CN104802027B - 一种机床切削力传感器动态保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机床切削力传感器动态保护装置，属于机械设计领域。装置包括安装板、连接板和三个独立的传感器保护模块；每个传感器保护模块都包括一个轴向保护模块和一个径向保护模块。通过合理设计轴向保护模块的高度，保证力传感器在一定变形的情况下轴向保护模块与连接块接触，保护力传感器不受到过大轴向力的损坏。径向保护模块采用一个弹簧预紧的斜锲调整机构并通过轴承外圆面作为接触面，在力传感器径向变形过大的情况下保护力传感器不受到过大径向力的损坏。本发明能够实现对车铣复合加工过程中切削力传感器三个方向的保护，保证了车铣复合加工过程中三个方向切削力实时高精度测量的安全进行。

Description

一种机床切削力传感器动态保护装置

技术领域

本发明涉及一种车铣复合机床加工过程中切削力传感器的动态保护装置，，属于机械设计技术领域。

背景技术

随着精密微细切削加工技术的发展，车铣复合加工技术已经实现了细长轴类微小零件的加工，逐渐成为了非硅基微细复杂结构件加工的关键技术。与常规的金属切削一样，车铣复合加工过程中的切削力是影响工件质量的关键因素，切削力测量对于刀具设计、工艺参数优化以及切削状态监测都具有重要的意义。不同的是，在车铣复合加工过程中车削主轴和铣削主轴同时转动以获得相对较高的切削速度，从而导致只能将测量切削力的传感器安装到机床主轴上进行动态的测量。为满足微小切削力的测量需求，针对微细加工的切削力传感器，其精度应在mN级别，量程在10N左右。如果将这样的微力传感器直接安装到机床主轴上对切削力进行测量，势必会由于传感器前端卡具等负重及其动态力过大而导致传感器的损坏。然而，现有的力传感器保护装置大都用于进行静态安装的传感器保护，暂时还没有发现安装在类似机床主轴上做高速旋转运动的传感器保护装置。因此，确有必要设计相应的传感器保护装置以解决现有的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种机床切削力传感器动态保护装置，能够实现针对微细结构件车铣复合加工过程中切削力传感器的动态保护。

一种机床切削力传感器动态保护装置，包括安装板、连接板和三个独立的传感器保护模块；每个传感器保护模块都包括一个轴向保护模块和一个径向保护模块，外围设备为卡盘和车削主轴；

所述轴向保护模块与力传感器均固定连接在安装板的表面上，所述轴向保护模块垂直于安装板平面方向上的高度小于力传感器垂直于安装板平面方向上的高度，所述径向保护模块固定连接在所述安装板上对应力传感器的位置，径向保护模块能够沿所述安装板的径向方向调节自身与力传感器的相对距离，所述卡盘通过连接板与所述安装板上的力传感器固定连接，上述部件形成一个组件后通过安装板固定连接在所述车削主轴上。

进一步地，所述的安装板的中间部分为圆环状，圆环四周有均布的三个方形平板，圆环部分有两个均布的六个轴向保护模块安装孔和三个均布的力传感器安装孔，每个方形平板上有两个安装孔用于安装径向保护模块的安装支座，安装板上还加工有三个周向均布的安装孔。

进一步地，所述连接板的中部有一个通孔和凹槽用于卡盘的定位，连接板上还设有有三个卡盘安装孔和三个力传感器安装孔。

进一步地，所述轴向保护模块为两个矩形的立方体零件，每个轴向保护模块包含一个安装孔、一个定位面和一个调整面。

进一步地，所述径向保护模块为一个弹簧预紧的斜锲调整机构并通过轴承外圆面施加调整力，径向保护模块包含两个弹簧，两个弹簧预紧螺母，两个径向保护模块安装螺栓，一个径向保护模块安装支座，一个调节螺钉，两个弹簧预紧螺栓，四个轴承座安装螺栓，两个轴承座，一个大垫圈，一个轴承，一个小垫圈，一个调整基座，一个调整斜锲和一个阶梯轴；所述的径向保护模块安装支座为一个L形状的三维零件，径向保护模块安装支座的一个面上包含两个 安装孔用于径向保护模块安装螺栓进行安装固定，在另外一个面上包含两个通孔用于安装两个弹簧预紧螺栓；

所述的阶梯轴为一个阶梯状的轴类零件，包含两个台阶分别用于安装大垫圈和小垫圈进行轴承定位，一个与轴承配合安装的轴面，两个与轴承座安装的轴面；

所述的轴承座为一个Ω状的零件，轴承座包含两个半圆面分别与调整基座上的两个半圆面配合用于安装阶梯轴，两个安装孔用于阶梯轴的固定；

所述的大垫圈和小垫圈都是一个环状的零件，大垫圈和小垫圈都包含一个通孔用于阶梯轴穿过，两个定位面用于轴承定位；

所述的调整基座是一个复杂的三维结构件，包含两个带半圆面的凸起用于安装阶梯轴，四个均布的螺纹孔用于安装轴承座，两个通孔用于安装两个弹簧预紧螺栓，一个微调螺纹孔用于安装调节螺钉，一个斜槽用于安装调整斜锲；

所述的调整斜锲为一个截面为直角三角形的三维零件，包含一个斜面用于与调整基座上的斜槽接触，一个调整面用于与调节螺钉接触。

进一步地，所述的轴承与阶梯轴的轴承安装面配合安装，所述的大垫圈和小垫圈套到阶梯轴上轴承的两边将轴承定位到阶梯轴和轴承座之间，所述的两个轴承座的半圆面与调整基座上的两个半圆面的紧密结合将阶梯轴定位到调整基座上并通过四个轴承座安装螺栓实现其紧密连接，所述的调整基座通过弹簧和弹簧预紧螺栓浮动的连接到径向保护模块安装支座上，所述的调整斜锲置于调整基座的斜槽内并被弹簧的预紧力夹紧在调整基座和径向保护模块安装支座之间，所述的调节螺钉安装在调整基座的微调螺纹孔内并通过控制调整斜锲的位置来控制弹簧的预紧力以及径向定位的位置即轴承的径向位置，实现力传感 器在车削主轴径向方向上的保护，所述的径向保护模块安装支座通过两个径向保护模块安装螺栓与安装板上每个方形平板上两个安装孔分别进行安装实现径向保护模块的安装，所述的轴向保护模块通过一个定位面和安装孔安装到安装板的六个径向保护模块安装孔上并通过对其调整面高度的调节来保证其与连接板的合理间隙实现力传感器的轴向保护，所述的连接板通过其中间的通孔和凹槽进行卡盘定位，并通过三个卡盘安装孔实现卡盘安装，通过三个力传感器安装孔与力传感器进行连接实现连接板安装，所述的力传感器通过安装板上个均布的力传感器安装孔与安装板连接安装，所述的安装板通过其三个均布的安装板的安装孔安装到机床车削主轴上。

有益效果：

1、本发明通过紧凑的设计对随机床主轴转动的力传感器进行保护，实现了力传感器的轴向及径向全方位的保护，并且力传感器保护装置的轴向保护模块安装在各个力传感器之间的间隙空间里，径向保护模块安装在力传感器的外围，对力传感器测量系统的原有结构没有任何负面影响，有利于保障切削力测量过程的安全进行。

2、本发明针对车铣复合加工过程中可能出现切削力较大时，力传感器保护装置与待测对象接触，从而阻碍力传感器对切削力的测量，降低测量精度的情况，进行了合理的结构设计，以高精度轴承作为导向部件，减小了在极端情况下力传感器保护装置对力传感器测量结果的阻碍作用，保障了切削力测量系统的高精度测量。

附图说明

图1为本发明位于车铣复合加工系统中的示意图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为本发明的一个传感器保护模块的主视图；

图4为本发明的一个传感器保护模块的俯视图；

图5为本发明的调整基座与调整斜锲的配合关系示意图；

图6为本发明的一个传感器保护模块的轴测图。

其中，1-传感器保护模块，2-卡盘，3-工件，4-铣刀，5-铣削主轴，6-移动滑台，7-连接板，8-安装板，9-车削主轴，10-力传感器，11-轴向保护模块，12-安装孔，13-径向保护模块，14-弹簧，15-弹簧预紧螺母，16-径向保护模块安装螺栓，17-径向保护模块安装支座，18-调节螺钉，19-弹簧预紧螺栓，20-轴承座安装螺栓，21-轴承座，22-大垫圈，23-轴承，24-小垫圈，25-调整基座，26-调整斜锲，27-阶梯轴。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明的机床切削力传感器动态保护装置包括安装板8、连接板7和三个独立的传感器保护模块1，外围设备为卡盘2和车削主轴9。

如附图2所示，所述传感器保护模块1包括力传感器10、轴向保护模块11和径向保护模块13。

所述的安装板8为一个平板类零件，其中间部分为圆环状，圆环四周有均布的三个方形平板，圆环部分有两个均布的六个轴向保护模块安装孔和三个均布的力传感器安装孔，每个方形平板上有两个安装孔用于安装径向保护模块安装支座，三个均布的安装板的安装孔12；

所述的连接板7为一个环形板状零件，连接板中间有一个通孔和凹槽用于卡盘的定位，连接板轴向均布有三个卡盘安装孔和三个力传感器安装孔；

所述的三个独立的传感器保护模块1为圆周上均布且完全一样的三个模块，每个传感器保护模块1都包括一个轴向保护模块11和一个径向保护模块13；

所述的轴向保护模块11为两个矩形的立方体零件，每个轴向保护模块包含一个安装孔、一个定位面和一个调整面；

如附图3所示，所述的径向保护模块13为一个弹簧预紧的斜锲调整机构并通过轴承外圆面施加调整力，径向保护模块13包含两个弹簧14，两个弹簧预紧螺母15，两个径向保护模块安装螺栓16，一个径向保护模块安装支座17，一个调节螺钉18，两个弹簧预紧螺栓19，四个轴承座安装螺栓20，两个轴承座21，一个大垫圈22，一个轴承23，一个小垫圈24，一个调整基座25，一个调整斜锲26，一个阶梯轴27；

如附图6所示，所述的径向保护模块安装支座17为一个L形状的三维零件，径向保护模块安装支座17的一个面上包含两个安装孔用于径向保护模块安装螺栓16进行安装固定，在另外一个面上包含两个通孔用于安装两个弹簧预紧螺栓19；

所述的阶梯轴27为一个阶梯状的轴类零件，包含两个台阶分别用于安装大垫圈22和小垫圈24进行轴承23定位，一个与轴承23配合安装的轴面，两个与轴承座21安装的轴面；

所述的轴承座21为一个Ω状的零件，轴承座21包含两个半圆面分别与调整基座25上的两个半圆面配合用于安装阶梯轴27，两个安装孔用于阶梯轴27的固定；

所述的大垫圈22和小垫圈24都是一个环状的零件，大垫圈22和小垫圈24都包含一个通孔用于阶梯轴27穿过，两个定位面用于轴承23定位；

如附图5所示，所述的调整基座25是一个复杂的三维结构件，包含两个带半圆面的凸起用于安装阶梯轴27，四个均布的螺纹孔用于安装轴承座21，两个通孔用于安装两个弹簧预紧螺栓19，一个微调螺纹孔用于安装调节螺钉18，一个斜槽用于安装调整斜锲26；

所述的调整斜锲26为一个截面为直角三角形的三维零件，包含一个斜面用于与调整基座25上的斜槽接触，一个调整面用于与调节螺钉18接触；

其整体连接关系为：所述的轴承23与阶梯轴27的轴承安装面配合安装，所述的大垫圈22和小垫圈24套到阶梯轴27上轴承的两边将轴承23定位到阶梯轴27和轴承座21之间，所述的两个轴承座21的半圆面与调整基座25上的两个半圆面的紧密结合将阶梯轴27定位到调整基座25上并通过四个轴承座安装螺栓20实现其紧密连接，所述的调整基座25通过弹簧14和弹簧预紧螺栓19浮动的连接到径向保护模块安装支座17上，所述的调整斜锲26置于调整基座25的斜槽内并被弹簧14的预紧力夹紧在调整基座25和径向保护模块安装支座17之间，所述的调节螺钉18安装在调整基座25的微调螺纹孔内并通过控制调整斜锲26的位置来控制弹簧14的预紧力以及径向定位的位置即轴承23的径向位置，实现力传感器10在车削主轴9径向方向上的保护，所述的径向保护模块安装支座17通过两个径向保护模块安装螺栓16与安装板8上每个方形平板上两个安装孔分别进行安装实现径向保护模块13的安装，所述的轴向保护模块11通过一个定位面和安装孔安装到安装板8的六个径向保护模块安装孔上并通过对其调整面高度的合理设计来保证其与连接板7的合理间隙实现力传感器10的轴向保护，所述的连接板7通过其中间的通孔和凹槽进行卡盘2定位，并通过 三个卡盘安装孔实现卡盘2安装，通过三个力传感器安装孔与力传感器10进行连接实现连接板7安装，所述的力传感器10通过安装板8上三个均布的力传感器安装孔与安装板8连接安装，所述的安装板8通过其三个均布的安装板的安装孔12安装到机床车削主轴9上。

当进行切削力测量时，铣削主轴5上的铣刀4通过移动滑台6对夹持在卡盘2上的工件3进行铣削加工，工件3受力后通过连接盘7直接作用在力传感器10上，当力传感器10受到轴向压力过大时，由于轴向保护模块11垂直于安装板8平面方向上的高度小于力传感器10垂直于安装板8平面方向上的高度，两者之间的高度差决定了力传感器10的承压范围，一旦超出该高度差，轴向保护模块11与连接盘7之间发生接触，起动对力传感器10轴向的受力保护；当力传感器10受到轴向压力过大时，径向保护模块13的轴承23起到对力传感器10的径向受力保护，通过旋动调节螺钉18来调节轴承23与力传感器10之间的径向间距，使力传感器10在合理的受力范围内工作。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种机床切削力传感器动态保护装置，其特征在于，包括安装板(8)、连接板(7)和三个独立的传感器保护模块(1)；每个传感器保护模块都包括一个轴向保护模块(11)和一个径向保护模块(13)，外围设备为卡盘(2)和车削主轴(9)；

所述轴向保护模块(11)与力传感器(10)均固定连接在安装板(8)的表面上，所述轴向保护模块(11)垂直于安装板(8)平面方向上的高度小于力传感器(10)垂直于安装板(8)平面方向上的高度，所述径向保护模块(13)固定连接在所述安装板(8)上对应力传感器(10)的位置，径向保护模块(13)能够沿所述安装板(8)的径向方向调节自身与力传感器(10)的相对距离，所述卡盘(2)通过连接板(7)与所述安装板(8)上的力传感器(10)固定连接，所述卡盘(2)、连接板(7)、力传感器(10)、轴向保护模块(11)和径向保护模块(13)形成一个组件后通过安装板(8)固定连接在所述车削主轴(9)上。

2.如权利要求1所述的机床切削力传感器动态保护装置，其特征在于，所述的安装板(8)的中间部分为圆环状，圆环四周有均布的三个方形平板，圆环部分有成对均布的三对共六个轴向保护模块安装孔和三个均布的力传感器安装孔，每个方形平板上有两个安装孔用于安装径向保护模块(13)的安装支座，安装板(8)上还加工有三个周向均布的安装孔(12)。

3.如权利要求1所述的机床切削力传感器动态保护装置，其特征在于，所述连接板(7)的中部有一个通孔和凹槽用于卡盘的定位，连接板(7)上还设有三个卡盘安装孔和三个力传感器安装孔。

4.如权利要求1所述的机床切削力传感器动态保护装置，其特征在于，所述轴向保护模块(11)为两个矩形的立方体零件，每个轴向保护模块(11)包含一个安装孔、一个定位面和一个调整面。

5.如权利要求1所述的机床切削力传感器动态保护装置，其特征在于，所述的径向保护模块(13)为一个弹簧预紧的斜锲调整机构并通过轴承外圆面施加调整力，径向保护模块(13)包含两个弹簧(14)，两个弹簧预紧螺母(15)，两个径向保护模块安装螺栓(16)，一个径向保护模块安装支座(17)，一个调节螺钉(18)，两个弹簧预紧螺栓(19)，四个轴承座安装螺栓(20)，两个轴承座(21)，一个大垫圈(22)，一个轴承(23)，一个小垫圈(24)，一个调整基座(25)，一个调整斜锲(26)和一个阶梯轴(27)；

所述径向保护模块安装支座(17)为一个L形状的三维零件，径向保护模块安装支座(17)的一个面上包含两个安装孔，在另外一个面上包含两个通孔；

所述的阶梯轴(27)为一个阶梯状的轴类零件，包含两个台阶，一个与轴承(23)配合安装的轴面，两个与轴承座(21)安装的轴面；

所述的轴承座(21)为一个Ω状的零件，轴承座(21)包含一个半圆面和两个安装孔；

所述的调整基座(25)是一个三维结构件，包含两个带半圆面的凸起，四个均布的螺纹孔、两个通孔、一个微调螺纹孔和一个斜槽；

所述的调整斜锲(26)为一个截面为直角三角形的三维零件，包含一个斜面和一个调整面。

6.如权利要求5所述的机床切削力传感器动态保护装置，其特征在于，所述的轴承(23)与阶梯轴(27)的轴承安装面配合安装，所述的大垫圈(22)和小垫圈(24)套到阶梯轴(27)上轴承的两边将轴承(23)定位到阶梯轴(27)和轴承座(21)之间，所述的两个轴承座(21)的半圆面与调整基座(25)上的两个半圆面的紧密结合将阶梯轴(27)定位到调整基座(25)上并通过四个轴承座安装螺栓(20)实现其紧密连接，所述的调整基座(25)通过弹簧(14)和弹簧预紧螺栓(19)浮动的连接到径向保护模块安装支座(17)上，所述的调整斜锲(26)置于调整基座(25)的斜槽内并被弹簧(14)的预紧力夹紧在调整基座(25)和径向保护模块安装支座(17)之间，所述的调节螺钉(18)安装在调整基座(25)的微调螺纹孔内并通过控制调整斜锲(26)的位置来控制弹簧(14)的预紧力以及径向定位的位置即轴承(23)的径向位置，实现力传感器(10)在车削主轴(9)径向方向上的保护，所述的径向保护模块安装支座(17)通过两个径向保护模块安装螺栓(16)与安装板(8)上每个方形平板上两个安装孔分别进行安装实现径向保护模块(13)的安装，所述的轴向保护模块(11)通过一个定位面和安装孔安装到安装板(8)的六个径向保护模块安装孔上并通过对其调整面高度的调节来保证其与连接板(7)的合理间隙实现力传感器(10)的轴向保护，所述的连接板(7)通过其中间的通孔和凹槽进行卡盘(2)定位，并通过三个卡盘安装孔实现卡盘(2)安装，通过三个力传感器安装孔与力传感器(10)进行连接实现连接板(7)安装，所述的力传感器(10)通过安装板(8)上3个均布的力传感器安装孔与安装板(8)连接安装，所述的安装板(8)通过其三个均布的安装板的安装孔(12)安装到机床车削主轴(9)上。