CN103203661B - 一种旋转式三维压电测力刀柄装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种旋转式三维压电测力刀柄装置属于压电式传感器中的测力装置领域，特别涉及一种直接测量铣削、钻削等机械加工过程中刀具所受的轴向力、切向力和扭矩的装置。该装置由可换式铣刀刀柄上端、压电传感器部分、信号传输部分、刀柄下端组成。压电传感器部分由传感器上壳体、三维压电石英测量晶组、绝缘套筒、传感器下壳体、切向力、轴向力、扭矩信号内引线等组成。本发明用三个轴承分别作为压电传感器的轴向力、切向力和扭矩信号的输出途径，解决了压电传感器安装在机床主轴上时，信号的无线传输问题。本装置测量准确，减少了切屑和切削液对测力仪的损害，适用于精密零件加工中，对切削力的监控，提高切削自动化水平。

Description

一种旋转式三维压电测力刀柄装置

技术领域

本发明属于压电式传感器中的测力装置领域，特别涉及一种直接测量铣削、钻削等机械加工过程中刀具所受的轴向力、切向力和扭矩的装置。

背景技术

目前，机械加工中切削力的测量主要有两种方法：应变式和压电式。

应变式中以应变片为灵敏元件的测力仪，具有结构简单、尺寸小、性能稳定可靠、使用方便等优点，一般是通过应变片在受力后发生形变导致电阻值发生变化的原理来测力的，在力信号测量方面使用广泛。但由于只有当应变片产生应变时，通常是几十到两万微应变，其阻值才能发生变化，所以应变式测力仪灵敏度越高则刚度越低。应变式测力仪静态性能好，一般适用于静态测力，但固有频率不高，不适宜动态力测量。

压电式测力仪是根据压电材料的压电效应原理来测量的，同时具有很高的灵敏度和刚度，测量范围宽，线性及稳定性高，动态特性好，适于测量加工过程中的动态切削力。传统的用于测量切削力的多维压电式测力仪通常是盘式结构或平台结构，安装在工件与工作台之间，体积和质量较大，给运输和安装造成了不便。并且安装在工件与工作台之间的压电式测力仪，动态响应受工件质量和几何影响较大，对于较大的工件，测力仪要承受工件自身重量，而且在加工过程中，工件自重不断发生变化，会影响测力信号的准确性，因此，盘式或台式测力仪会限制工件的尺寸。另外，测力仪安装在工作台上容易受到切削液和切屑的损害，要特别注意做好测力仪的防护。

切削力是机械零件加工过程中的重要参数，能否准确测量动态切削力直接影响着实时切削力控制的准确性，进而影响零件的加工精度，随着精密零件的需求日益增加，迫切需要设计一种能准确测量动态切削力的测力仪。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，发明一种旋转式三维压电测力刀柄装置，克服传统压电式测力仪安装在机床工作台与工件之间，测量切削力和扭矩时受工件自重变化影响较大且切削液和切屑会损害测力仪的缺点。该测力刀柄利用深沟球轴承的内外圈可以相对转动且内外圈与钢球始终保持接触的特点，使用三个轻型深沟球轴承作为压电传感器的电荷信号传输工具，分别传输轴向力、切向力和扭矩信号，解决了压电传感器安装在机床主轴上时信号的无线传输问题，实现了测力仪对铣削、钻削等机械加工过程中刀具所受的轴向力、切向力和扭矩的直接测量，安装后免受切削液和切屑的损害。

本发明一种旋转式三维压电测力刀柄装置所采用的技术方案是：一种旋转式三维压电测力刀柄装置由可换式铣刀刀柄上端1、压电传感器部分、信号传输部分、刀柄下端24组成；

压电传感器部分由传感器上壳体3、三维压电石英测量晶组27、绝缘套筒17、预紧螺钉25、传感器下壳体26、扭矩信号内引线28、切向力信号内引线30、轴向力信号内引线32组成；三维压电石英测量晶组27粘在传感器下壳体26的内腔凸台中心上，绝缘套筒17紧贴在传感器下壳体26的内腔表面，焊接在三维压电石英测量晶组27上的带有绝缘外皮的扭矩信号内引线28、切向力信号内引线30和轴向力信号内引线32分别穿过绝缘套筒17、传感器下壳体26、绝缘内环19的侧壁孔，绝缘内环19紧贴传感器下壳体26的外壁并固定在传感器下壳体26的下端突出部位上，传感器上壳体3压在三维压电石英测量晶组27上，通过预紧螺钉25与三维压电石英测量晶组27和传感器下壳体26连接；

信号传输部分中，扭矩信号内引线28焊接在下轻型深沟球轴承16的内圈上，下轻型深沟球轴承16装在绝缘内环19的外侧；下绝缘定位环15套在绝缘内环19的外侧并压在下轻型深沟球轴承16的内圈上；切向力信号内引线30焊接在中轻型深沟球轴承14的内圈上，中轻型深沟球轴承14装在下绝缘定位环15上；上绝缘定位环13套在绝缘内环19的外侧，装在中轻型深沟球轴承14的内圈上；轴向力信号内引线32焊接在上轻型深沟球轴承12的内圈上，上轻型深沟球轴承12装在上绝缘定位环13上；装在传感器上壳体3上的绝缘定位盘6通过四个十字槽圆柱头螺钉5压在上轻型深沟球轴承12的内圈上；轴向力信号外引线33焊接在上轻型深沟球轴承12的外圈上，切向力信号外引线31焊接在中轻型深沟球轴承14的外圈上，扭矩信号外引线29焊接在下轻型深沟球轴承16的外圈上；上角接触球轴承4的外圈小端靠装在上端定位外壳7的孔内，上角接触球轴承4外圈大端向下安装在传感器上壳体3上，且卡在传感器上壳体3的轴肩上；绝缘外环11与外壁筒9底端对齐、孔对齐，安装在外壁筒9内，轴向力信号外引线33、切向力信号外引线31和扭矩信号外引线29分别穿过绝缘外环11和外壁筒9的上、中、下三个孔，绝缘外环11紧贴上轻型深沟球轴承12、中轻型深沟球轴承14、下轻型深沟球轴承16的外圈且绝缘外环11的底端突出部位卡住下轻型深沟球轴承16的外圈，外壁筒9通过螺栓8和螺母10与上端定位外壳7连接；下角接触球轴承21的外圈小端靠装在下端定位外壳20的孔内，下角接触球轴承21的外圈大端向上安装在传感器下壳体26上，卡在传感器下壳体26的轴肩上，下端定位外壳20通过螺钉18与外壁筒9连接；

铣刀刀柄上端1通过螺纹与压电传感器的传感器上壳体3连接，铣刀刀柄上端1的底端卡在上角接触球轴承4的内圈上，两个尾部有螺纹的上定位销2拧在铣刀刀柄上端1与传感器上壳体3连接部位的螺纹孔中，定位套23套在传感器下壳体26上顶住下角接触球轴承21的内圈，刀柄下端24通过螺纹与压电传感器的传感器下壳体26连接，刀柄下端24的轴肩顶住定位套23，两个尾部有螺纹的下定位销22拧在从定位套23的外壁一侧的螺纹孔中。

本发明的显著效果是：设计发明的一种旋转式三维压电测力刀柄装置，利用三个轻型深沟球轴承分别作为压电传感器的轴向力、切向力和扭矩信号的输出途径，实现了转动轴上压电传感器信号的无线传输，使得测力仪可以安装在机床的旋转主轴上，直接测量加工过程中刀具所受的切削力和扭矩，所测信号不受工件自重影响，提高了测量准确性，安装时可以忽略切屑和切削液的损害。

附图说明

附图1为压电式三维旋转测力刀柄装置的结构示意图，图中：1-铣刀刀柄上端，2-上定位销，3-传感器上壳体，4-上角接触球轴承，5-十字槽圆柱头螺钉，6-绝缘定位盘，7-上端定位外壳，8-螺栓，9-外壁筒，10-螺母，11-绝缘外环，12-上轻型深沟球轴承，13-上绝缘定位环，14-中轻型深沟球轴承，15-下绝缘定位环，16-下轻型深沟球轴承，17-绝缘套筒，18-螺钉，19-绝缘内环，20-下端定位外壳，21-下角接触球轴承，22-下定位销，23-定位套，24-刀柄下端，25-预紧螺钉，26-传感器下壳体，27-三维压电石英测量晶组，28-扭矩信号内引线，29-扭矩信号外引线，30-切向力信号内引线，31-切向力信号外引线，32-轴向力信号内引线，33-轴向力信号外引线，A-弧形凹槽。

具体实施方式

结合附图1和技术方案详细说明本发明的实施。铣削零件并测量铣削过程中的切削力和扭矩时，将旋转式三维压电测力刀柄装置的铣刀刀柄上端1 的内螺纹与拉丝螺纹连接，使铣刀刀柄上端1的弧形凹槽A对准机床主轴末端的定位块来进行定位。刀柄下端24和刀具夹头配合用来夹紧刀具。

加工时，主轴旋转带动铣刀刀柄上端1转动，与之连接的传感器部分包括传感器上壳体3、三维压电石英测量晶组27、扭矩信号内引线28、切向力信号内引线30、轴向力信号内引线32、绝缘套筒17、预紧螺钉25、传感器下壳体26一起转动，进而带动刀柄下端24以及与之相连刀具开始转动。因为上角接触球轴承4和下角接触球轴承21的内圈分别与传感器上壳体3和传感器下壳体26都是过盈配合，所以上角接触球轴承4和下角接触球轴承21的内圈随传感器一起转动。绝缘内环19粘贴在传感器上壳体3和传感器下壳体26的外表面，上轻型深沟球轴承12的内圈、上绝缘定位环13、中轻型深沟球轴承14的内圈、下绝缘定位环15、下轻型深沟球轴承16的内圈粘贴在绝缘内环19的外表面，且有传感器下壳体26的底端突出部位和绝缘定位盘6及十字槽圆柱头螺钉5的双向定位，这些零部件随着传感器部分一起转动。

测量时，刀具切削工件时受到工件的反作用切削力和扭矩，通过力的传递以及预紧螺钉25连接传感器上壳体3、三维压电石英测量晶组27和传感器下壳体26产生的预紧力使三维压电石英测量晶组27受到力和扭矩，发生压电效应产生电荷。轴向力电荷信号由轴向力信号内引线32引出到上轻型深沟球轴承12的内圈上，经过上轻型深沟球轴承12中间的钢球传输到上轻型深沟球轴承12的外圈，通过轴向力信号外引线33引出到第一台电荷放大器中，经电荷放大器放大后传送到多功能数据采集模块中；切向力电荷信号由切向力信号内引线30引出到中轻型深沟球轴承14的内圈上，经过中轻型深沟球轴承14中间的钢球传输到中轻型深沟球轴承14的外圈，通过切向力信号外引线31引出到第二台电荷放大器中，经电荷放大器放大后传送到多功能数据采集模块中；扭矩电荷信号由扭矩信号内引线28引出到下轻型深沟球轴承16的内圈上，经过下轻型深沟球轴承16中间的钢球传输到下轻型深沟球轴承16的外圈，通过扭矩信号外引线29引出到第三台电荷放大器中，经电荷放大器放大后传送到多功能数据采集模块中。放大后的轴向力、切向力和扭矩三路信号经过多功能数据采集模块的计算和A/D转换后，被输送到计算机上的与该多功能数据采集模块对应的软件中进行显示、分析、处理和保存。

附图1中的铣刀刀柄上端1是可换式结构，用可换式钻刀刀柄将铣刀刀柄上端1换掉，则此旋转式三维压电测力刀柄装置可用于钻床上测量钻削过程中的切削力和扭矩。

该旋转式三维压电测力刀柄装置可以对转动着的刀具所受的轴向力、切向力和扭矩直接进行测量，不受工件自重变化的影响，测量更准确，减少了切屑和切削液等对测力仪的损害。此装置适用于精密零件加工过程中切削力的监控环节中，提高切削自动化水平。

Claims (1)

1.一种旋转式三维压电测力刀柄装置，其特征是，该装置由可换式铣刀刀柄上端(1)、压电传感器部分、信号传输部分、刀柄下端(24)组成；

压电传感器部分由传感器上壳体(3)、三维压电石英测量晶组(27)、绝缘套筒(17)、预紧螺钉(25)、传感器下壳体(26)、扭矩信号内引线(28)、切向力信号内引线(30)、轴向力信号内引线(32)组成；三维压电石英测量晶组(27)粘在传感器下壳体(26)的内腔凸台中心上，绝缘套筒(17)紧贴在传感器下壳体(26)的内腔表面，焊接在三维压电石英测量晶组(27)上的带有绝缘外皮的扭矩信号内引线(28)、切向力信号内引线(30)和轴向力信号内引线(32)分别穿过绝缘套筒(17)、传感器下壳体(26)、绝缘内环(19)的侧壁孔，绝缘内环(19)紧贴传感器下壳体(26)的外壁并固定在传感器下壳体(26)的下端突出部位上，传感器上壳体(3)压在三维压电石英测量晶组(27)上，通过预紧螺钉(25)与三维压电石英测量晶组(27)和传感器下壳体(26)连接；

信号传输部分中，扭矩信号内引线(28)焊接在下轻型深沟球轴承(16)的内圈上，下轻型深沟球轴承(16)装在绝缘内环(19)的外侧；下绝缘定位环(15)套在绝缘内环(19)的外侧并压在下轻型深沟球轴承(16)的内圈上；切向力信号内引线(30)焊接在中轻型深沟球轴承(14)的内圈上，中轻型深沟球轴承(14)装在下绝缘定位环(15)上；上绝缘定位环(13)套在绝缘内环(19)的外侧，装在中轻型深沟球轴承(14)的内圈上；轴向力信号内引线(32)焊接在上轻型深沟球轴承(12)的内圈上，上轻型深沟球轴承(12)装在上绝缘定位环(13)上；装在传感器上壳体(3)上的绝缘定位盘(6)通过四个十字槽圆柱头螺钉(5)压在上轻型深沟球轴承(12)的内圈上；轴向力信号外引线(33)焊接在上轻型深沟球轴承(12)的外圈上，切向力信号外引线(31)焊接在中轻型深沟球轴承(14)的外圈上，扭矩信号外引线(29)焊接在下轻型深沟球轴承(16)的外圈上；上角接触球轴承(4)的外圈小端靠装在上端定位外壳(7)的孔内，上角接触球轴承(4)外圈大端向下安装在传感器上壳体(3)上，上角接触球轴承外圈大端端面一侧的内圈卡在传感器上壳体(3)的轴肩上；绝缘外环(11)与外壁筒(9)底端对齐、孔对齐，安装在外壁筒(9)内，轴向力信号外引线(33)、切向力信号外引线(31)和扭矩信号外引线(29)分别穿过绝缘外环(11)和外壁筒(9)的上、中、下三个孔，绝缘外环(11)紧贴上轻型深沟球轴承(12)、中轻型深沟球轴承(14)、下轻型深沟球轴承(16)的外圈且绝缘外环(11)的底端突出部位卡住下轻型深沟球轴承(16)的外圈，外壁筒(9)通过螺栓(8)和螺母(10)与上端定位外壳(7)连接；下角接触球轴承(21)的外圈小端靠装在下端定位外壳(20)的孔内，下角接触球轴承(21)的外圈大端向上安装在传感器下壳体(26)上，下角接触球轴承外圈大端端面一侧的内圈卡在传感器下壳体(26)的轴肩上，下端定位外壳(20)通过螺钉(18)与外壁筒(9)连接；

铣刀刀柄上端(1)通过螺纹与压电传感器的传感器上壳体(3)连接，铣刀刀柄上端(1)的底端卡在上角接触球轴承(4)的内圈上，两个尾部有螺纹的上定位销(2)拧在铣刀刀柄上端(1)与传感器上壳体(3)连接部位的螺纹孔中，定位套(23)套在传感器下壳体(26)上顶住下角接触球轴承(21)的内圈，刀柄下端(24)通过螺纹与压电传感器的传感器下壳体(26)连接，刀柄下端(24)的轴肩顶住定位套(23)，两个尾部有螺纹的下定位销(22)拧在定位套(23)的外壁一侧的螺纹孔中。