CN101524818B - 一种压电式四维切削测力平台 - Google Patents
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Abstract
本发明一种压电式四维切削测力平台属于传感测控技术领域，特别涉及切削过程中三个方向正交力及扭矩的检测。测力平台由底座、中板、上板、引线输出插头、引线、隔热板、密封圈、四个压电石英传感器、防护垫以及连接螺钉组成；夹在底座与中板之间呈菱形分布的四个压电石英传感器均布于同一水平面的同一圆周上。本发明实现了对任一切削过程中的三个方向正交力及扭矩进行同时测量，具有灵敏度高，线性度、重复性好，横向干扰小，测量精度高的良好特性。此压电式四维切削测力平台对于测量钻、磨、铣、车、铇具有通用性，应用面宽。
Description
技术领域
本发明一种压电式四维切削测力平台属于传感测控技术领域，特别涉及切削过程中三个方向正交力及扭矩的检测。
背景技术
切削加工是机械制造中最主要的加工方法，随着机床和刀具的不断发展，切削加工的精度、效率和自动化程度不断提高，应用范围也日益扩大，从而大大促进了现代机械制造业的发展。切削力和扭矩的测量不仅有利于研究切削机理、计算功率消耗、优化切削用量和刀具几何参数，更重要的是可以通过切削力的变化来监控切削过程，反映刀具磨损或破损、切削用量的合理性、机床故障、颤振等切削状态，以便及时控制切削过程，提高切削效率，降低零件废品率，同时对于优化刀具几何参数等，都具有非常重要的意义。
以往的压电式测力平台难以同时测量和检测切削过程中的扭矩和三个方向正交力。应用面单一，仅能用于一种或某几种相近形式的切削加工。而且对于扭矩的测量，其传感器多采用分割电极的形式，必须进行大量复杂的解耦运算，工艺相对复杂，扭矩测量精度不高。
发明内容
本发明要解决的技术难题是要克服现有传感器应用面窄、以及扭矩测量精度不高等性能方面存在的缺欠。针对各种切削加工的受力特点及多样性，结合石英晶体的压电效应，发明了一种压电式四维切削测力平台。该压电式四维切削测力平台以分布在同一圆周上呈菱形分布的四个传感器为核心，实现了对任一切削过程中的三个方向正交力及扭矩进行同时测量，具有灵敏度高，线性度、重复性好，横向干扰小，测量精度高的良好特性。此压电式四维切削测力平台对于测量钻、磨、铣、车、铇具有通用性，应用面宽。
本发明采用的技术方案是：一种压电式四维切削测力平台由底座1、中板2、上板3、引线输出插头4、引线5、隔热板6、大环形密封圈8、小环形密封圈9、四个压电石英传感器10、防护垫11以及连接螺钉组成。夹在底座1与中板2之间呈菱形分布的四个压电石英传感器10均布于同一水平面的同一圆周上，四个压电石英传感器10通过四个第二连接螺钉12与底座1和中板2刚性连接在一起；中板2与上板3通过四个连接螺钉7连接在一起；中板2与上板3之间为一隔热板6；底座1和中板2通过大环形密封圈8和小环形密封圈9进行密封，用防护垫11对测力平台底座上的第二连接螺钉12进行密封；测力平台中间通孔p为钻削中工件的钻孔空间；导线5由导线输出插头4引出。
底座1为一中间带圆孔的矩形阶梯式结构，底座1的上表面采用台阶式结构。上表面a外侧开有安装大环形密封圈8的方形密封槽b，上表面a内侧开有安装小环形密封圈9的圆形密封槽b′；上表面a中部开有一个圆环形槽c，四个压电石英传感器10均布于圆环形槽c底面；底座1下表面为平面，第二连接螺钉12分别通过均布于底座1下表面的四个第二阶梯孔e；底座1左固定端d上开有左上可调整安装孔f、左下可调整安装孔f′，底座1右固定端d′上开有右上可调整安装孔f″、右下可调整安装孔f″′，对整个测力平台进行固定；底座1前侧开有一第三螺纹孔g，安装引线输出插头4。
中板2为一中间带圆孔的方形阶梯式结构。中板2的上表面为方形平面。下表面h为一圆柱形凸台结构，其上均布四个第一阶梯孔i和四个第二螺纹孔j。第二连接螺钉12分别通过四个第二螺纹孔j，第一连接螺钉7分别通过四个第一阶梯孔i。
上板3为一中间带圆孔的方形平板式结构。上表面k为方形平面，其上均布八个固定被测加工工件的工件固定螺纹孔m；下表面l同样是方形平面，其上均布四个第一螺纹孔n，第一连接螺钉7分别通过四个第一螺纹孔n。
四个压电石英传感器10分别由1对xy型单元晶组和3对yx型单元晶组构成，单元晶组自上而下依次为测量法向分力FZ的xy型单元晶组o，测量扭矩力(FM、FM′、FM″、FM″′)的yx型单元晶组o′，测量切向分力FY的yx型单元晶组o″，测量切向分力FX的yx型单元晶组o″′。每对单元晶组将两片石英晶片对装，即在电路上为并联结构，信号通过夹在两片石英晶片间的电极片13引出，且引出信号为负电荷，每对单元晶组的上下两面均通过相互连接的导线和电极片14接地。
四个第一螺纹孔n以0°为基准线，其位置角度分别45°、135°、225°、315°；上板3上表面k上八个工件固定螺纹孔m以0°为基准线，其位置角度分别为22.5°、67.5°、102.5°、157.5°、202.5°、247.5°、292.5°、337.5°；四个压电石英传感器10以0°为基准线，其位置角度分别为0°、90°、180°、270°。
本发明的显著效果是：本发明是针对用压电石英力传感器实时测量切削过程中三个方向正交力及扭矩，可以分别用于钻削、铣削、磨削、车削中。采用分布在同一圆周上的四个压电传感器测量扭矩，测力范围大，不需经过复杂计算，便可测得扭矩的大小。测力平台具有良好的特性，其灵敏度高，线性度、重复性好，横向干扰小，测量精度比较高。
附图说明
图1为压电式四维切削测力平台三维图，图2为测力平台装配图的俯视图，图3为图2的A-A剖视图，图4为测力平台底座的俯视图，图5为图4的B-B剖视图，图6为测力平台中板的俯视图，图7为图6的C-C剖视图，图8为测力平台上板的俯视图，图9为图8的D-D剖视图。
其中1-底座，2-中板，3-上板，4-导线输出插头，5-导线，6-隔热板，7-第一连接螺钉，8-外侧密封圈，9-内侧密封圈，10-压电石英传感器，11-防护垫，12-第二连接螺钉；a-底座1上表面，b-外侧方形密封槽，b′-内侧圆形密封槽，c-圆环形石英晶组安装槽，d-底座1左端，d′-底座1右端，e-第二阶梯孔，f-左上可调整安装孔、f′-左下可调整安装孔，f″-右上可调整安装孔、f″′-右下可调整安装孔，g-第三螺纹孔，h-中板2下表面，i-第一阶梯孔，j-第二螺纹孔，k-上板3上表面，l-上板3下表面，m-工件固定螺纹孔，n-第一螺纹孔，p-钻削孔。
图10测力平台四组压电石英传感器的分布图，图11为压电石英传感器的晶组组合结构图。其中13-引出信号电极片，14-相互连接的接地导线和电极片；o-测量法向分力的xy型单元晶组，o′-测量扭矩的yx型单元晶组，o″-测量切向分力的yx型单元晶组，o″′-测量切向分力的yx型单元晶组。
具体实施方式
结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式，如附图1-11所示，装配时采用四个第二连接螺钉12分别通过四个第二阶梯孔e和四个第二螺纹孔j将底座1、中板2与四个压电石英传感器10刚性连接在一起，同时四个第二连接螺钉12对四个压电石英传感器进行预紧，以获得足够的预紧力。采用四个第一连接螺钉7分别通过四个第一阶梯孔i和四个第一螺纹孔n将中板2与上板3刚性连接在一起。采用4个螺钉分别通过右上可调整安装孔f、右下可调整安装孔f′、左上可调整安装孔f″以及左下可调整安装孔f″′将压电式四维切削测力平台固定到一个基座上。
当有外力和扭矩作用在传感器上时，外力可分解为切向分力FX、FY，法向分力FZ三个方向的分力，外力的切向分力FX、FY依靠中板2下表面h、底座1圆环形槽c底面以及四个压电石英传感器之间的摩擦力作用到四个压电石英传感器的下面两组具有剪切效应的yx型单元晶组(o″、o″′)上，两组单元晶组的石英晶体表面便会产生相应的电荷，电荷通过夹在两片石英晶片间的电极片引出；外力的法向分力FZ依靠整个壳体作用到四个压电石英传感器上面一组具有纵向效应的xy型单元晶组o上，单元晶组的石英晶体表面便会产生相应的电荷，电荷通过夹在两片石英晶片间的电极片引出；扭矩依靠中板2下表面h、底座1圆环形槽c底面以及四个压电石英传感器之间的摩擦力作用到四个压电石英传感器的yx型单元晶组o′上，单元晶组的石英晶体表面便会产生电荷，产生的四组电荷通过夹在两片石英晶片间的电极片引出。各电极片引出的电荷通过电荷放大器进行放大，并转换成电压信号输出，经过A/D数据采集卡将模拟信号变成计算机接受的数字信号，输入计算机，经计算机采集、处理、运算后得出所测三个方向正交力FX、FY、FZ及扭矩力(FM、FM′、FM″、FM″′)的大小，最后由终端显示、存储、分析、记录、打印等。扭矩的获得采用“力×力臂”法，在特定的力臂下，根据测得力(FM、FM′、FM″、FM″′)与扭矩的线性关系，不需经过复杂计算，便可以直接得出。
该压电式四维切削测力平台可以实现对任一切削过程中的三个方向正交力及扭矩的测量，因此对于测量钻、磨、铣、车、铇具有通用性，运用面宽，具有灵敏度高，线性度、重复性好，横向干扰小，测量精度高的良好特性。
Claims (2)
1.一种压电式四维切削测力平台，其特征在于，测力平台由底座(1)、中板(2)、上板(3)、引线输出插头(4)、引线(5)、隔热板(6)、大环形密封圈(8)、小环形密封圈(9)、四个压电石英传感器(10)、防护垫(11)以及连接螺钉组成；夹在底座(1)与中板(2)之间呈菱形分布的四个压电石英传感器(10)均布于同一水平面的同一圆周上，四个压电石英传感器(10)通过四个第二连接螺钉(12)与底座(1)和中板(2)刚性连接在一起，中板(2)与上板(3)通过四个第一连接螺钉(7)连接在一起，中板(2)与上板(3)之间为一隔热板(6)，底座(1)和中板(2)通过大环形密封圈(8)和小环形密封圈(9)进行密封，用防护垫(11)对测力平台底座上的第二连接螺钉(12)进行密封，测力平台中间通孔(p)为钻削中工件的钻孔空间，导线(5)由导线输出插头(4)引出；
底座(1)为一中间带圆孔的矩形阶梯式结构，底座(1)的上表面采用台阶式结构，上表面(a)外侧开有安装大环形密封圈(8)的方形密封槽(b)，上表面(a)内侧开有安装小环形密封圈(9)的圆形密封槽(b′)，上表面(a)中部开有一个圆环形槽(c)，四个压电石英传感器(10)均布于圆环形槽(c)底面，底座(1)下表面为平面，第二连接螺钉(12)分别通过均布于底座(1)下表面的四个第二阶梯孔(e)；底座(1)左固定端(d)上开有左上可调整安装孔(f)、左下可调整安装孔(f′)，底座(1)右固定端(d′)上开有右上可调整安装孔(f″)、右下可调整安装孔(f″′)，对整个测力平台进行固定，底座(1)前侧开有第三螺纹孔(g)，安装引线输出插头(4)；中板(2)为一中间带圆孔的方形阶梯式结构，中板(2)的上表面为方形平面，下表面(h)为一圆柱形凸台结构，其上均布四个第一阶梯孔(i)和四个第二螺纹孔(j)，第二连接螺钉(12)分别通过四个第二螺纹孔(j)，第一连接螺钉(7)分别通过四个第一阶梯孔(i)；上板(3)为一中间带圆孔的方形平板式结构，上表面(k)为方形平面，其上均布八个固定被测加工工件的工件固定螺纹孔(m)，下表面(l)同样是方形平面，其上均布四个第一螺纹孔(n)，第一连接螺钉(7)分别通过四个第一螺纹孔(n)；
四个压电石英传感器(10)分别由1对xy型单元晶组和3对yx型单元晶组构成，单元晶组自上而下依次为测量法向分力FZ的xy型单元晶组(o)，测量扭矩力(FM、FM，、FM″、FM″′)的yx型单元晶组(o′)，测量切向分力FY的yx型单元晶组(o″)，测量切向分力FX的yx型单元晶组(o″′)，每对单元晶组将两片石英晶片对装，即在电路上为并联结构，信号通过夹在两片石英晶片间的电极片(13)引出，且引出信号为负电荷，每对单元晶组的上下两面均通过相互连接的导线和电极片(14)接地。
2.根据权利要求1所述一种压电式四维切削测力平台，其特征是，四个第一螺纹孔(n)以0°为基准线，其位置角度分别45°、135°、225°、315°；上板(3)上表面(k)上八个工件固定螺纹孔(m)以0°为基准线，其位置角度分别为22.5°、67.5°、102.5°、157.5°、202.5°、247.5°、292.5°、337.5°；四个压电石英传感器(10)以0°为基准线，其位置角度分别为0°、90°、180°、270°。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |