CN105583692B - 一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法及装置，属于超精密切削、切削力测量和光学零件切削加工等技术领域，适用于快速刀具伺服车削的三向切削力的测量。在快速刀具伺服装置沿Y向布置三个呈等腰三角形分布的压力传感器，可在Z向高频往复加工工件的同时测出切削力，经过三次动力学分析，可得出XYZ三向切削力真值与对应测量值的关系。其中，Z向切削力可由压力传感器三测出，Y向切削力由压力传感器一和压力传感器二的相同的测量成分测出，X向切削力由压力传感器一和压力传感器二的测量值采用差动算法测出。本发明的方法及装置具有切削力测量全面、准确性较高、可避免压电叠堆驱动力对切削力测量的干扰等优点。

Description

一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法及装置

技术领域

本发明属于超精密切削、切削力测量和光学零件切削加工等技术领域，涉及一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法及装置。

背景技术

复杂光学自由曲面的制造是精密制造的重要研究内容，例如非回转对称光学自由曲面的制造。非回转对称光学自由曲面是一种没有任何对称轴的光学自由曲面，具有该曲面的光学元件广泛应用在民用和军事领域中，极大地改善了光学系统的性能。加工具有非回转对称光学自由曲面的零件的一项关键的技术是快速刀具伺服，该项技术是在车床溜板上安装具备快速高频响应能力的刀具微进给伺服机构，具有精度高，效率高，成本低等优点。快速刀具伺服除了可以实现非回转对称光学自由曲面的高效、精密加工之外，还可以实现误差补偿，加工微阵列光学元件等。

快速刀具伺服技术可用于实现刀具相对于工件的快速往复进给，消除机床重复性误差。研究快速刀具伺服加工的切削力具有重要的意义：第一，快速刀具伺服加工的切削力可以有效反映快速刀具伺服机构的加工过程，有助于监测刀具磨损情况；第二，切削力的大小和方向对于快速高频进给加工质量有着至关重要的影响，准确测量切削力有助于揭示快速刀具伺服的切削加工机理；第三，有助于预测已加工表面的表面质量，评估材料的切削性；第四，为快速刀具伺服基于切削力的主动控制打下基础。因此在快速刀具伺服中集成切削力测量系统是十分必要的，而现有的具有切削力测量功能的快速刀具伺服机构只能测量单向切削力，且以测量Z向切削力为主，目前主要有两种技术方案：一种将压力传感器置于快速刀具伺服机构的近刀具端，另一种将压力传感器置于快速刀具伺服机构的驱动器的后方。其中，后一种方案所测出的切削力含有的驱动力成分较大，导致切削力测量的准确性较前一种方案的低。这两种布局方案均无法将三向切削力全部测出，而且在切削力测量方向会受到压电叠堆驱动力的干扰，导致压力传感器的测量值中含有压电叠堆的驱动力成分，所以无法准确地测出全部的快速刀具伺服加工的切削力。而目前用于测量普通车削切削力的三向测力仪存在体积较大，响应频率较低等问题，同时在设计时也没有考虑在弹性基础上测量切削力的问题，所以用于测量普通车削切削力的三向测力仪不适用于快速刀具伺服车削切削力的嵌入式精密测量。

综上所述，为了克服这些不足之处，提高快速刀具伺服切削力测量的准确性和全面性，本发明提出了一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法，并设计了一种具有三向切削力测量功能的快速刀具伺服机构，其主要构成包括：基体、压电叠堆、电容位移传感器、三个压力传感器、T形杠杆式刀架、金刚石车刀等，其中压电叠堆的驱动方向沿Z向，三个压力传感器的测量方向均为Y向，压电叠堆的驱动方向和压力传感器的测量方向垂直，所以，压电叠堆的驱动力不会干扰三个压力传感器的切削力的测量。并将其切削力测量系统做了参数优化设计，通过对切削力测量系统做动力学分析，可得出了XYZ三向切削力真值与对应的实测值的关系式，将所测的实测值代入关系式中，即求得出三向切削力真值。实现本发明的方法及装置具有切削力测量全面、准确性较高、避免压电叠堆驱动力对切削力测量的干扰等优点。

发明内容

本发明提供一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法及装置，以解决目前具有切削力测量功能的快速刀具伺服装置的不能同时测量三向切削力、所测量的切削力测量值含有驱动力成分等问题。

本发明采取的技术方案是：

一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法，包括下列步骤：

(1)将三个完全相同的压力传感器沿Y向立着安装在快速刀具伺服机构的微动平台上，其中压力传感器一和压力传感器二安装在前端，压力传感器三安装在微动平台的内部，三个压力传感器成等腰三角形分布，压力传感器一和压力传感器二位于该等腰三角形的底边上，压力传感器三位于顶点；

(2)用T形杠杆式刀架压紧这三个压力传感器，金刚石车刀安装在杠杆式刀架上，并与杠杆式刀架紧密结合在一起，三个压力传感器、T形杠杆式刀架、金刚石车刀和微动平台共同组成快速刀具伺服机构的切削力测量系统；

(3)将具有切削力测量系统的快速刀具伺服装置安装在车床的溜板上，车床主轴带动工件作旋转运动，快速刀具伺服装置驱动金刚石车刀对工件进行往复切削，从而在金刚石车刀上产生切削力F_c，其分力为Z向切削力真值F_cz、Y向切削力真值F_cy、X向切削力真值F_cx；

(4)金刚石车刀和T形杠杆式刀架的整体将在分力F_cz的作用下绕T_cz点振动，经过动力学分析，可求得Z向切削力测量值与Z向切削力真值F_cz的关系，其中Z向切削力测量值由压力传感器三给出；

(5)金刚石车刀和T形杠杆式刀架的整体将在分力F_cy的作用下绕T_cy点振动，经过动力学分析，可求得Y向切削力测量值与Y向切削力真值F_cy的关系，其中Y向切削力测量值由压力传感器一和压力传感器二给出；

(6)金刚石车刀和T形杠杆式刀架的整体将在分力F_cx的作用下绕T_cx点振动，经过动力学分析，采用差动算法，可求得X向切削力测量值与X向切削力真值F_cx的关系，其中X向切削力测量值由压力传感器一和压力传感器二给出。

本发明所述步骤(4)中动力学分析具体如下：

设F_cz为Z向切削力真值，F_cy为Y向切削力真值，F_s3为压力传感器三的测量值，F_p为Z向压电叠堆的驱动力，M₁为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在F_cz的作用下的运动质量，M_s为压力传感器的运动质量，Z_sz(t)是压力传感器三在F_cz作用下的压缩量，C₁是金刚石车刀紧定螺钉的螺栓连接阻尼，C_s是压力传感器的阻尼，F_pre和F’_pre是金刚石车刀紧定螺钉的预紧力，k₁为金刚石车刀紧定螺钉的螺栓连接刚度，k_B为柔性转台的扭转刚度，k_s为压力传感器的刚度，T_cz点为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在F_cz的作用下的扭转点，位于单向直圆型柔性铰链一、单向直圆型柔性铰链三和单向直圆型柔性铰链四的扭转处，T_cy点为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在F_cy的作用下的扭转点，位于双向直圆型柔性铰链的扭转处，O_z点为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在F_cz的作用下的运动部分的质心，L_a为O_z点到T_cy点的Z向距离，L_b为O_z点到T_cz点的Z向距离，L_c为金刚石车刀的刀尖到T_cy点或T_cz点的Y向距离，当切削力测量系统受到Z向切削力真值的作用时，金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体会绕T_cz点摆动，因为金刚石车刀紧定螺钉距离T_cy点和T_cz点的距离相等，所以压力传感器三所受的预紧力为1/2F’_pre，则测量Z向切削力所需的动力学方程为：

其中：M'_z为阻尼力扭矩，M”_z为惯性力扭矩，

压力传感器三的测量值F_s3为：

F_s3＝k_sZ_sz(t) (2)

由于压电驱动的微动平台是欠阻尼的，所以C₁和C_s可以忽略，则F_cz与压力传感器三的测量值F_s3的关系为：

其中F”_z为惯性力：

本发明所述步骤(5)中动力学分析具体如下：

当切削力测量系统受到Y向切削力真值的作用时，金刚石车刀、T形刀座及Y向运动块组成的整体会在Y向直板型柔性铰链的引导下绕T_cy点摆动，设F_cy为Y向切削力真值，F_sy为压力传感器一或压力传感器二对应于Y向切削力的测量值，F_s1为压力传感器一的总测量值，F_s2为压力传感器二的总测量值，M₂为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在F_cy的作用下的运动质量，M_s为压力传感器一或二的运动质量，O_y为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在F_cy的作用下的运动部分的质心，L_d为O_y点到T_cy点的Z向距离，L_e为O_y点到T_cz点的Z向距离，k₂是Y向直板型柔性铰链的刚度，C₂是Y向直板型柔性铰链的阻尼，O_y距压力传感器一中心线的Z向距离与距压力传感器二中心线的Z向距离相等，均为L_f，且整个切削力测量系统是对称的，所以压力传感器一与压力传感器二的压缩量在F_cy的作用下相同，均为Z_sy(t)；

测量Y向切削力需要的动力学方程为：

其中：M'_y为阻尼力扭矩，M”_y为惯性力扭矩，

压力传感器一或压力传感器二的测量值F_sy为：

同理，忽略阻尼力成分，将F_cy用F_sy表示为：

其中的惯性力F”_y为：

本发明所述步骤(6)中动力学分析具体如下：

X向的切削力真值采用差动算法来测得，设F_cx为X向切削力真值，且方向向左，则压力传感器二受拉，压力传感器一受压，且变形量相同，F_sx为压力传感器一或压力传感器二对应于X向切削力的测量值，M₃为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在F_cx的作用下的运动质量，T_cx为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在F_cx的作用下的扭转点，位于单向直圆型柔性铰链二的扭转处，O_x为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在F_cx的作用下的运动部分的质心，L_g为金刚石车刀的刀尖到T_cx点的Y向距离，L_h为O_x到T_cx点的Y向距离，Z_sx(t)是压力传感器一或二在F_cx的作用下的变形量，Z_s1(t)和Z_s2(t)分别是压力传感器一和二在F_cx和F_cy的合力下的总变形量，压力传感器一和二所受的预紧力均为nF’_pre，n为一个系数，当切削力测量系统受到X向切削力真值的作用时，金刚石车刀和T形刀座组成的整体会绕T_cx点摆动；

X向切削力测量的动力学模型为：

其中：M'_x为阻尼力扭矩，M”_x为惯性力扭矩；

M'_x＝2C_sZ'_sxL_f (7a)

压力传感器一或压力传感器二对应于X向切削力的测量值F_sx为：

F_sx＝k_sZ_sx(t) (8)

同理，忽略阻尼，则F_cx的表达式为：

考虑到：

则F_cx的表达式为：

其中惯性力F”_x为：

一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量装置，底座安装在机床的溜板上，基体以底座后方的凸起部分为定位面安装在底座上，电容位移传感器固定架安装在底座上，电容位移传感器固定安装在电容位移传感器固定架上，Z向预紧块通过Z向直板型柔性铰链与基体连为一体，移动平台通过Z向直圆型柔性铰链与基体连为一体，压电叠堆预紧螺钉通过推动Z向预紧块将Z向压电叠堆预紧在Z向预紧块与移动平台之间，金刚石车刀紧定螺钉将金刚石车刀安装在T形杠杆式刀架上，压力传感器一、压力传感器二、压力传感器三安装在移动平台和T形杠杆式刀架之间。

本发明所述T形杠杆式刀架的结构是：T形刀座上具有定位金刚石车刀的块体，单向直圆型柔性铰链一与单向直圆型柔性铰链二垂直布置，单向直圆型柔性铰链一通过转台一与单向直圆型柔性铰链二连为一体，T形刀座分别通过单向直圆型柔性铰链一、转台一、单向直圆型柔性铰链二、Y向运动块、Y向直板型柔性铰链与T形杠杆式刀架底座连为一体，转台二通过单向直圆型柔性铰链三与T形刀座的前端连为一体，转台三通过单向直圆型柔性铰链四与T形刀座的前端连为一体，转台四通过双向直圆型柔性铰链与T形刀座的后端连为一体，转台二、转台三与转台四呈等腰三角形分布，其中转台四位于该等腰三角形的顶点。

本发明T形杠杆式刀架底座以移动平台前端突出部分的上表面为定位面安装在移动平台上，Z向压电叠堆通过驱动移动平台，带动T形杠杆式刀架、金刚石车刀及三个压力传感器一起做Z向往复运动，金刚石车刀紧定螺钉贯穿金刚石车刀和T形杠杆式刀架且连接于移动平台上，金刚石车刀紧定螺钉一方面将金刚石车刀固定在T形杠杆式刀架上，一方面起到预紧压力传感器一、压力传感器二、压力传感器三的作用，以提高三向切削力测量的准确性，转台二、转台三与转台四用于分别压紧压力传感器一、压力传感器二和压力传感器三，压力传感器一、压力传感器二和压力传感器三成等腰三角形分布，压力传感器一和压力传感器二分别位于该等腰三角形的底边上的两端，压力传感器三位于该等腰三角形的顶点，金刚石车刀紧定螺钉位于该等腰三角形的底边上的中线上，金刚石车刀的刀尖距离压力传感器一和压力传感器二的X向距离相等，且在Y向投影到等腰三角形底边的中点。

本发明的优点及有益效果：本发明采用三个压力传感器的等腰三角形布置形式，通过建立动力学模型，求得了XYZ三向切削力真值与实测值的表达式，在快速刀具伺服装置中集成了切削力测量系统，真正实现了三向切削力的测量；三个压力传感器均为Y向布置，而压电叠堆为Z向布置，压力传感器的测量方向与压电叠堆的驱动方向相互垂直，所以切削力的测量不受压电叠堆驱动力的影响；为以后的快速刀具伺服系统的基于三向切削力的主动控制打下基础。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的剖视图；

图3是本发明的俯视图；

图4是本发明的正视图；

图5是本发明的切削力测量系统的示意图；

图6是Z向切削力真值F_cz作用于切削力测量系统时的运动部分示意图；

图7是Y向切削力真值F_cy作用于切削力测量系统时的运动部分示意图；

图8是X向切削力真值F_cx作用于切削力测量系统时的运动部分示意图；

图9是本发明基体的示意图；

图10是本发明基体的俯视图；

图11是本发明T形杠杆式刀架示意图；

图12是本发明T形杠杆式刀架左视图；

图13是本发明T形杠杆式刀架正视图；

图14是本发明T形杠杆式刀架俯视图；

图15是本发明底座的示意图；

图16是切削力测量系统测量Z向切削力时的动力学模型；

图17是切削力测量系统测量Y向切削力时的动力学模型的X向视图；

图18是切削力测量系统测量Y向切削力时的动力学模型的Z向视图；

图19是切削力测量系统测量X向切削力时的动力学模型。

具体实施方式

请参阅图1-19所示。

一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法，其实施步骤如下：

(1)将压力传感器一11、压力传感器二13和压力传感器三14沿Y向立着安装在快速刀具伺服机构的微动平台302上，其中压力传感器一11和压力传感器二13安装在前端，压力传感器三14安装在微动平台302的内部，压力传感器一11、压力传感器二13和压力传感器三14成等腰三角形分布，压力传感器一11和压力传感器二13位于该等腰三角形的底边上，压力传感器三14位于顶点；

(2)用T形杠杆式刀架10压紧压力传感器一11、压力传感器二13和压力传感器三14，金刚石车刀9安装在T形杠杆式刀架10上，并与T形杠杆式刀架10紧密结合在一起。压力传感器一11、压力传感器13、压力传感器三14、T形杠杆式刀架10、金刚石车刀9和微动平台302共同组成快速刀具伺服机构的切削力测量系统；

(3)将具有切削力测量系统的快速刀具伺服装置安装在车床的溜板上，车床主轴带动工件作旋转运动，快速刀具伺服装置驱动金刚石车刀9对工件进行往复切削，从而在金刚石车刀9上产生切削力F_c，其分力为Z向切削力真值F_cz、Y向切削力真值F_cy、X向切削力真值F_cx；

(4)金刚石车刀9和T形杠杆式刀架10的整体将在分力F_cz的作用下绕T_cz点振动，经过动力学分析，可求得Z向切削力测量值与Z向切削力真值F_cz的关系，其中Z向切削力测量值由压力传感器三14给出；

(5)金刚石车刀9和T形杠杆式刀架10的整体将在分力F_cy的作用下绕T_cy点振动，经过动力学分析，可求得Y向切削力测量值与Y向切削力真值F_cy的关系，其中Y向切削力测量值由压力传感器一11和压力传感器二13给出；

(6)金刚石车刀9和T形杠杆式刀架10的整体将在分力F_cx的作用下绕T_cx点振动，经过动力学分析，采用差动算法，可求得X向切削力测量值与X向切削力真值F_cx的关系，其中X向切削力测量值由压力传感器一11和压力传感器二13给出。

测量Z向切削力真值的动力学模型：

图16为测量Z向切削力真值的动力学模型，设：F_cz为Z向切削力真值，F_cy为Y向切削力真值，F_s3为压力传感器三14的测量值，F_p为Z向压电叠堆6的驱动力，M₁为金刚石车刀9与T形杠杆式刀架10的整体在F_cz的作用下的运动质量，M_s为压力传感器的运动质量，Z_sz(t)是压力传感器三14在F_cz作用下的压缩量，C₁是金刚石车刀紧定螺钉8的螺栓连接阻尼，C_s是压力传感器的阻尼，F_pre和F’_pre是金刚石车刀紧定螺钉8的预紧力，k₁为金刚石车刀紧定螺钉8的螺栓连接刚度，k_B为柔性转台的扭转刚度，k_s为压力传感器的刚度，T_cz点为金刚石车刀9与T形杠杆式刀架10的整体在F_cz的作用下的扭转点，位于单向直圆型柔性铰链一1009、单向直圆型柔性铰链三1010和单向直圆型柔性铰链四1006的扭转处，T_cy点为金刚石车刀9与T形杠杆式刀架10的整体在F_cy的作用下的扭转点，位于双向直圆型柔性铰链1008的扭转处，O_z点为金刚石车刀9与T形杠杆式刀架10的整体在F_cz的作用下的运动部分的质心，L_a为O_z点到T_cy点的Z向距离，L_b为O_z点到T_cz点的Z向距离，L_c为金刚石车刀9的刀尖到T_cy点或T_cz点的Y向距离。如图6所示，当切削力测量系统受到Z向切削力真值的作用时，金刚石车刀9与T形杠杆式刀架10的整体会绕T_cz点摆动。因为金刚石车刀紧定螺钉8距离T_cy点和T_cz点的距离相等，所以压力传感器三14所受的预紧力为1/2F’_pre。则测量Z向切削力所需的动力学方程为：

其中：M'_z为阻尼力扭矩，M”_z为惯性力扭矩。

压力传感器三14的测量值F_s3为：

F_s3＝k_sZ_sz(t) (2)

由于压电驱动的微动平台302是欠阻尼的，所以C₁和C_s可以忽略。则F_cz与压力传感器三14的测量值F_s3的关系为：

其中F”_z为惯性力。

测量Y向切削力真值的动力学模型：

当切削力测量系统受到Y向切削力真值的作用时，金刚石车刀9、T形刀座1012及Y向运动块1013组成的整体会在Y向直板型柔性铰链1004的引导下绕T_cy点摆动，如图7所示。图17为测量Y向切削力的动力学模型的X向左视图，图18为测量Y向切削力的动力学模型的Z向正视图，设：F_cy为Y向切削力真值，F_sy为压力传感器一11或压力传感器二13对应于Y向切削力的测量值，F_s1为压力传感器一11的总测量值，F_s2为压力传感器二13的总测量值，M₂为金刚石车刀9与T形杠杆式刀架10的整体在F_cy的作用下的运动质量，M_s为压力传感器一11或二13的运动质量，O_y为金刚石车刀9与T形杠杆式刀架10的整体在F_cy的作用下的运动部分的质心，L_d为O_y点到T_cy点的Z向距离，L_e为O_y点到T_cz点的Z向距离，k₂是Y向直板型柔性铰链1004的刚度，C₂是Y向直板型柔性铰链1004的阻尼。O_y距压力传感器一11中心线的Z向距离与距压力传感器二13中心线的Z向距离相等，均为L_f，且整个切削力测量系统是对称的，所以压力传感器一11与压力传感器二13的压缩量在F_cy的作用下相同，均为Z_sy(t)。

测量Y向切削力需要的动力学方程为：

其中：M'_y为阻尼力扭矩，M”_y为惯性力扭矩。

压力传感器一11或压力传感器二13的测量值F_sy为：

同理，忽略阻尼力成分，将F_cy用F_sy表示为：

其中的惯性力F”_y为：

测量X向切削力真值的动力学模型：

X向的切削力真值采用差动算法来测得，测量X向切削力的动力学模型的Z向视图如图19所示，设：F_cx为X向切削力真值，且方向向左，则压力传感器二13受拉，压力传感器一11受压，且变形量相同，F_sx为压力传感器一11或压力传感器二13对应于X向切削力的测量值，M₃为金刚石车刀9与T形杠杆式刀架10的整体在F_cx的作用下的运动质量，T_cx为金刚石车刀9与T形杠杆式刀架10的整体在F_cx的作用下的扭转点，位于单向直圆型柔性铰链二1011的扭转处，O_x为金刚石车刀9与T形杠杆式刀架10的整体在F_cx的作用下的运动部分的质心，L_g为金刚石车刀9的刀尖到T_cx点的Y向距离，L_h为O_x到T_cx点的Y向距离，Z_sx(t)是压力传感器一11或二13在F_cx的作用下的变形量，Z_s1(t)和Z_s2(t)分别是压力传感器一11和二13在F_cx和F_cy的合力下的总变形量，压力传感器一11和二13所受的预紧力均为nF’_pre，n为一个系数。如图8所示，当切削力测量系统受到X向切削力真值的作用时，金刚石车刀9和T形刀座1012组成的整体会绕T_cx点摆动。

X向切削力测量的动力学模型为：

其中：M'_x为阻尼力扭矩，M”_x为惯性力扭矩。

M'_x＝2C_sZ'_sxL_f (7a)

压力传感器一11或压力传感器二13对应于X向切削力的测量值F_sx为：

F_sx＝k_sZ_sx(t) (8)

同理，忽略阻尼，则F_cx的表达式为：

考虑到：

则F_cx的表达式为：

其中惯性力F”_x为：

一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量装置，采用压力传感器一11、压力传感器二13和压力传感器三14在Y向等腰三角布置形式，可在进行Z向快速高频加工工件的同时，能避免Z向压电叠堆6的Z向驱动力对切削力测量准确性的干扰，从而较为准确地测出X、Y、Z三向切削力。

一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量装置，其构成主要包括：底座1、电容位移传感器固定架2、基体3、电容位移传感器4、压电叠堆预紧螺钉5、Z向压电叠堆6、紧定螺钉一7、金刚石车刀紧定螺钉8、金刚石车刀9、T形杠杆式刀架10、压力传感器一11、紧定螺钉二12、压力传感器二13、压力传感器三14、紧定螺钉三15、紧定螺钉四16。

底座1安装在机床的溜板上，基体3以底座1后方的凸起部分为定位面，通过紧定螺钉一7安装在底座1上，电容位移传感器固定架2通过紧定螺钉三15安装在底座1上，电容位移传感器4通过紧定螺钉四16固定在电容位移传感器固定架2上，Z向预紧块303通过Z向直板型柔性铰链304与基体3连为一体，移动平台302通过Z向直圆型柔性铰链301与基体3连为一体，压电叠堆预紧螺栓5通过推动Z向预紧块303将Z向压电叠堆6预紧在Z向预紧块303与移动平台302之间，金刚石车刀紧定螺钉8将金刚石车刀9安装在T形杠杆式刀架10上，压力传感器一11、压力传感器二13、压力传感器三14安装在移动平台302和T形杠杆式刀架10之间。

T形刀座1012上具有定位金刚石车刀9的块体1001，单向直圆型柔性铰链一1009与单向直圆型柔性铰链二1011垂直布置，单向直圆型柔性铰链一1009通过转台一1002与单向直圆型柔性铰链二1011连为一体，T形刀座1012分别通过单向直圆型柔性铰链一1009、转台一1002、单向直圆型柔性铰链二1011、Y向运动块1013、Y向直板型柔性铰链1004与T形杠杆式刀架底座1014连为一体，转台二1003通过单向直圆型柔性铰链三1010与T形刀座1012的前端连为一体，转台三1005通过单向直圆型柔性铰链四1006与T形刀座1012的前端连为一体，转台四1007通过双向直圆型柔性铰链1008与T形刀座1012的后端连为一体，转台二1003、转台三1005与转台四1007呈等腰三角形分布，其中转台四1007位于该等腰三角形的顶点。

切削力测量系统的结构是：T形杠杆式刀架底座1014以移动平台302前端突出部分的上表面为定位面，通过紧定螺钉二12安装在移动平台302上，Z向压电叠堆6通过驱动移动平台302，带动T形杠杆式刀架10、金刚石车刀9及三个压力传感器一起做Z向往复运动，金刚石车刀紧定螺钉8贯穿金刚石车刀9和T形杠杆式刀架10且连接于移动平台302上，金刚石车刀紧定螺钉8一方面将金刚石车刀9固定在T形杠杆式刀架10上，一方面起到预紧压力传感器一11、压力传感器二13、压力传感器三14的作用，以提高三向切削力测量的准确性，转台二1003、转台三1005与转台四1007用于分别压紧压力传感器一11、压力传感器二13和压力传感器三14，压力传感器一11、压力传感器二13和压力传感器三14成等腰三角形分布，压力传感器一11和压力传感器二13分别位于该等腰三角形的底边上的两端，压力传感器14位于该等腰三角形的顶点，金刚石车刀紧定螺钉8位于该等腰三角形的底边上的中线上；金刚石车刀9刀尖距离压力传感器一11和压力传感器二13的X向距离相等，且在Y向投影到等腰三角形底边的中点。

本发明的工作过程及三向切削力真值的求解：

将所述的快速刀具伺服装置安装在车床的溜板上，启动车床，给Z向压电叠堆施加一定的电压信号，则快速刀具伺服装置的金刚石车刀会沿Z向往复切削旋转的工件，从而加工出所要求的表面，与此同时，金刚石车刀会受到切削力的作用，可将该切削力在正交坐标系中分解为XYZ三向切削力，通过分析T型杠杆式刀架、预紧螺钉和三个Y向布置的压力传感器组成的切削力测量系统，分别建立求解XYZ三向切削力真值的动力学模型，分析这三个动力学模型，即可求得XYZ三向切削力真值关于切削力实测值的表达式：

①金刚石车刀和T形杠杆式刀架的整体将在分力F_cz的作用下绕T_cz点振动，经过动力学分析，可求得Z向切削力测量值与Z向切削力真值F_cz的关系，其中Z向切削力测量值由压力传感器三给出。

②金刚石车刀和T形杠杆式刀架的整体将在分力F_cy的作用下绕T_cy点振动，经过动力学分析，可求得Y向切削力测量值与Y向切削力真值F_cy的关系，其中Y向切削力测量值由压力传感器一和压力传感器二给出。

③金刚石车刀和T形杠杆式刀架的整体将在分力F_cx的作用下绕T_cx点振动，经过动力学分析，采用差动算法，可求得X向切削力测量值与X向切削力真值F_cx的关系，其中X向切削力测量值由压力传感器一和压力传感器二给出。

Claims (7)

1.一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)将三个完全相同的压力传感器沿Y向立着安装在快速刀具伺服机构的微动平台上，其中压力传感器一和压力传感器二安装在前端，压力传感器三安装在微动平台的内部，三个压力传感器成等腰三角形分布，压力传感器一和压力传感器二位于该等腰三角形的底边上，压力传感器三位于顶点；

(2)用T形杠杆式刀架压紧这三个压力传感器，金刚石车刀安装在杠杆式刀架上，并与杠杆式刀架紧密结合在一起，三个压力传感器、T形杠杆式刀架、金刚石车刀和微动平台共同组成快速刀具伺服机构的切削力测量系统；

(3)将具有切削力测量系统的快速刀具伺服装置安装在车床的溜板上，车床主轴带动工件作旋转运动，快速刀具伺服装置驱动金刚石车刀对工件进行往复切削，从而在金刚石车刀上产生切削力F_c，其分力为Z向切削力真值F_cz、Y向切削力真值F_cy、X向切削力真值F_cx；

(4)金刚石车刀和T形杠杆式刀架的整体将在分力F_cz的作用下绕T_cz点振动，经过动力学分析，可求得Z向切削力测量值与Z向切削力真值F_cz的关系，其中Z向切削力测量值由压力传感器三给出；

(5)金刚石车刀和T形杠杆式刀架的整体将在分力F_cy的作用下绕T_cy点振动，经过动力学分析，可求得Y向切削力测量值与Y向切削力真值F_cy的关系，其中Y向切削力测量值由压力传感器一和压力传感器二给出；

(6)金刚石车刀和T形杠杆式刀架的整体将在分力F_cx的作用下绕T_cx点振动，经过动力学分析，采用差动算法，可求得X向切削力测量值与X向切削力真值F_cx的关系，其中X向切削力测量值由压力传感器一和压力传感器二给出。

2.根据权利要求1所述的一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法，其特征在于步骤(4)中动力学分析具体如下：

设F_cz为Z向切削力真值，F_cy为Y向切削力真值，F_s3为压力传感器三的测量值，F_p为Z向压电叠堆的驱动力，M₁为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在F_cz的作用下的运动质量，M_s为压力传感器的运动质量，Z_sz(t)是压力传感器三在F_cz作用下的压缩量，C₁是金刚石车刀紧定螺钉的螺栓连接阻尼，C_s是压力传感器的阻尼，F_pre和F’_pre是金刚石车刀紧定螺钉的预紧力，k₁为金刚石车刀紧定螺钉的螺栓连接刚度，k_B为柔性转台的扭转刚度，k_s为压力传感器的刚度，T_cz点为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在F_cz的作用下的扭转点，位于单向直圆型柔性铰链一、单向直圆型柔性铰链三和单向直圆型柔性铰链四的扭转处，T_cy点为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在F_cy的作用下的扭转点，位于双向直圆型柔性铰链的扭转处，O_z点为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在F_cz的作用下的运动部分的质心，L_a为O_z点到T_cy点的Z向距离，L_b为O_z点到T_cz点的Z向距离，L_c为金刚石车刀的刀尖到T_cy点或T_cz点的Y向距离，当切削力测量系统受到Z向切削力真值的作用时，金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体会绕T_cz点摆动，因为金刚石车刀紧定螺钉距离T_cy点和T_cz点的距离相等，所以压力传感器三所受的预紧力为1/2F’_pre，则测量Z向切削力所需的动力学方程为：

$\begin{array}{c}{F}_{cz}\·L_c+({F^{\′}}_{pre}-\frac{k_1{Z}_{sz}\left(t\right)}{2})\·\frac{L_a+L_b}{2}\\ =(F_{s3}+\frac{{F^{\′}}_{pre}}{2})\·(L_a+L_b)+4\frac{Z_{sz}\left(t\right)}{L_a+L_b}{k}_B+{M^{\′}}_z+{M^{\′\′}}_z\end{array}---\left(1\right)$

其中：M'_z为阻尼力扭矩，M”_z为惯性力扭矩，

${M^{\′}}_z=C_1\·\frac{{Z^{\′}}_{sz}\left(t\right)}{2}\·\frac{L_a+L_b}{2}+C_s\·{Z^{\′}}_{sz}\left(t\right)\·(L_a+L_b)---\left(1a\right)$

${M^{\′\′}}_z=M_1\·\frac{{L_b}^2}{L_a+L_b}{Z^{\′\′}}_{sz}\left(t\right)+M_s\·{Z^{\′\′}}_{sz}\left(t\right)\·(L_a+L_b)---\left(1b\right)$

压力传感器三的测量值F_s3为：

F_s3＝k_sZ_sz(t) (2)

由于压电驱动的微动平台是欠阻尼的，所以C₁和C_s可以忽略，则F_cz与压力传感器三的测量值F_s3的关系为：

$F_{cz}=F_{s3}\·\[\frac{L_a+L_b}{L_c}\·(\frac{k_1}{4k_s}+1)+\frac{4k_B}{k_s{L}_c(L_a+L_b)}\]+{F^{\′\′}}_z---\left(3\right)$

其中F”_z为惯性力：

${F^{\′\′}}_z=\[M_1\frac{{L_b}^2}{(L_a+L_b)L_c}+M_s\frac{L_a+L_b}{L_c}\]{Z^{\′\′}}_{sz}\left(t\right)---\left(3a\right).$

3.根据权利要求1所述的一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法，其特征在于步骤(5)中动力学分析具体如下：

当切削力测量系统受到Y向切削力真值的作用时，金刚石车刀、T形刀座及Y向运动块组成的整体会在Y向直板型柔性铰链的引导下绕T_cy点摆动，设F_cy为Y向切削力真值，F_sy为压力传感器一或压力传感器二对应于Y向切削力的测量值，F_s1为压力传感器一的总测量值，F_s2为压力传感器二的总测量值，M₂为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在F_cy的作用下的运动质量，M_s为压力传感器一或二的运动质量，O_y为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在F_cy的作用下的运动部分的质心，L_d为O_y点到T_cy点的Z向距离，L_e为O_y点到T_cz点的Z向距离，k₂是Y向直板型柔性铰链的刚度，C₂是Y向直板型柔性铰链的阻尼，O_y距压力传感器一中心线的Z向距离与距压力传感器二中心线的Z向距离相等，均为L_f，且整个切削力测量系统是对称的，所以压力传感器一与压力传感器二的压缩量在F_cy的作用下相同，均为Z_sy(t)；

测量Y向切削力需要的动力学方程为：

$\begin{array}{c}{F}_{cy}\·(L_d+L_e)+({F^{\′}}_{pre}-\frac{k_1{Z}_{sy}\left(t\right)}{2})\·\frac{L_d+L_e}{2}=2k_s{Z}_{sy}\left(t\right)\·(L_d+L_e)\\ +\frac{{F^{\′}}_{pre}}{2}(L_d+L_e)+\frac{2Z_{sy}\left(t\right)}{L_d+L_e}{k}_B+k_2{Z}_{sy}\left(t\right)\·(L_d+L_e)+{M^{\′}}_y+{M^{\′\′}}_y\end{array}---\left(4\right)$

其中：M'_y为阻尼力扭矩，M”_y为惯性力扭矩，

${M^{\′}}_y=C_1\·\frac{{Z^{\′}}_{sy}\left(t\right)}{2}\·\frac{L_d+L_e}{2}+C_2\·{Z^{\′}}_{sy}\left(t\right)\·(L_d+L_e)+2C_s\·{Z^{\′}}_{sy}\left(t\right)\·(L_d+L_e)---\left(4a\right)$

${M^{\′\′}}_y=M_2\·\frac{{L_d}^2}{L_d+L_e}\·{Z^{\′\′}}_{sy}\left(t\right)+2M_s\·{Z^{\′\′}}_{sy}\left(t\right)\·(L_d+L_e)---\left(4b\right)$

压力传感器一或压力传感器二的测量值F_sy为：

$F_{sy}=k_s{Z}_{sy}\left(t\right)=\frac{F_{s1}+F_{s2}}{2}---\left(5\right)$

同理，忽略阻尼力成分，将F_cy用F_sy表示为：

$F_{cy}=(2+\frac{k_2}{k_s}+\frac{k_1}{4k_s}+\frac{4k_B}{k_s{(L_d+L_e)}^2})\frac{F_{s1}+F_{s2}}{2}+{F^{\′\′}}_y---\left(6\right)$

其中的惯性力F”_y为：

${F^{\′\′}}_y=\[M_2\·\frac{{L_d}^2}{{(L_d+L_e)}^2}+2M_s\]{Z^{\′\′}}_{sy}\left(t\right)---\left(6a\right).$

4.根据权利要求1所述的一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法，其特征在于步骤(6)中动力学分析具体如下：

X向的切削力真值采用差动算法来测得，设F_cx为X向切削力真值，且方向向左，则压力传感器二受拉，压力传感器一受压，且变形量相同，F_sx为压力传感器一或压力传感器二对应于X向切削力的测量值，M₃为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在F_cx的作用下的运动质量，T_cx为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在F_cx的作用下的扭转点，位于单向直圆型柔性铰链二的扭转处，O_x为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在F_cx的作用下的运动部分的质心，L_g为金刚石车刀的刀尖到T_cx点的Y向距离，L_h为O_x到T_cx点的Y向距离，Z_sx(t)是压力传感器一或二在F_cx的作用下的变形量，Z_s1(t)和Z_s2(t)分别是压力传感器一和二在F_cx和F_cy的合力下的总变形量，压力传感器一和二所受的预紧力均为nF’_pre，n为一个系数，当切削力测量系统受到X向切削力真值的作用时，金刚石车刀和T形刀座组成的整体会绕T_cx点摆动；

X向切削力测量的动力学模型为：

$\begin{array}{c}{F}_{cx}{L}_g+({{\mathrm{nF}}^{\′}}_{pre}-k_s{Z}_{sx})L_f\\ =({{\mathrm{nF}}^{\′}}_{pre}+k_s{Z}_{sx})L_f+2\frac{Z_{sx}\left(t\right)}{L_f}{k}_B+{M^{\′}}_x+{M^{\′\′}}_x\end{array}---\left(7\right)$

其中：M'_x为阻尼力扭矩，M”_x为惯性力扭矩；

M'_x＝2C_sZ'_sxL_f (7a)

${M^{\′\′}}_x=M_3\·\frac{L_h}{L_f}\·{Z^{\′\′}}_{sx}{L}_h+2M_s{Z^{\′\′}}_{sx}{L}_f---\left(7b\right)$

压力传感器一或压力传感器二对应于X向切削力的测量值F_sx为：

F_sx＝k_sZ_sx(t) (8)

同理，忽略阻尼，则F_cx的表达式为：

$F_{cx}=(\frac{2L_f}{L_g}+\frac{2k_B}{k_s{L}_f{L}_g})F_{sx}+{F^{\′\′}}_x---\left(9\right)$

考虑到：

$\begin{array}{c}{F}_{s1}=F_{sy}-F_{sx}\\ F_{s2}=F_{sy}+F_{sx}\end{array}---\left(10\right)$

则F_cx的表达式为：

$F_{cx}=(\frac{2L_f}{L_g}+\frac{2k_B}{k_s{L}_f{L}_g})\frac{F_{s2}-F_{s1}}{2}+{F^{\′\′}}_x---\left(11\right)$

其中惯性力F”_x为：

${F^{\′\′}}_x=(M_3\·\frac{{L_h}^2}{L_f{L}_g}+2M_s\frac{L_f}{L_g}){Z^{\′\′}}_{sx}---\left(11a\right).$

5.一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量装置，其特征在于：底座安装在机床的溜板上，基体以底座后方的凸起部分为定位面安装在底座上，电容位移传感器固定架安装在底座上，电容位移传感器固定安装在电容位移传感器固定架上，Z向预紧块通过Z向直板型柔性铰链与基体连为一体，移动平台通过Z向直圆型柔性铰链与基体连为一体，压电叠堆预紧螺钉通过推动Z向预紧块将Z向压电叠堆预紧在Z向预紧块与移动平台之间，金刚石车刀紧定螺钉将金刚石车刀安装在T形杠杆式刀架上，压力传感器一、压力传感器二、压力传感器三安装在移动平台和T形杠杆式刀架之间。

6.根据权利要求5所述的一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量装置，其特征在于，T形杠杆式刀架的结构是：T形刀座上具有定位金刚石车刀的块体，单向直圆型柔性铰链一与单向直圆型柔性铰链二垂直布置，单向直圆型柔性铰链一通过转台一与单向直圆型柔性铰链二连为一体，T形刀座分别通过单向直圆型柔性铰链一、转台一、单向直圆型柔性铰链二、Y向运动块、Y向直板型柔性铰链与T形杠杆式刀架底座连为一体，转台二通过单向直圆型柔性铰链三与T形刀座的前端连为一体，转台三通过单向直圆型柔性铰链四与T形刀座的前端连为一体，转台四通过双向直圆型柔性铰链与T形刀座的后端连为一体，转台二、转台三与转台四呈等腰三角形分布，其中转台四位于该等腰三角形的顶点。

7.根据权利要求5所述的一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量装置，其特征在于：T形杠杆式刀架底座以移动平台前端突出部分的上表面为定位面安装在移动平台上，Z向压电叠堆通过驱动移动平台，带动T形杠杆式刀架、金刚石车刀及三个压力传感器一起做Z向往复运动，金刚石车刀紧定螺钉贯穿金刚石车刀和T形杠杆式刀架且连接于移动平台上，金刚石车刀紧定螺钉一方面将金刚石车刀固定在T形杠杆式刀架上，一方面起到预紧压力传感器一、压力传感器二、压力传感器三的作用，以提高三向切削力测量的准确性，转台二、转台三与转台四用于分别压紧压力传感器一、压力传感器二和压力传感器三，压力传感器一、压力传感器二和压力传感器三成等腰三角形分布，压力传感器一和压力传感器二分别位于该等腰三角形的底边上的两端，压力传感器三位于该等腰三角形的顶点，金刚石车刀紧定螺钉位于该等腰三角形的底边上的中线上，金刚石车刀的刀尖距离压力传感器一和压力传感器二的X向距离相等，且在Y向投影到等腰三角形底边的中点。