高速切削中，系統(tǒng)的穩(wěn)定性對加工精度及安全至關重要，高速切削中的顫振會大幅度減少刀具的使用壽命，顫振引起的刀刃的崩裂如同出膛的子彈，嚴重影響高速切削加工的安全性。高速銑削加工實時監(jiān)控的電荷應變測力儀，能夠實時快速可靠的反饋銑削過程中的銑削力，便于預測并及時調整銑削參數(shù)主動減振結構能夠提高高速切削的穩(wěn)定性，有利于提高加工精度及安全性?，F(xiàn)有的力敏感元件都是固定在待檢測的零件上，隨著零部件工作過程中的對待檢測的零件施加力使其變形或位移，導致力敏元件的變形或位移，通過相關規(guī)律及數(shù)學計算，從而測得待測零件的加速度、速度、位移、力等參數(shù)，難以滿足運動零件的監(jiān)測要求。其結構通常為六面體測得3向的壓力，但是難以滿足受力面較大或高靈敏度的要求；或圓環(huán)測一個反向的壓力，或者通過不同的橋接回路及不同方向的圓環(huán)進行組合測的不同方向的壓力，并輸出，其結構與計算過程復雜，且在監(jiān)測過程中難以實現(xiàn)對三個方向元件的均衡測量；在精密高速銑削鑄鋁合金的面銑加工過程中，其待加工面垂直方向的振動對控制其表面粗糙度及精度至關重要，傳統(tǒng)的力敏元件其垂直方向高敏感度要求。本發(fā)明通過特定的力敏元件，計算方式及各零件的連接方式實現(xiàn)了過去力敏元件難以滿足的各方向高靈敏度。

技術實現(xiàn)要素：

切削力的非線性性是機床顫振及加工不穩(wěn)定的主要原因之一，而高速切削工況與與切削力密切相關，切削力的準確快速獲得，有利實時監(jiān)控銑削加工，并為預測高速銑削工況及調整加工參數(shù)提前條件，提高零件加工質量。提供了避免惡劣工況的能夠快速準確的消除了引起加工不穩(wěn)定的源頭，提高了加工的穩(wěn)定性及精度，改善了加工質量，提高了高速加工的極限速度。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案為：

一種適應高速銑削加工實時監(jiān)控的電荷應變測力儀，包括安裝在刀柄和刀夾之間的三向環(huán)形力敏元件，所述三向環(huán)形力敏元件為圓環(huán)狀結構，三向環(huán)形力敏元件的厚度由外環(huán)向內環(huán)逐漸減??；三向環(huán)形力敏元件連接有無線發(fā)射器，刀柄內成形有刀柄中間孔；無線發(fā)射器安裝在刀柄中間孔內；無線發(fā)射器無線連接有PC控制端。

進一步的改進，三向環(huán)形力敏元件相對刀柄的軸向傾斜安裝，三向環(huán)形力敏元件的傾斜角度為12.46°。

進一步的改進，所述三向環(huán)形力敏元件通過引線連接無線發(fā)射器，無線發(fā)射器中集成有電荷放大器。

進一步的改進，所述無線發(fā)射器內集成有信號解調器。

進一步的改進，所述三向環(huán)形力敏元件為三向環(huán)形耐高溫力敏元件。

進一步的改進,所述三向環(huán)形力敏元件套設在刀柄和刀夾的連接處，刀柄與刀夾固定連接.

一種適應高速銑削加工實時監(jiān)控的電荷應變測力儀的使用方法，應變與三向環(huán)形力敏元件測得的力具有如下關系：

銑刀刀刃在A點中受到空間的中的銑削力為F，其可以分解為x，y，z方向的力，分別為f_x，f_y，f_z，環(huán)形力敏元件的內徑為r1，外徑為r2，傾斜角度為θ，-180°≤θ≤180°；

其中ε_x，ε_y，ε_z分別表示x，y，z三個方向的應變，E為力敏元件3個方向下的彈性模量，x₁＝y(tǒng)₁＝z₁＝r₁，x₂＝y(tǒng)₂＝z₂＝r₂；x₁表示對x積分的初始值；y₁表示y積分的初始值；z₁表示z積分的初始值；x₂表示x積分的結束值；y₂表示y積分的結束值；z₂表示z積分的結束值；δ_i表示應變系數(shù)；i表示壓電傳感器的應變變化，壓縮為1，拉伸為2。

進一步的改進，θ＝12.46°。

附圖說明

圖1為三向環(huán)形力敏元件的立體結構示意圖；

圖2為三向環(huán)形力敏元件的剖面結構示意圖；

圖3為本專利的結構示意圖；

圖4為三向環(huán)形力敏元件隨時間變化的位移圖。

其中，1為電機，2為主軸，3為刀柄，4為刀夾，5為銑刀刃，6為六角螺栓，7為三向環(huán)形力敏元件，8為無線發(fā)射器

實施例

如圖3所示的一種適應高速銑削加工實時監(jiān)控的電荷應變測力儀，主要由銑刀、刀柄、刀夾，三向環(huán)形耐高溫力敏元件，電荷放大器、引線，信號發(fā)射器，密封膠，螺栓，墊圈組成。

銑刀通過螺紋與刀夾連接，刀夾與刀柄通過6個六角螺栓連接，其中螺栓接觸處有墊圈，刀夾與刀柄間隙出用密封膠密封，刀柄中開設有刀柄中間孔用于引線，引線與電荷放大器，無線發(fā)射器連接，刀柄與主軸連接；無線發(fā)射器與電荷放大器刀柄內部，線路均從刀柄中間孔穿越，在尾端中裝有信號發(fā)射器，并集成有信號解調器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的解耦，數(shù)模轉換以及濾通波。；刀柄上成形有環(huán)形臺階，三向環(huán)形力敏元件固定在環(huán)形臺階外圍，刀夾成形有與三向環(huán)形力敏元件配合的凹槽，三向環(huán)形力敏元件處于凹槽內并套設在環(huán)形臺階上；凹槽與環(huán)形臺階配合將三向環(huán)形力敏元件包圍固定。

如圖1和圖3所示，三向環(huán)形力敏元件為類似圓環(huán)的結構，其軸側圖如圖1所示，其截面是如圖2所示，類似等腰梯形，上底為L1，下底為L2，整體尺寸如圖2所示，內徑為r1，外徑為r2，

力敏元件內徑處的長度為：l₁＝r₂-r₁

力敏元件外徑處的長度為：l₂＝l₁+2(r₂-r₁)sinθ

應變的方法如下：

如圖3所示，假設銑刀刀刃在A點中受到空間的中的銑削力為F，其可以分解為x，y，z方向的力，分別為f_x，f_y，f_z，環(huán)形力敏元件的內徑為r1，外徑為r2，傾斜角度為θ，-180≤θ≤180

根據(jù)固體力學力－應變原理則有

其中ε_x，ε_y，ε_z分別表示x，y，z三個方向的應變，E為力敏元件3個方向下的彈性模量，x₁＝y(tǒng)₁＝z₁＝r₁，x₂＝y(tǒng)₂＝z₂＝r₂

通常在高速銑削加工過程中，三個方向的振動對銑削加工零件的質量影響不一樣，x，y方向的振動對力的影響非常敏感，一旦刀具出現(xiàn)不正常的磨損，就會在X，y方向的力快速提現(xiàn)出來，在加工預警過程中，一般均采用X，y方向的力；而其在高速銑削過程中，Z向的振動對表面質量的影響是至關重要的。Z向的振動同樣會在力方面快速提現(xiàn)出來。設定x，y，z方向的振動對加工質量的影響的權值均為1。

實施例2

三向環(huán)形力敏元件的安裝方式優(yōu)化如下：

設計目標函數(shù)f(θ)＝α₁f_x+α₂f_y+α₃f_z (4)

f(θ)表示以θ角度變量為總目標函數(shù)，α₁表示f_x的權值；α₂表示f_y的權值；α₃表示f_z的權值。

壓電傳感器為各項同性材質，且為線性變，在三個方向的應變簡化為：ε_x＝ε_y＝ε_z＝lε，其中ε為應變系數(shù)，0≤l≤l₂ (5)

l表示壓電傳感器截面的長度；

其中是主軸旋轉角速度函數(shù)，分別表示正常運轉的位移導致應變函數(shù)與受力后發(fā)生位移的應變函數(shù)。在運動過程中假設壓電傳感器的未受到壓力而產(chǎn)生應變的位移變化為為圖中振幅較大的曲線，在運動過程中假設壓電傳感器的因受到壓力而產(chǎn)生應變的位移變化為為圖4中振幅較小的曲線。

分別將實施例1中的(1)，(2)，(3)式積分可得

令F(θ)＝cosθ(1+2sinθ) (9)

F(θ)表示以角度θ為變量的函數(shù)；

對(9)求導可的：

而：sinθ²+cosθ²＝1 (11)

求得sinθ＝-0.125時，θ＝12.46，最大，F(xiàn)(θ)對θ的靈敏度最高，即對應力變化最敏感，微小應變的能輸出最大力，因此θ是最優(yōu)的。