CN103551924B - 三向切削力测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三向切削力测量装置，旨在克服现有切削力测量装置在各个方向之间相互干扰和贴片位置不精确的问题。三向切削力测量装置包括八角环刀架（1）、车刀（2）、Z轴位移传感器（3）、Y轴位移传感器（4）、X轴位移传感器（5）与刀杆（7）。车刀（2）利用螺钉固定在刀杆（7）左端的刀槽内，刀杆（7）右端固定在八角环刀架（1）的矩形凹槽内，Z轴位移传感器（3）、Y轴位移传感器（4）与X轴位移传感器（5）由上至下地依次固定在八角环刀架（1）上的Z传感器通孔、Y传感器通孔与X传感器通孔内。Z轴位移传感器（3）、Y轴位移传感器（4）与X轴位移传感器（5）的回转轴线平行。并同处八角环刀架（1）的对称面M内。<!-- 2 -->

Description

三向切削力测量装置
技术领域
本发明涉及一种车削加工过程中切削力测量装置，更具体地说，它涉及一种三个独立方向的三向切削力测量装置。
背景技术
在切削加工中，切削力是一个非常重要的参数。切削力信号含有丰富的刀具磨损信息，它反映刀具的磨损情况最为直接，与刀具磨损的相关性好，信号处理的实时性强，因此可利用它作为特征量来实时在线监测刀具的磨损情况。切削力还是设计和合理使用机床、刀具、夹具的重要依据。
目前，用于测量车削力最常见的装置是八角环电阻应变片式测力仪，其结构简单、制造容易、成本低廉,可以进行多个方向上分力的测量,所以得到了广泛的应用。八角环电阻应变片式测力仪根据单个八角环受力变形规律制作而成，同时对其进行了简化，做成双层八角环结构，但由于单个八角环和实际测力仪上的耳环的变形规律有一定的差异,所以八角环上的理论贴片位置并不一定就是测力仪耳环上的对应位置,测力仪的测量精度就不高，被测的各个分力之间的相互影响较大。另外电阻应变片的一致性很难保证,应变片的粘贴固定也相当繁琐,成功率和一致性很难保证，同时存在零点漂移问题、蠕变问题、现行修正和标定问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服了现有切削力测量装置在各个方向之间相互干扰和贴片位置不精确的问题，提供了一种三向切削力测量装置。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的三向切削力测量装置包括八角环刀架、车刀、Z轴位移传感器、Y轴位移传感器、X轴位移传感器与刀杆。
车刀利用螺钉固定在刀杆左端的刀槽内，刀杆右端固定在八角环刀架上的凹槽内，Z轴位移传感器、Y轴位移传感器与X轴位移传感器由上至下地依次固定在八角环刀架上的三个传感器通孔内。
所述的八角环刀架为一个多棱柱式等横截面的左右对称的空心壳体件，八角环刀架的前半部分为前端，八角环刀架的后半部分为固定端，前端与固定端连成一体，八角环刀架即前端与固定端的左右端设置有对称地圆柱形通孔，两圆柱形通孔由一个长方体形通孔连通，两圆柱形通孔的左右侧壁上设置有和两圆柱形通孔连通的长方体形通孔，前端的前端面上设置有安装刀杆的凹槽，固定端的前端面上由上至下地设置有三个安装Z轴位移传感器、Y轴位移传感器与X轴位移传感器的传感器通孔即Z传感器通孔、Y传感器通孔与X传感器通孔。
技术方案中所述的矩形凹槽位于八角环刀架的前端的几何中心处。
技术方案中所述的Z传感器通孔、Y传感器通孔与X传感器通孔的回转轴线相互平行，并同处于八角环刀架的左右对称面M上，Y传感器通孔的回转轴线处于八角环刀架的中性层即中性面N内。
技术方案中所述的Z轴位移传感器、Y轴位移传感器与X轴位移传感器的回转轴线相互平行，并同处于八角环刀架的左右对称面M内，对称面M为八角环刀架几何对称面即YOZ平面；Y轴位移传感器的回转轴线位于八角环刀架的中性面N内，中性面N平行于XOY面，且经过八角环刀架的中性层。
技术方案中所述的Z轴位移传感器位于中性面N的上方，X轴位移传感器位于中性面N的下方。
技术方案中所述的车刀的刀尖位于八角环刀架的左右对称面M内，即车刀的刀尖位于YOZ平面内。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1.本发明所述的三向切削力测量装置不同于以往的测量装置，本发明是提出了一种利用电容式位移传感器测量切削力的装置，避免了因电阻应变片贴片位置不精确产生的误差及维间干扰，提高了测量精度，实现了维间解耦；
2.本发明所述的三向切削力测量装置结构简单，使用方便。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1为车削加工过程中刀尖受力的轴测投影图；
图2为本发明所述的三向切削力测量装置结构组成的轴测投影图；
图3为本发明所述的三向切削力测量装置中所采用的八角环刀架结构的轴测投影图；
图4为本发明所述的三向切削力测量装置中所采用的八角环刀架结构的俯视图；
图中：1.八角环刀架，2.车刀，3.Z轴位移传感器，4.Y轴位移传感器，5.X轴位移传感器，6.前端，7.刀杆，8.固定端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
本发明针对目前切削力测量装置在各个方向之间相互干扰和贴片位置不精确的问题，提出了一种机械结构简单、测量精度高的三向切削力测量装置，利用三个非接触的电容式位移传感器即Z轴位移传感器3、Y轴位移传感器4与X轴位移传感器5测量八角环刀架1在Z、Y、X三个方向上的变形，进而较精确计算三向切削力的大小。该三向切削力测量装置结构简单，调试方便，同时该三向切削力测量装置采用非接触测量方式，很大程度上降低了三个方向上切削力之间的相互干扰，提高了三向切削力测量装置的各向精度。
参阅图2，本发明所述的一种三向切削力测量装置包括有八角环刀架1、车刀2、Z轴位移传感器3、Y轴位移传感器4、X轴位移传感器5、刀杆7。
所述的八角环刀架1为一个多(12)棱柱式等横截面的左右对称的空心壳体件。八角环刀架1的前半部分为前端6，八角环刀架1的后半部分为固定端8，前端6与固定端8连成一体，八角环刀架1的左、右两端即前端6与固定端8的左、右端设置有左右对称的圆柱形通孔，两圆柱形通孔之间由一个长方体形通孔连通，两圆柱形通孔的左右侧壁(即左端圆柱形通孔的左侧壁与右端圆柱形通孔的右侧壁)上设置有和两圆柱形通孔(即左端圆柱形通孔与右端圆柱形通孔)连通的两矩形通孔(左端矩形通孔与右端矩形通孔)，前端6的前端面上设置有安装刀杆7的矩形凹槽，矩形凹槽的左右对称面与八角环刀架1左右对称面共面，车刀2的刀尖位于矩形凹槽与八角环刀架1的左右对称面内，固定端8的前端面上由上至下地设置有三个安装Z轴位移传感器3、Y轴位移传感器4与X轴位移传感器5的传感器通孔即Z传感器通孔、Y传感器通孔与X传感器通孔。Z传感器通孔、Y传感器通孔与X传感器通孔的回转轴线相互平行，并同处于八角环刀架1的左右对称面M内，左右对称面M平行于YOZ坐标面；Y传感器通孔的回转轴线处于八角环刀架1的中性层即中性面N内，中性面N平行于XOY坐标面。
所述的刀杆7的一端设置有用于安装车刀的刀槽，杆7可以为单独的零件，也可以与八角环刀架1做成一体。
所述的Z轴位移传感器3、Y轴位移传感器4、X轴位移传感器5均为非接触的电容式传感器，均采用型号为ZCS1100的传感器，所述非接触的电容式位移传感器是指传感器与被测量目标为非接触的，在本发明中具体指Z轴位移传感器3、Y轴位移传感器4、X轴位移传感器5与刀架1的前端6为非接触的，并通过测量前端6与后端8之间的位移变化来获得测量数据。Z轴位移传感器3、Y轴位移传感器4、X轴位移传感器5分别固定安装于Z传感器通孔、Y传感器通孔与X传感器通孔内。X轴位移传感器5用于测量进给力Fx，Y轴位移传感器4用于测量背向力Fy，Z轴位移传感器3用于测量主切削力Fz，降低了三向力之间的相互干扰，实现维间解耦。
车刀2利用螺钉固定在刀杆7左端的上刀槽内，刀杆7右端(尾端)固定在八角环刀架1左端的矩形凹槽内，该矩形凹槽位于八角环刀架1的前端6的几何中心，车刀2的刀尖位于八角环刀架1的左右对称面M内，即车刀2的刀尖位于YOZ平面内。Z轴位移传感器3、Y轴位移传感器4、X轴位移传感器5由上至下地依次固定安装在八角环刀架1的Z传感器通孔、Y传感器通孔与X传感器通孔内，Z轴位移传感器3、Y轴位移传感器4与X轴位移传感器5的回转轴线相互平行，并同处于八角环刀架1的左右对称面M内，对称面M为八角环刀架1几何对称面即YOZ平面；Y轴位移传感器4的回转轴线位于八角环刀架1的中性面N内，中性面N平行于XOY面，且经过八角环刀架1的中性层；Z轴位移传感器3位于中性面N的上方，X轴位移传感器5位于中性面N的下方。八角环刀架1的中性层，是指车刀2刀尖承受Z向力时，八角环刀架1上层材料受拉伸长，下层材料受压缩短，在伸长层与缩短层之间存在的一个长度保持不变的纤维层。
参阅图1，当进行车削加工时，车刀2上所受的力可以分解成三个方向的分力，即主切削力Fz，进给力Fx及背向力Fy。
参阅图2至图4，在测量进给力Fx时，主切削力Fz及背向力Fy不会对X轴位移传感器5产生干扰，这是因为X轴位移传感器5是通过测量八角环刀架1的前端6与固定端8之间在X轴方向上的位移变化来测量进给力Fx的大小的，根据八角环刀架1的受力变形规律，进给力Fx只会使得八角环刀架1的前端6在X轴方向上产生位移变化，且主切削力Fz使得八角环刀架1产生弯曲变形，背向力Fy使得八角环刀架1的前端6向八角环刀架1的固定端8移动，即主切削力Fz和背向力Fy均不会使八角环刀架1的前端6和固定端8在X轴方向上发生相对位移变化；在测量背向力Fy时，进给力Fx不会对Y轴位移传感器4产生干扰，Y轴位移传感器4是通过测量八角环刀架1的前端6与固定端8之间沿Y轴方向上的位移变化来测量背向力Fy大小，由于Y轴位移传感器4轴线在中性面N内，主切削力Fz使得八角环刀架1的上层材料受拉伸长，下层材料受压缩短，Y轴位移传感器4轴线位于伸长层与缩短层之间的一个长度保持不变的纤维层上，即主切削力Fz不会对Y轴位移传感器4产生干扰；在测量主切削力Fz时，Z轴位移传感器3是通过测量八角环刀架1的前端6与固定端8之间沿Y轴方向上的位移变化来测量主切削力Fz的，进给力Fx使得八角环刀架1的前端6相对于固定端8在X轴方向上产生位移，因此不会对Z轴位移传感器3产生干扰，而由于背向力Fy的作用会使得八角环刀架1的前端6与固定端8之间沿Y轴方向上的位移发生变化，即对Z轴位移传感器3测量的数据产生干扰，设Z轴位移传感器3所测量到的变形量为Δ＝Δz-KΔy，其中Δz、Δy分别为主切削力Fz及背向力Fy作用于车刀2的刀尖部位使得八角环刀架1所产生的变形量，K为影响因子，所以消除背向力Fy对主切削力Fz产生的干扰后，得到主切削力Fz所引起的变形量Δz＝Δ+KΔy。然后，将Z轴位移传感器3、Y轴位移传感器4与X轴位移传感器5所采集的信号经过A/D转换及计算机处理后，得到三向切削力的大小。
该测力装置结构简单，调试方便，采用电容式位移传感器，与传统的电阻应变片式结构相比，该装置的非线性度明显降低。同时该测力装置采用非接触的测量方式，很大程度上降低了切削力在三个方向上的分力之间的相互干扰，提高了切削力测量装置的各向精度。
三向切削力测量装置的工作原理：
八角环刀架1的固定端8固定于车床的工作台上，在进行车削加工时，车削加工所产生的切削力作用于车刀2的刀尖部位，并通过刀杆7传到八角环刀架1上，从而引起八角环刀架1发生变形，此时，X轴位移传感器5、Y轴位移传感器4与Z轴位移传感器3即可分别测量到八角环刀架1在X轴方向、Y轴方向变形量、Z轴方向及弯曲变形量，然后将三个传感器所采集到的信号经过A/D转换及计算机处理后，得到Fx、Fy、Fz的大小，通过力的合成即可得到切削力的大小。

Claims (6)

1.一种三向切削力测量装置，其特征在于，所述的三向切削力测量装置包括八角环刀架(1)、车刀(2)、Z轴位移传感器(3)、Y轴位移传感器(4)、X轴位移传感器(5)与刀杆(7)；
车刀(2)利用螺钉固定在刀杆(7)左端的刀槽内，刀杆(7)右端固定在八角环刀架(1)上的凹槽内，Z轴位移传感器(3)、Y轴位移传感器(4)与X轴位移传感器(5)由上至下地依次固定在八角环刀架(1)上的三个传感器通孔内；
所述的八角环刀架(1)为一个多棱柱式等横截面的左右对称的空心壳体件，八角环刀架(1)的前半部分为前端(6)，八角环刀架(1)的后半部分为固定端(8)，前端(6)与固定端(8)连成一体，八角环刀架(1)即前端(6)与固定端(8)的左右端设置有对称地圆柱形通孔，两圆柱形通孔由一个长方体形通孔连通，两圆柱形通孔的左右侧壁上设置有和两圆柱形通孔连通的长方体形通孔，前端(6)的前端面上设置有安装刀杆(7)的矩形凹槽，固定端(8)的前端面上由上至下地设置有三个安装Z轴位移传感器(3)、Y轴位移传感器(4)与X轴位移传感器(5)的传感器通孔即Z传感器通孔、Y传感器通孔与X传感器通孔。
2.按照权利要求1所述的三向切削力测量装置，其特征在于，所述的矩形凹槽位于八角环刀架(1)的前端(6)的几何中心处。
3.按照权利要求1所述的三向切削力测量装置，其特征在于，所述的Z传感器通孔、Y传感器通孔与X传感器通孔的回转轴线相互平行，并同处于八角环刀架(1)的左右对称面M上，Y传感器通孔的回转轴线处于八角环刀架(1)的中性层即中性面N内。
4.按照权利要求1所述的三向切削力测量装置，其特征在于，所述的Z轴位移传感器(3)、Y轴位移传感器(4)与X轴位移传感器(5)的回转轴线相互平行，并同处于八角环刀架(1)的左右对称面M内，对称面M为八角环刀架(1)几何对称面即YOZ平面；Y轴位移传感器(4)的回转轴线位于八角环刀架(1)的中性面N内，中性面N平行于XOY面，且经过八角环刀架(1)的中性层。
5.按照权利要求3所述的三向切削力测量装置，其特征在于，所述的Z轴位移传感器(3)位于中性面N的上方，X轴位移传感器(5)位于中性面N的下方。
6.按照权利要求1所述的三向切削力测量装置，其特征在于，所述的车刀(2)的刀尖位于八角环刀架(1)的左右对称面M内，即车刀(2)的刀尖位于YOZ平面内。
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