CN101650243A - 一种压电式深小孔钻削测力装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电式深小孔钻削测力装置，属于传感测控技术领域，特别涉及深小孔钻削加工过程中钻削力及扭矩的检测装置。其特征是该装置由底座、上盖、压电石英传感器、引线输出插头、引线、密封圈、连接螺钉以及防护垫组成；夹在底座与上盖之间的压电石英传感器位于测力装置的正中心。压电石英传感器由分割电极、完整电极以及石英晶片组成。采用石英晶体多片组合的方法来提高灵敏度；只需一个传感器，具有结构简单，灵敏度高，线性度、重复性好，测量精度高的良好特性。此压电式深小孔钻削测力装置能够对深小孔加工过程中的钻削力及扭矩进行实时检测。

Description

一种压电式深小孔钻削测力装置

技术领域

本发明属于传感测控技术领域，涉及一种压电式深小孔钻削测力装置，特别涉及一种深小孔钻削加工过程中钻削力及扭矩的检测装置。

背景技术

钻削加工过程是一种半封闭式的加工过程，对于深小孔的钻削加工而言，这种封闭性尤为突出。切削液无法到达切削区，切屑细小，容易产生堆积，排屑困难，形成封闭环境，使切削区域局部温度迅速升高，导致切削刃部分过热烧损，引起钻头急剧磨损。通常采用的解决办法是定时的提钻排屑，这势必严重影响生产效率。近年来，随着自动化、高效率、柔性化在机械加工领域的飞速发展以及难加工材料的广泛应用，上述问题显得尤为突出。

在整个钻削过程中，加工状态恶化会导致钻削力及扭矩急剧增大。根据加工状态给钻削力及扭矩设置一个临界值，若实测钻削力及扭矩小于预置临界值，则通过提高钻削进给量来提高钻削效率；若实测钻削力及扭矩大于临界值，则减小进给量。钻削到一定深度后，若检测到钻削力及扭矩连续增大，此时减小进给量已不能使实测值小于临界值，只要钻削力及扭矩实测值中有一项大于给定临界值，就需退出钻头排屑。排屑后，钻头重新接近工件，继续钻削。因此，在加工系统中设置钻削测力装置，适时监控加工状态，有利于优化钻削参数，合理控制钻削加工过程，降低零件废品率，对改善深小孔加工质量和提高钻削加工效率具有重要意义。

目前，钻削力及扭矩的测量方法有应变式和压电式。应变式测力装置当灵敏度高时，其刚性较差，固有频率较低，在周期性正负变化的径向力作用下容易产生振动，当刚度高时，其灵敏度较低，深小孔钻削力测量精度差，此外，应变式测力装置对应变片的粘贴位置要求也较高；压电式测力装置具有刚度高、线性好、灵敏度高、迟滞小、固有频率高等优点，非常适用于各种动态力的测量，能够实时准确地反映出钻削力及扭矩的变化。以往的压电式钻削测力仪虽然能够实时检测钻削力及扭矩，但对于深小孔加工过程中的钻削力测量，其灵敏度相对较低，扭矩测量精度不高，因而本发明设计了一种专门用于深小孔加工的钻削测力装置。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有传感器对于深小孔加工过程中钻削力测量时灵敏度和固有频率不能同时达到测量要求，扭矩测量精度不高等性能方面存在的缺欠，针对深小孔加工的受力特点，结合石英晶体的压电效应，提供了一种压电式深小孔钻削测力装置。该压电式深小孔钻削测力装置以一个由分割电极、完整电极以及石英晶片组成的传感器为核心，实现了对深小孔加工过程中钻削力及扭矩的测量。

本发明采用的技术方案是：该装置由底座、上盖、压电石英传感器、引线输出插头、引线、大环形密封圈、小环形密封圈、三个连接螺钉、大防护垫以及小防护垫组成。夹在底座与上盖之间的压电石英传感器位于测力装置的正中心，通过三个连接螺钉将底座、压电石英传感器和上盖刚性连接在一起，三个连接螺钉的头部由大防护垫和小防护垫进行密封，底座和上盖之间由大环形密封圈和小环形密封圈进行密封，引线由引线输出插头引出。

底座为圆柱形阶梯式结构。底座上表面为圆形平面，其上安装压电石英传感器。底座下表面为圆形平面，其上开有三个均匀分布的阶梯孔，用于安装三个连接螺钉，三个阶梯孔以0线为基准线，其位置角度分别为0°、120°、240°，在底座(1)的下圆柱面上开有均匀分布的四个可调整安装U形槽，四个可调整安装U形槽以0°线为基准线，其位置角度分别为0°、90°、270°、360°。上盖为圆柱式结构。上盖上表面为圆形平面，其上均布八个固定被测加工工件的工件固定螺纹孔，八个工件固定螺纹孔以0°线为基准线，其位置角度分别为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°。上盖下表面为环形平面，其上开有小环形密封环槽和大环形密封环槽和三个均布的连接底座和上盖的螺纹孔，三个螺纹孔以0°、120°、240°，三个连接螺钉分别通过底座上的三个阶梯孔安装到三个螺纹孔中，上盖下表面的中心开有安装压电石英传感器的圆形孔槽。上盖外圆柱面上开有引线输出孔和口引线输出插头螺纹孔，它们的位置以0°线为基准线，其位置角度为157.5°。引线输出插头安装在引线输出插头螺纹孔中，引线由引线输出插头中引出。

压电石英传感器由两对yx型单元晶组、两对xy型单元晶组、六片扭矩测量引出信号的分割电极、两片轴向力测量引出信号的完整电极、四片接地完整电极、信号引出线和接地导线构成。单元晶组自上而下依次为测量扭矩的两对yx型单元晶组和测量轴向力的两对xy型单元晶组。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引出。测量扭矩的两对yx型单元晶组的四片石英晶片之间采用六片分割电极通过扭矩正负信号引出线分别引出正负电荷。测量轴向力的每对xy型单元晶组的两片石英晶片之间各采用一片完整电极通过轴向力信号引出线引出负电荷。两对yx型单元晶组叠加后的上下两面与每对xy型单元晶组的上下两面采用四片接地完整电极通过接地导线连接起来。

本发明的有益效果是本发明利用压电石英力传感器对深小孔加工过程中的钻削力及扭矩进行实时检测，有利于实现加工过程的自动控制，优化加工参数，提高加工效率，改善加工质量。传感器由分割电极、完整电极以及石英晶片组成，采用石英晶体多片组合的方法来提高灵敏度，且只需一个传感器，具有结构简单，灵敏度高，线性度、重复性好，测量精度高的良好特性。

附图说明

图1为压电式深小孔钻削测力装置三维图。

图2为测力装置装配图的俯视图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为测力装置底座的俯视图。

图5为图4的B-B剖视图。

图6为测力装置上盖的俯视图。

图7为图6的C-C剖视图。

图8为压电石英传感器的三维图。

图9为压电石英传感器的俯视图。

图中：1底座；2上盖；3压电石英传感器；4引线输出插头；5引线；6大环形密封圈；7小环形密封圈；8连接螺钉；9大防护垫；10小防护垫。

a底座上表面；b底座下表面；c阶梯孔；d可调整安装U形槽；e上盖上表面；f固定工件螺纹孔；g引线输出孔；h引线输出插头螺纹孔；i上盖下表面；j圆形孔槽；k小圆形密封槽；m大圆形密封槽；n连接底座和上盖的螺纹孔；o测量扭矩的2对yx型单元晶组；o’测量轴向力的2对xy型单元晶组；p轴向力信号引出线；q接地导线；r1扭矩负信号引出线；r2扭矩正信号引出线；s1测量扭矩时引出负信号的分割电极；s2测量扭矩时引出正信号的分割电极；s3测量扭矩时引出负信号的分割电极；t1测量扭矩时引出正信号的分割电极；t2测量扭矩时引出负信号的分割电极；t3测量扭矩时引出正信号的分割电极；u接地完整电极；v测量轴向力时引出负信号的完整电极。

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1-8所示，装配时，首先将压电石英传感器3装到底座上表面a上，然后，盖上上盖2，使压电石英传感器3装在上盖2的圆形孔槽j中，用三个连接螺钉8分别通过三个阶梯孔c和三个螺纹孔n将底座1、上盖2与压电石英传感器3刚性连接在一起，同时三个连接螺钉8对压电石英传感器3进行预紧，以获得足够的预紧力。测量时，用四个螺钉分别通过可调整安装U形槽d将压电式深小孔钻削测力装置固定到一个基座上，用八个螺钉通过固定工件螺纹孔f将被测加工工件固定到测力装置上。

当轴向力作用时，依靠整个壳体将力作用到压电石英传感器3下面两组具有纵向效应的xy型单元晶组o’上，单元晶组的石英晶体表面产生相应的电荷，电荷传递到夹在石英晶片间的两片完整电极v上，通过轴向力信号引出线p将电荷串联叠加后引出；当扭矩作用到测力装置上时，依靠压电石英传感器3与底座上表面a以及圆形孔槽j的顶面之间的摩擦力，将扭矩作用到压电石英传感器3的上面两组具有剪切效应的yx型单元晶组o上，两组单元晶组的石英晶体表面产生相应的电荷，电荷传递到夹在两片石英晶片间的六片分割电极s1、s2、s3、t1、t2、t3上，每两片石英晶片之间的两个分割电极上的电荷大小相等，符号相反，即分割电极s1、s2、s3、t1、t2、t3上的电荷大小相等，分割电极s1、s3、t2上的电荷为负电荷，分割电极s2、t1、t3上的电荷为正电荷，分割电极s1、s3、t2上的负电荷通过扭矩负信号引出线r1串联叠加后引出，分割电极s2、t1、t3上的正电荷通过扭矩正信号引出线r2串联叠加后引出，将引出后的正负电荷相减。

将输出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、运算后得出所测扭矩及轴向力的大小，最后由终端显示、存储、分析、记录、打印等。

本发明一种压电式深小孔钻削测力装置可以对深小孔加工过程中的钻削力及扭矩进行测量，能够实时的反映出各种加工状态下进给力和扭矩的变化，具有灵敏度高，线性度、重复性好，测量精度高的良好特性。

Claims (2)

1.一种压电式深小孔钻削测力装置，其特征在于，测力装置由底座(1)、上盖(2)、压电石英传感器(3)、引线输出插头(4)、引线(5)、大环形密封圈(6)、小环形密封圈(7)、三个连接螺钉(8)、大防护垫(9)以及小防护垫(10)组成，夹在底座(1)与上盖(2)之间的压电石英传感器(3)位于测力装置的正中心，通过三个连接螺钉(8)将底座(1)、压电石英传感器(3)和上盖(2)刚性连接在一起，三个连接螺钉(8)的头部由大防护垫(9)和小防护垫(10)进行密封，底座(1)和上盖(2)之间由大环形密封圈(6)和小环形密封圈(7)进行密封，引线(5)由引线输出插头(4)引出；

底座(1)为圆柱形阶梯式结构，底座上表面(a)为圆形平面，其上安装压电石英传感器(3)，底座下表面(b)为圆形平面，其上开有三个均匀分布的阶梯孔(c)，用于安装三个连接螺钉(8)，在底座(1)的下圆柱面上开有均匀分布的四个可调整安装U形槽(d)；上盖(2)为圆柱式结构，上盖上表面(e)为圆形平面，其上均布八个固定被测加工工件的工件固定螺纹孔(f)，上盖下表面(i)为环形平面，其上开有小环形密封环槽(k)和大环形密封环槽(m)和三个均布的连接底座和上盖的螺纹孔(n)，三个连接螺钉(8)分别通过底座(l)上的三个阶梯孔(c)安装到三个螺纹孔(n)中，上盖下表面(i)的中心开有安装压电石英传感器的圆形孔槽(j)，上盖外圆柱面上开有引线输出孔(g)和引线输出插头螺纹孔(h)，引线输出插头(4)安装在引线输出插头螺纹孔(h)中，引线(5)由引线输出插头(4)中引出；

压电石英传感器(3)由两对yx型单元晶组(o)、两对xy型单元晶组(o’)、六片扭矩测量引出信号的分割电极(s1、s2、s3、t1、t2、t3)、两片轴向力测量引出信号的完整电极(v)、四片接地完整电极(u)、信号引出线(p、r1、r2)和接地导线(q)构成。单元晶组自上而下依次为测量扭矩的两对yx型单元晶组(o)和测量轴向力的两对xy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引出；测量扭矩的两对yx型单元晶组(o)的四片石英晶片之间采用六片分割电极(s1、s2、s3、t1、t2、t3)通过扭矩正负信号引出线(r1、r2)分别引出正负电荷；测量轴向力的每对xy型单元晶组(o’)的两片石英晶片之间各采用一片完整电极(v)通过轴向力信号引出线(p)引出负电荷；两对yx型单元晶组(o)叠加后的上下两面与每对xy型单元晶组(o’)的上下两面采用四片接地完整电极(u)通过接地导线(q)连接起来。

2.根据权利要求1所述的一种压电式深小孔钻削测力装置，其特征还在于：根据权利要求1所述的一种压电式深小孔钻削测力装置，其特征还在于：底座下表面(b)上的三个阶梯孔(c)以0°线为基准线，其位置角度分别为0°、120°、240°，底座(1)下圆柱面上的四个可调整安装U形槽(d)以0°线为基准线，其位置角度分别为0°、90°、270°、360°；上盖上表面(e)上的八个工件固定螺纹孔(f)以线为基准线，其位置角度分别为0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°，上盖下表面(i)上的三个连接底座和上盖的螺纹孔(n)以0°线为基准线，其位置角度分别为0°、120°、240°，上盖(2)外圆柱面上的引线输出孔(g)和引线输出插头螺纹孔(h)以0°线为基准线，其位置角度为157.5°。

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