)刀架I上，從而引起八角環(huán)刀架I發(fā)生變形,此時,X軸位移傳感器5、Υ軸位移傳感器4與Z軸位移傳感器3即可分別測量到八角環(huán)刀架I在X軸方向、Y軸方向變形量、Z軸方向及彎曲變形量，然后將三個傳感器所采集到的信號經(jīng)過Α/D轉換及計算機處理后，得到Fx、Fy、Fz的大小，通過力的合成即可得到切削力的大小。
【權利要求】
1.一種三向切削力測量裝置，其特征在于，所述的三向切削力測量裝置包括八角環(huán)刀架(I)、車刀(2 )、Z軸位移傳感器(3 )、Y軸位移傳感器(4)、X軸位移傳感器(5 )與刀桿(7 ); 車刀(2 )利用螺釘固定在刀桿(7 )左端的刀槽內，刀桿(7 )右端固定在八角環(huán)刀架(I)上的凹槽內，Z軸位移傳感器(3)、Y軸位移傳感器(4)與X軸位移傳感器(5)由上至下地依次固定在八角環(huán)刀架(I)上的三個傳感器通孔內。
2.按照權利要求1所述的三向切削力測量裝置，其特征在于，所述的八角環(huán)刀架(I)為一個多棱柱式等橫截面的左右對稱的空心殼體件，八角環(huán)刀架(I)的前半部分為前端(6),八角環(huán)刀架(I)的后半部分為固定端(8),前端(6)與固定端(8)連成一體,八角環(huán)刀架(I)即前端(6)與固定端(8)的左右端設置有對稱地圓柱形通孔，兩圓柱形通孔由一個長方體形通孔連通，兩圓柱形通孔的左右側壁上設置有和兩圓柱形通孔連通的矩形通孔，前端(6)的前端面上設置有安裝刀桿(7)的矩形凹槽，固定端(8)的前端面上由上至下地設置有三個安裝Z軸位移傳感器(3)、Y軸位移傳感器(4)與X軸位移傳感器(5)的傳感器通孔即Z傳感器通孔、Y傳感器通孔與X傳感器通孔。
3.按照權利要求2所述的三向切削力測量裝置，其特征在于，所述的矩形凹槽位于八角環(huán)刀架(I)的前端(6)的幾何中心處。
4.按照權利要求2所述的三向切削力測量裝置，其特征在于，所述的Z傳感器通孔、Y傳感器通孔與X傳感器通孔的回轉軸線相互平行，并同處于八角環(huán)刀架(I)的左右對稱面M上，Y傳感器通孔的回轉軸線處于八角環(huán)刀架(I)的中性層即中性面N內。
5.按照權利要求1所述的三向切削力測量裝置，其特征在于，所述的Z軸位移傳感器(3)、Υ軸位移傳感器(4)與X軸位移傳感器(5)的回轉軸線相互平行，并同處于八角環(huán)刀架Cl)的左右對稱面M內，對稱面M為八角環(huán)刀架(I)幾何對稱面即YOZ平面；Υ軸位移傳感器(4)的回轉軸線位于八角環(huán)刀架(I)的中性面N內，中性面N平行于XOY面，且經(jīng)過八角環(huán)刀架(I)的中性層。
6.按照權利要求1所述的三向切削力測量裝置，其特征在于，所述的Z軸位移傳感器(3)位于中性面N的上方，X軸位移傳感器(5)位于中性面N的下方。
7.按照權利要求1所述的三向切削力測量裝置，其特征在于，所述的車刀(2)的刀尖位于八角環(huán)刀架(I)的左右對稱面M內，即車刀(2)的刀尖位于YOZ平面內。
【文檔編號】B23Q17/09GK103551924SQ201310552292
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月10日 優(yōu)先權日:2013年11月10日
【發(fā)明者】呼燁, 徐明旭, 徐學正, 張富, 朱曉翠, 劉建春, 李賀 申請人:吉林大學