CN102873353B - 具有微小三向切削力测量系统的智能刀具 - Google Patents

Abstract

具有微小三向切削力测量系统的智能刀具。属于超精密切削加工及其切削力测量和实时监测领域。本发明可满足超精密加工过程微小三向切削力的实时感知测量。智能刀具主要包括刀杆、切削刀片、切削力测量系统和信号接口端。刀杆主体的前端有感知测量段，微小三向切削力测量系统固接在感知测量段的测力凹腔内，感知单元分别横跨安装在感知测量段或安装在各感知基片内侧面中心，信号接口端在刀杆后端实现信号输出。在切削加工的同时，感知单元对三向切削力作用产生的应变和位移进行感知，获取对应的信号，通过标定解偶实现微小三向切削力的准确求解。本发明用于超精密加工领域相关科学研究和切削过程实时监测以及自适应加工。

Description

具有微小三向切削力测量系统的智能刀具

技术领域

本发明属于超精密切削加工及其切削力测量和实时监测领域，具体涉及为具有三向切削力测量系统的智能刀具。

背景技术

切削力作为加工过程中最稳定和最可靠的信息来源，其大小和动态变化反应了切削过程中刀具与工件的相互作用的状况和工件表面形成过程。大量研究结果表明，切削状态的每个微小变化都能通过切削力的变化反应出来，检测切削力是目前国内外研究与应用最多的监控加工过程方法之一。通过监测加工过程切削力的实时变化，经过时序分析或其相关的数据信号处理，就可以用来进行切削过程相关科学问题的研究，如切削机理研究、工艺参数分析、材料切削性能研究等；优化加工过程工艺参数，提高加工质量；进行新型刀具设计和刀具涂层开发以及刀具切削性能评价；进行切削过程实时监测、刀具磨损和破坏的评估和预警以及实现自适应加工。

目前，在超精密切削加工的机理分析、工艺参数分析、精密刀具设计和研发、切削过程实时监测、大表面质量一致性加工控制、恒力切削以及自适应加工等研究中，微小的切削力测量最可靠而实用的办法依然是利用现有测力仪进行测量，但是由于现有设备复杂，价格昂贵，系统设备体积较大，不利于安装，在使用时需要或多或少地要改变机床的原有部件，影响机床的整体特性，特别是对超精密数控机床刚度和精度产生的负面影响更大，并且在精密切削加工中，并受限于自身的动态特性和灵敏度大小，已经很难满足准确的测量精密加工中微小切削力的要求，制约了超精密加工领域的相关科学研究和切削过程的实时监测以及自适应智能加工发展和产业化。

发明内容

本发明的目的是提供具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，以解决在超精密加工过程中针对微小切削力的测量设备和仪器存在成本高，体积大，安装空间受限，工业化实用性不足以及无法满足超精密加工应用对测量精度和灵敏度的要求，制约了切削过程实时监测和自适应智能加工等问题。

本发明的智能刀具通过集成在智能刀具刀杆中的微小三向切削力测量系统，融合微小三向切削力测量系统和刀具于一体，实现精密切削过程中微小三向切削力的自主实时监测。微小三向切削力测量系统通过四组相同应变感知单元对在三向切削力作用下产生的相应应变或位移等物理量进行感知，获取相对应的感知信号，并通过对感知的信号进行标定解偶，实现微小三向切削力的准确求解。本发明可满足超精密加工过程切削过程实时监测、大表面质量一致性加工控制、恒力切削、自适应智能加工以及超精密切削机理分析、工艺参数分析、精密刀具设计和研究的需要。

实现上述目的，本发明的具体技术方案：

具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，所述的智能刀具包括刀杆及切削刀片，所述的智能刀具还包括微小三向切削力测量系统、密封盖以及信号接口端；刀杆由刀头、刀杆主体以及连接刀头和刀杆主体的过渡段三部分组成；切削刀片固定装在刀头上，切削刀片的上表面与刀杆主体中心面重合设置，切削刀片的刀尖位于刀杆主体的中心线上；刀杆主体的前端设有感知测量段，感知测量段设有测力凹腔；微小三向切削力测量系统固接安装于感知测量段的测力凹腔中，微小三向切削力测量系统通过与感知测量段固接的密封盖密封于测力凹腔内；刀杆主体的后端沿轴向设有长孔，感知测量段设有与长孔连通的导线孔；信号接口端位于刀杆主体的长孔后端部。

所述的感知测量段由两个封装段和位于两个封装段之间的四棱柱结构段组成，从而形成刀杆周侧面上的测力凹腔，四棱柱结构段及两个封装段的中心线均与刀杆主体的中心线重合，两个封装段位于相同侧的外侧面与密封盖固接，四棱柱结构段的四个外侧面各设有一个与长孔连通的导线孔。

所述的微小三向切削力测量系统包括四个感知单元，两个封装段位于同一外侧面的中心处横跨配对固定一个感知单元，感知单元与四棱柱结构段间形成中空间隔腔。 

所述的感知单元为单个传感器或至少两个传感器组成的传感阵列。

所述的封装段的四个外侧面中心处分别加工有一个感知单元安装凹槽，每个感知单元匹配安装在两个封装段位于同一侧面的两个感知单元安装凹槽内。

具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，所述的智能刀具包括刀杆及切削刀片，所述的智能刀具还包括微小三向切削力测量系统、信号接口端以及感知基片；刀杆由刀头、刀杆主体以及连接刀头和刀杆主体的过渡段三部分组成；切削刀片固定装在刀头上，切削刀片的上表面与刀杆主体中心面重合设置，切削刀片的刀尖位于刀杆主体的中心线上；刀杆主体的前端有感知测量段，感知测量段设有测力凹腔，感知基片固定于感知测量段的测力凹腔上；微小三向切削力测量系统固接安装在感知基片面向测力凹腔的内侧面上，微小三向切削力测量系统通过感知基片密封于测力凹腔内；刀杆主体的后端沿轴向设有长孔，感知测量段设有与长孔连通的导线孔；信号接口端位于刀杆主体的长孔后端。

所述的感知测量段由两个封装段和位于两个封装段之间的四棱柱结构段组成，从而形成刀杆周侧面上连通的测力凹腔，四棱柱结构段及两个封装段的中心线均与刀杆主体的中心线重合；两个封装段的同一外侧面上横跨配对固定安装一个感知基片；四棱柱结构段的四个侧面上各设有一个与刀杆主体的长孔连通的导线孔。

所述的微小三向切削力测量系统包括四个感知单元，传感器单元固接安装在感知基片面向测力凹腔内侧面的中心位置。 

所述的感知单元为单个传感器或至少两个传感器组成的传感阵列。

本发明相对于现有技术的有益效果是： 

一、本发明的智能刀具实现刀具由切削加工的单一执行器向智能化的感知器转变，实现精密加工和自我实时感知加工中微小三向切削力，实现在线实时感知监测和超精密自适应智能加工需求。

二、本发明的智能刀具解决了以往精密加工中测力仪传感系统测试精度和灵敏度不足，系统复杂，价格高，安装和结构尺寸受限，并影响精密机床加工动态性能和工业化困难等问题。

三、本发明的智能刀具具有结构简单紧凑，使用方便简单，能测量超精密加工中微小三向切削力，测量灵敏度高。本发明很好的满足超精密加工过程切削过程实时监测、大表面质量一致性加工控制、恒力切削、自适应加工以及超精密切削机理分析、工艺参数分析、精密刀具设计、检测和性能研究的需要。本发明能够应用于超精密加工领域的相关科学研究、切削过程的实时监测以及自适应加工中。

附图说明

图1示出本发明的智能刀具的装配立体图，切削刀片可更换，感知测量段通过密封盖密封；

图2示出本发明的智能刀具的装配俯视图，切削刀片与刀头焊接；

图3示出本发明的智能刀具的俯视图，切削刀片可更换，感知测量段由两个封装段和位于两个封装段之间的四棱柱结构段组成；

图4示出图3的主视剖视图；

图5示出图4的感知测量段的C-C剖面图；

图6示出图1中刀杆的立体图； 

图7示出图6中感知测量段横截面剖面图；

图8（a）示出图6中智能刀具的感知单元安装位置示意图；

图8（b）示出图8（a）所示单个传感器的布置情况的示意图；

图8（c）示出图8（a）所示两个传感器的布置情况的示意图；

图9示出本发明的智能刀具的主剖视图，采用感知基片9；

图10示出图9中感知测量段的D-D剖面图；

图11（a）示出图9中测量系统的感知单元安装位置示意图；

图11（b）示出图11（a）所示单个传感器的布置情况的示意图；

图11（c）示出图11（a）所示两个传感器的布置情况的示意图。

图中，刀杆1、微小三向切削力测量系统2、切削刀片3、密封盖4、信号接口端5、刀头1a、过渡段1b、刀杆主体1c、封装段1ca、四棱柱结构段1cb、感知单元2a、感知基片9、长孔11、导线孔12a、螺纹孔13、可换刀片安装凹槽14、感知单元安装槽15a。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1-图6所示，具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，所述的智能刀具包括刀杆1及切削刀片3，所述的智能刀具还包括微小三向切削力测量系统2、密封盖4以及信号接口端5；刀杆1由刀头1a、刀杆主体1c以及连接刀头1a和刀杆主体1c的过渡段1b三部分组成；切削刀片3固定装在刀头1a上，切削刀片3的上表面与刀杆主体1c中心面重合设置，切削刀片3的刀尖位于刀杆主体1c的中心线上；刀杆主体1c的前端设有感知测量段，感知测量段设有测力凹腔；微小三向切削力测量系统2固接安装于感知测量段的测力凹腔中，微小三向切削力测量系统2通过与感知测量段固接的密封盖4密封于测力凹腔内；刀杆主体1c的后端沿轴向设有长孔11，感知测量段设有与长孔11连通的导线孔12a；信号接口端5位于刀杆主体1c的长孔11后端部。

所述的刀头1a上表面的前端设有可换刀片安装凹槽14，可换刀片安装凹槽14的底面上设有螺纹孔13，可换刀片安装凹槽14内匹配装有可更换的切削刀片3，切削刀片3通过与螺纹孔13紧固连接的螺钉固定安装在刀头1a上；或者切削刀片3以焊接形式固定装在刀头1a的上表面。 

传输交换感知单元测量的信号数据，智能刀具可以内置或者外接信号处理和分析系统，进一步与机床控制系统融合，用于智能化的加工监测和控制。切削刀片3优选金刚石刀片。

具体实施方式二：如图4-图7所示，具体实施方式一所述的具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，所述的感知测量段由两个封装段1ca和位于两个封装段1ca之间的四棱柱结构段1cb组成，四棱柱结构段1cb及两个封装段1ca的中心线均与刀杆主体1c的中心线重合，封装段1ca及四棱柱结构段1cb的横截面均为正方形，封装段1ca的横截面小于刀杆主体1c的横截面，四棱柱结构段1cb的横截面小于封装段1ca的横截面，从而形成刀杆周侧面上连通的测力凹腔；微小三向切削力测量系统2包括四个感知单元2a，两个封装段1ca位于同一外侧面的中心处横跨配对固定一个感知单元2a，感知单元2a与四棱柱结构段1cb间形成中空间隔腔；两个封装段1ca位于相同侧的外侧面与密封盖4固接，即两个封装段1ca位于相同侧的外侧面通过螺钉或者环氧树脂胶与密封盖4固接；四棱柱结构段1cb的四个外侧面各设有一个与长孔11连通的导线孔12a，用于感知信号输出线导出。

具体实施方式三：如图8b及图8c所示，具体实施方式二所述的具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，所述的感知单元2a为单个传感器或至少两个传感器组成的传感阵列。

具体实施方式四：如图8b及图8c所示，具体实施方式二所述的具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，所述的感知单元2a为电阻应变式传感器、压阻式传感器、压电晶体式传感器、电容测微仪、微位移传感器或声表面波传感器。

具体实施方式五：如图6及图7所示，具体实施方式二、三或四所述的具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，所述的感知单元固接安装还可以在每个封装段1ca的四个外侧面中心处分别加工有一个感知单元安装凹槽15a，每个感知单元2a匹配安装在两个封装段1ca位于同一侧面的两个感知单元安装凹槽15a内，使得结构更加紧凑。

具体实施方式六：如图9所示，具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，

所述的智能刀具包括刀杆1及切削刀片3，所述的智能刀具还包括微小三向切削力测量系统2、信号接口端5以及感知基片9；刀杆1由刀头1a、刀杆主体1c以及连接刀头1a和刀杆主体1c的过渡段1b三部分组成；切削刀片3固定装在刀头1a上，切削刀片3的上表面与刀杆主体1c中心面重合设置，切削刀片3的刀尖位于刀杆主体1c的中心线上；刀杆主体1c的前端有感知测量段，感知测量段设有测力凹腔，感知基片9固定于感知测量段的测力凹腔上；微小三向切削力测量系统2固接安装在感知基片9面向测力凹腔的内侧面上，微小三向切削力测量系统2通过感知基片9密封于测力凹腔内；刀杆主体1c的后端沿轴向设有长孔11，感知测量段设有与长孔11连通的导线孔12a；信号接口端5位于刀杆主体1c的长孔11后端。

所述的刀头1a上表面的前端设有可换刀片安装凹槽14，可换刀片安装凹槽14的底面上设有螺纹孔13，可换刀片安装凹槽14内匹配装有可更换的切削刀片3，切削刀片3通过与螺纹孔13紧固连接的螺钉固定安装在刀头1a上；或者切削刀片3以焊接形式固定装在刀头1a的上表面。

具体实施方式七：如图6及图9-图11a所示，具体实施方式六所述的具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，所述的感知测量段由两个封装段1ca和位于两个封装段1ca之间的四棱柱结构段1cb组成，四棱柱结构段1cb及两个封装段1ca的中心线均与刀杆主体1c的中心线重合，封装段1ca及四棱柱结构段1cb的横截面均为正方形，封装段1ca的横截面小于刀杆主体1c的横截面，四棱柱结构段1cb的横截面小于封装段1ca的横截面，从而形成刀杆周侧面上连通的测力凹腔；两个封装段1ca的同一外侧面上横跨配对固定安装一个感知基片9，兼具感知测量段的密封；四棱柱结构段1cb的四个侧面上各设有一个与刀杆主体1c的长孔11连通的导线孔12a，用于感知信号输出线导出；微小三向切削力测量系统2包括四个感知单元2a，传感器单元2a固接安装在感知基片9面向测力凹腔内侧面的中心位置。 

具体实施方式八：如图11b及图11c所示，具体实施方式七所述的具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，所述的感知单元2a为单个传感器或至少两个传感器组成的传感阵列。

具体实施方式九：如图11b及图11c所示，具体实施方式七所述的具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，所述的感知单元2a为电阻应变式传感器、压阻式传感器、压电晶体式传感器、电容测微仪、微位移传感器或声表面波传感器等感知器件。

本发明的具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，解决了超精密加工过程中针对微小三向切削力的测量设备和仪器存在成本高，体积大，安装空间受限以及带来的刚度降低的负面影响。智能刀具打破了刀具只用于切削加工的单一执行器功能，实现刀具智能化，并且结构紧凑，和刀杆融为一体，刀杆上没有突出部分，方便使用和安装，工业化实用性强。

本发明智能刀具的集成微小三向切削力测量系统的方式保证了刀具的更高的刚度，并保证了测量系统的高精度和高灵敏度，更好地满足了超精密加工对智能刀具的要求。

三向力：在切削力中，指总切削合力F按照空间直角坐标系分解为三个相互垂直的切削分力。如图1所示，通常情况，Fx为进给力、也称轴向分力、走刀分力；Fy为背向力、也称径向分力、吃刀力；Fz为主切削力、也称切向分力。

工作原理：传感器是基于具有相应的物理效应（如电荷变化，电阻变化，电压变化，频率变化，相位变化）原理. 在载荷下，传感器产生与所受机械载荷成比例的电荷、电阻、电压、频率和相位等，载荷变化, 相应的物理量相应改变，通过测量相应物理量的大小解偶求解出载荷大小。

Claims (8)

1.一种具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，所述的智能刀具包括刀杆(1)、切削刀片(3)、微小三向切削力测量系统(2)、密封盖(4)以及信号接口端(5)；刀杆(1)由刀头(1a)、刀杆主体(1c)以及连接刀头(1a)和刀杆主体(1c)的过渡段(1b)三部分组成；切削刀片(3)固定装在刀头(1a)上，切削刀片(3)的上表面与刀杆主体(1c)中心面重合设置，切削刀片(3)的刀尖位于刀杆主体(1c)的中心线上，刀杆主体(1c)的前端设有感知测量段，感知测量段设有测力凹腔，微小三向切削力测量系统(2)固接安装于感知测量段的测力凹腔中，微小三向切削力测量系统(2)通过与感知测量段固接的密封盖(4)密封于测力凹腔内，刀杆主体(1c)的后端沿轴向设有长孔(11)，感知测量段设有与长孔(11)连通的导线孔(12a)，信号接口端(5)位于刀杆主体(1c)的长孔(11)后端部；其特征是：

所述的感知测量段由两个封装段(1ca)和位于两个封装段(1ca)之间的四棱柱结构段(1cb)组成，从而形成刀杆周侧面上的测力凹腔，四棱柱结构段(1cb)及两个封装段(1ca)的中心线均与刀杆主体(1c)的中心线重合，两个封装段(1ca)位于相同侧的外侧面与密封盖(4)固接，四棱柱结构段(1cb)的四个外侧面各设有一个与长孔(11)连通的导线孔(12a)。

2.如权利要求1所述的具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，其特征是：所述的微小三向切削力测量系统(2)包括四个感知单元(2a)，两个封装段(1ca)位于同一外侧面的中心处横跨配对固定一个感知单元(2a)，感知单元(2a)与四棱柱结构段(1cb)间形成中空间隔腔。

3.如权利要求2所述的具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，其特征是：所述的感知单元(2a)为单个传感器或至少两个传感器组成的传感阵列。

4.如权利要求2或3所述的具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，其特征是：所述的封装段(1ca)的四个外侧面中心处分别加工有一个感知单元安装凹槽(15a)，每个感知单元(2a)匹配安装在两个封装段(1ca)位于同一侧面的两个感知单元安装凹槽(15a)内。

5.一种具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，所述的智能刀具包括刀杆(1)及切削刀片(3)，其特征是：所述的智能刀具还包括微小三向切削力测量系统(2)、信号接口端(5)以及感知基片(9)，刀杆(1)由刀头(1a)、刀杆主体(1c)以及连接刀头(1a)和刀杆主体(1c)的过渡段(1b)三部分组成；切削刀片(3)固定装在刀头(1a)上，切削刀片(3)的上表面与刀杆主体(1c)中心面重合设置，切削刀片(3)的刀尖位于刀杆主体(1c)的中心线上，刀杆主体(1c)的前端有感知测量段，感知测量段设有测力凹腔，感知基片(9)固定于感知测量段的测力凹腔上，微小三向切削力测量系统(2)固接安装在感知基片(9)面向测力凹腔的内侧面上，微小三向切削力测量系统(2)通过感知基片(9)密封于测力凹腔内，刀杆主体(1c)的后端沿轴向设有长孔(11)，感知测量段设有与长孔(11)连通的导线孔(12a)，信号接口端(5)位于刀杆主体(1c)的长孔(11)后端。

6.如权利要求5所述的具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，其特征是：所述的感知测量段由两个封装段(1ca)和位于两个封装段(1ca)之间的四棱柱结构段(1cb)组成，从而形成刀杆周侧面上连通的测力凹腔，四棱柱结构段(1cb)及两个封装段(1ca)的中心线均与刀杆主体(1c)的中心线重合；两个封装段(1ca)的同一外侧面上横跨配对固定安装一个感知基片(9)，四棱柱结构段(1cb)的四个侧面上各设有一个与刀杆主体(1c)的长孔(11)连通的导线孔(12a)。

7.如权利要求5或6所述的具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，其特征是：所述的微小三向切削力测量系统(2)包括四个感知单元(2a)，传感器单元(2a)固接安装在感知基片(9)面向测力凹腔内侧面的中心位置。

8.如权利要求7所述的具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，其特征是：所述的感知单元(2a)为单个传感器或至少两个传感器组成的传感阵列。