CN106363461B - 一种车削力测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种车削力测量装置及方法，属于机械加工及检测领域。所述车削力测量装置包括：测力传感器、电荷放大器和数据采集装置；测力传感器安装在刀杆的安装槽内，测力传感器的输出端与电荷放大器的输入端连接，电荷放大器的输出端与数据采集装置的输入端连接；使用该车削力测量装置测量切削力时，在刀杆上设置一个安装槽，将测力传感器安装在刀杆的安装槽内即可，本发明中的测力传感器体积较小，不会受到机床结构、夹具、空间等的限制，通用性较好；采用本发明中的车削力测量装置可以无需购买价格昂贵的测力仪，降低成本；同时，采用该装置进行切削力的测量时，刀具可以正常进行装夹，无需伸出较长的长度，保证了刀具系统切削过程中的刚度。
Description
技术领域
本发明涉及机械加工及检测领域，特别涉及一种车削力测量装置及方法。
背景技术
车削加工主要是用车刀对旋转的工件进行切削，例如加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件，在车削加工过程中，切削力的大小会对切削过程中产生的切削热、切削功率、刀具磨损状况、以及工件的加工精度和表面质量等产生影响，因此切削力的平衡和优化是机床设计需要考虑的重要因素。在机床的测试、优化和改进过程中，对切削力的测量十分重要。
目前在车削加工过程中，主要采用专门的测力仪对切削力进行测量，测试结果真实可信。在车削力测量时使用测力仪夹具将测力仪安装在车床刀塔上，再将刀具安装在测量仪上，同时需要将刀具伸出刀塔一定距离，保证刀具可以切削到工件。但在实际测量切削力时发现，测力仪的安装通常会受到机床结构、夹具、空间等限制，通用性较差，而且测力仪的价格高昂，使得切削力的测量成本较高；又由于使用测力仪进行测量时，刀具的伸出长度较长，降低了刀具系统刚度，为切削加工的安全带来了隐患。
发明内容
为了解决现有技术中存在的使用测力仪测量切削过程的切削力时，测力仪的安装通常受到机床结构、夹具、空间等限制，而且测力仪的价格高昂的问题，以及使用测力仪进行测量，时，刀具的伸出长度较长，降低了刀具系统刚度的问题，一方面，本发明实施例提供了一种车削力测量装置，所述车削力测量装置包括：测力传感器、电荷放大器和数据采集装置；
所述测力传感器安装在刀杆的安装槽内，所述测力传感器的输出端与所述电荷放大器的输入端连接，所述电荷放大器的输出端与所述数据采集装置的输入端连接。
所述安装槽位于所述刀杆的下表面，安装槽内设有用于所述测力传感器定位的圆柱体，圆柱体位于测量传感器的中心孔内，所述测力传感器的中心位于第一个定位螺栓与刀架的边缘之间，所述第一个定位螺栓为安装在所述刀架上距离刀片最近的定位螺栓。
另一方面，本发明实施例提供了一种使用所述车削力测量装置测量切削力的方法，所述方法包括：
步骤1：所述测力传感器根据切削过程中受到的所述刀杆施加的X方向、Y方向和Z方向的力分别产生电荷信号并将所述电荷信号发送给所述电荷放大器，X方向与刀片对工件的法向切削力的方向相反，Y方向与刀片对工件的轴向切削力的方向相反，Z方向与刀片对工件的切向切削力的方向相反；
步骤2：电荷放大器对所述电荷信号调理放大并转化成电压信号；
步骤3：所述数据采集装置采集所述电压信号并根据采集到的电压信号分别计算出切削过程中所述测力传感器受到的刀杆施加的X方向的力FSX、Y方向的力FSY以及Z方向的力FSZ；
步骤4：所述数据采集装置将FSX、FSY以及FSZ分别代入如下公式计算出刀片对工件的实测法向切削力Fn、实测轴向切削力Fa以及实测切向切削力Ft：
Fn＝FSX (1)
Fa＝FSY (2)
Ft＝FSZ*b/a (3)
其中，a为所述刀片的刀尖到第一个定位螺栓的中心线的距离，b为所述测力传感器的中心线到所述第一个定位螺栓的中心线的距离；
步骤5：所述数据采集装置将Fn、Fa以及Ft分别代入如下公式计算出刀片对工件的实际法向切削力Frn、实际轴向切削力Fra以及实际切向切削力Frt：
Frn＝knFn+an (4)
Fra＝kaFa+aa (5)
Frt＝ktFt+at (6)
其中，Frn＝knFn+an为实际法向切削力Frn与实测法向切削力Fn的线性方程，kn为系数，an为截距，Fra＝kaFa+aa为实际轴向切削力Fra与实测轴向切削力Fa的线性方程，ka为系数，aa为截距，Frt＝ktFt+at为实际切向切削力Frt与实测切向切削力Ft的线性方程，kt为系数，at为截距。
公式(6)中的系数kt和截距at通过以下方法得出：
步骤1：在无切削状态下，在所述刀片的刀尖处分别悬挂N个不同已知重量的重物，N≥2且N为整数；
步骤2：在悬挂每个重物时，所述测力传感器根据受到刀杆施加的Z方向的力产生电荷信号，并将电荷信号发送给所述电荷放大器；
步骤3：电荷放大器对电荷信号调理放大并转化成电压信号；
步骤4：所述数据采集装置采集所述电压信号并根据采集到的电压信号计算出刀杆施加给测力传感器Z方向的力，再根据公式(3)计算出该力对应的Ft；
步骤5：所述数据采集装置记录下每个重物的重量的大小G1、G2……GN以及每个重量对应的Ft；
即：悬挂重量为G1的重物时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器Z方向的力FSZ1，并根据公式(3)计算出该力对应的实测切向切削力Ft1，所述数据采集装置记录下点(Ft1，G1)；
悬挂重量为G2的重物时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器Z方向的力FSZ2，并根据公式(3)计算出该力对应的实测切向切削力Ft2，所述数据采集装置记录下点(Ft2，G2)；
……
悬挂重量为GN的重物时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器Z方向的力FSZN，并根据公式(3)计算出该力对应的实测切向切削力FtN，所述数据采集装置记录下点(FtN，GN)；
步骤6：所述数据采集装置在平面上绘出点(Ft1，G1)、(Ft2，G2)……(FtN，GN)，并对该N个点进行线性拟合，得出公式(6)中的系数kt和截距at。
公式(6)中的系数kt和截距at通过以下方法得出：
步骤1：在无切削状态下，使用压力传感器分别给所述刀片的刀尖施加第一方向的大小不同的N个力，N≥2且N为整数，所述第一方向与切削过程中，刀片对工件的切向切削力的方向相反；
步骤2：在每个力的作用下，所述测力传感器根据受到刀杆施加的Z方向的力产生电荷信号，并将电荷信号发送给所述电荷放大器；
步骤3：电荷放大器对电荷信号调理放大并转化成电压信号；
步骤4：所述数据采集装置采集所述电压信号并根据采集到的电压信号计算出刀杆施加给测力传感器Z方向的力，再根据公式(3)计算出该力对应的Ft；
步骤5：所述数据采集装置记录下每个力的大小S1、S2……SN以及每个力对应的Ft；
即：压力传感器施加给刀片的力为S1时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器Z方向的力FSZ1，并根据公式(3)计算出该力对应的实测切向切削力Ft1，所述数据采集装置记录下点(Ft1，S1)；
压力传感器施加给刀片的力为S2时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器Z方向的力FSZ2，并根据公式(3)计算出该力对应的实测切向切削力Ft2，所述数据采集装置记录下点(Ft2，S2)；
……
压力传感器施加给刀片的力为SN时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器Z方向的力FSZN，并根据公式(3)计算出该力对应的实测切向切削力FtN，所述数据采集装置记录下点(FtN，SN)；
步骤6：所述数据采集装置在平面上绘出点(Ft1，S1)、(Ft2，S2)……(FtN，SN)，对该N个点进行线性拟合，得出公式(6)中的系数kt和截距at。
公式(4)中的系数kn和截距an通过以下方法得出：
步骤1：在无切削状态下，使用压力传感器分别给所述刀片的刀尖施加第二方向的大小不同的N个力，N≥2且N为整数，所述第二方向与切削过程中，刀片对工件的法向切削力的方向相反；
步骤2：在每个力的作用下，所述测力传感器根据受到刀杆施加的X方向的力产生电荷信号，并将电荷信号发送给所述电荷放大器；
步骤3：电荷放大器对电荷信号调理放大并转化成电压信号；
步骤4：所述数据采集装置采集所述电压信号并根据采集到的电压信号计算出刀杆施加给测力传感器X方向的力，再根据公式(1)计算出该力对应的Fn，
步骤5：所述数据采集装置记录下每个力的大小L1、L2……LN以及每个力对应的Fn；
即：压力传感器施加给刀片的力为L1时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器X方向的力FSX1，并根据公式(1)计算出该力对应的实测法向切削力Fn1，所述数据采集装置记录下点(Fn1，L1)；
压力传感器施加给刀片的力为L2时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器X方向的力FSX2，并根据公式(1)计算出该力对应的实测法向切削力Fn2，所述数据采集装置记录下点(Fn2，L2)；
……
压力传感器施加给刀片的力为LN时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器X方向的力FSXN，并根据公式(1)计算出该力对应的实测法向切削力FnN，所述数据采集装置记录下点(FnN，LN)；
步骤6：所述数据采集装置在平面上绘出点(Fn1，L1)、(Fn2，L2)……(FnN，LN)，对该N个点进行线性拟合，得出公式(4)中的系数kn和截距an。
公式(5)中的系数ka和截距aa通过以下方法得出：
步骤1：在无切削状态下，使用压力传感器分别给所述刀片的刀尖施加第三方向的大小不同的N个力，N≥2且N为整数，所述第三方向与切削过程中，刀片对工件的轴向切削力的方向相反；
步骤2：在每个力的作用下，所述测力传感器根据受到刀杆施加的Y方向的力产生电荷信号，并将电荷信号发送给所述电荷放大器；
步骤3：电荷放大器对电荷信号调理放大并转化成电压信号；
步骤4：所述数据采集装置采集所述电压信号并根据采集到的电压信号计算出刀杆施加给测力传感器Y方向的力，再根据公式(2)计算出该力对应的Fa；
步骤5：所述数据采集装置记录下每个力的大小M1、M2……MN以及每个力对应的Fa，
即：压力传感器施加给刀片的力为M1时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器Y方向的力FSY1，并根据公式(2)计算出该力对应的实测轴向切削力Fa1，所述数据采集装置记录下点(Fa1，M1)；
压力传感器施加给刀片的力为M2时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器Y方向的力FSY2，并根据公式(2)计算出该力对应的实测轴向切削力Fa2，所述数据采集装置记录下点(Fa2，M2)；
……
压力传感器施加给刀片的力为MN时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器Y方向的力FSYN，并根据公式(2)计算出该力对应的实测轴向切削力FaN，所述数据采集装置记录下点(FaN，MN)；
步骤6：所述数据采集装置在平面上绘出点(Fa1，M1)、(Fa2，M2)……(FaN，MN)，对该N个点进行线性拟合，得出公式(5)中的系数ka和截距aa。
通过在刀杆上设置安装槽，并且在安装槽内安装测力传感器，该测力传感器能够根据受到的压力的大小以及压力的方向产生相应的电荷信号，并将该电荷信号传输给电荷放大器，电荷放大器对电荷信号进行调理放大并转化成电压信号，数据采集装置采集电压信号并根据采集到的电压信号计算出切削过程中刀片对工件的实测法向切削力Fn、实测轴向切削力Fa以及实测切向切削力Ft，为了进一步减小误差，可以通过切削力标定的方法找出三个方向的实测切削力与三个方向的实际切削力的对应关系，根据该对应关系得出刀片对工件的实际法向切削力Frn、实际轴向切削力Fra以及实际切向切削力Frt，相对于现有技术来说，本发明中的测力传感器体积较小，安装在刀杆上即可，不会受到机床结构、夹具、空间等的限制，通用性较好；采用本发明中的方法可以无需购买价格昂贵的测力仪，降低了成本；同时，采用该装置进行切削力的测量时，刀具可以正常进行装夹，无需伸出较长的长度，保证了刀具系统切削过程中的刚度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的安装了测力传感器的刀杆与电荷放大器和数据采集装置的连接示意图；
图2是本发明实施例提供的安装了刀片的刀杆的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的安装了刀片和测力传感器的刀杆的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的使用本发明的方法进行切削力测量的原理图；
图5是本发明实施例提供的车削加工过程中切削力的测量方法的流程图；
图6是本发明实施例提供的数据采集装置测量切削力的方法流程图；
图7是本发明实施例提供的实际法向切削力与实测法向切削力的标定方法流程图；
图8是本发明实施例提供的使用压力传感器给刀片施加第二方向的载荷时的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的实际轴向切削力与实测轴向切削力的标定方法流程图；
图10是本发明实施例提供的使用压力传感器给刀片施加第三方向的载荷时的结构示意图；
图11是本发明实施例提供的一种实际切向切削力与实测切向切削力的标定方法流程图；
图12是本发明实施例提供的使用压力传感器给刀片施加第一方向的载荷时的结构示意图；
图13是本发明实施例提供的又一种实际切向切削力与实测切向切削力的标定方法流程图；
图14是本发明实施例提供的重物悬挂在刀片上时的结构示意图。
其中，
1刀杆；2安装槽，21安装槽内的圆柱体；3测力传感器，31第一输出端，32第二输出端，33第三输出端；4刀片；5第一个定位螺栓；6刀架；7工件；8电荷放大器；9数据采集装置；10压力传感器；11重物。
具体实施方式
实施例一
为了解决现有技术中存在的使用测力仪测量切削过程的切削力时，测力仪的安装通常受到机床结构、夹具、空间等限制，而且测力仪的价格高昂的问题，以及使用测力仪进行测量，时，刀具的伸出长度较长，降低了刀具系统刚度的问题，如图1所示，本发明实施例提供了一种车削力测量装置，该车削力测量装置包括测力传感器3、电荷放大器8和数据采集装置9；
测力传感器3安装在刀杆1的安装槽2内，测力传感器3的输出端与电荷放大器8的输入端连接，在本发明实施例中，测量传感器3包括三个输出端，每个输出端对应电荷放大器的一个输入端；电荷放大器8的输出端与数据采集装置9的输入端连接。
如图2所示，安装槽2位于刀杆1的下表面，刀片4安装在刀杆1的上表面，安装槽2内设有用于测力传感器定位的圆柱体21，圆柱体21位于测量传感器3的中心孔内，安装槽2的槽型与测力传感器3的外形相同，测量传感器3可以安装在安装槽2内，如图3所示，通过圆柱体21以及安装槽2的侧面实现测力传感器3的安装和定位，如图4所示，测力传感器3的中心位于第一个定位螺栓5与刀架6的边缘之间，第一个定位螺栓5为安装在刀架6上距离刀片4最近的定位螺栓。
本发明通过设计一种车削力测量装置，该车削力测量装置包括测力传感器3、电荷放大器8和数据采集装置9；测力传感器3的输出端与电荷放大器8的输入端连接，电荷放大器8的输出端与数据采集装置9的输入端连接；当使用该车削力测量装置测量切削力时，在刀杆1上设置一个安装槽2，将测力传感器3安装在刀杆1的安装槽2内即可，本发明中的测力传感器3体积较小，不会受到机床结构、夹具、空间等的限制，通用性较好；采用本发明中的车削力测量装置可以无需购买价格昂贵的测力仪，降低成本；同时，采用该装置进行切削力的测量时，刀具可以正常进行装夹，无需伸出较长的长度，保证了刀具系统切削过程中的刚度。
实施例二
本发明实施例提供了一种使用实施例一中的车削力测量装置测量车削加工过程中切削力的方法，在测量切削力之前，首先需要将车削力测量装置的测力传感器3安装在刀杆1上，并将安装了刀片4和测力传感器3的刀杆1进行装夹，具体过程可以如下：
如图2所示，且参见图3和图4，在车刀的刀杆1的下表面上加工安装槽2，安装槽2内设有用于测力传感器3定位的圆柱体21，将测力传感器3的中心孔安装在圆柱体21上，测力传感器3的侧表面与安装槽2的侧表面紧密接触，刀杆1的上表面上安装有刀片4，测力传感器3的中心位于第一个定位螺栓5与刀架6的边缘之间，第一个定位螺栓5为安装在刀架6上距离刀片4最近的定位螺栓，其中，图4中将安装了刀片4和测力传感器3的刀杆1装夹在了刀架6上，图4为切削力测量的原理图，所以未将刀片4示出，在本发明实施例中，定位螺栓的数量可根据实际情况进行选择，例如图4中安装了3个定位螺栓；
在本发明实施例中，可以选择某公司生产的型号为9251A的测力传感器，安装槽2内的圆柱体21用于安装测力传感器3，安装槽2的侧表面对测力传感器3起到辅助定位的作用，若测力传感器3与安装槽2的侧表面之间存在间隙，则可以通过在间隙内安装塞尺，以使测力传感器3与安装槽2紧密配合；如图4所示，将安装了测力传感器3和刀片4的刀杆1通过定位螺栓安装在刀架6上，合理地调整刀杆1从刀架6的伸出长度，在保证刀具系统刚度的前提下，同时保证测力传感器3的中心线与第一个定位螺栓5的中心线不同轴；固定好刀杆1后，开始切削过程，工件7做旋转运动，刀杆1带动刀片4做进给运动，实现对工件7的切削，在切削过程中，刀片4施加给工件7的力可以分解为三个方向的力，分别为刀片4对工件7的法向切削力、刀片4对工件7的轴向切削力以及刀片4对工件7的切向切削力，由于力的作用是相互的，工件7也施加给刀片4作用力，进而将作用力传递到刀杆1上，刀杆1会将作用力传递给测力传感器3。
如图1、图4和图5所示，在将安装了刀片4和测力传感器3的刀杆1装夹好后，开始切削力的测量，测量方法包括如下步骤：
步骤101：测力传感器3根据切削过程中受到的刀杆1施加的X方向、Y方向和Z方向的力分别产生电荷信号并将电荷信号发送给电荷放大器8，其中，X方向与刀片4对工件7的法向切削力的方向相反，Y方向与刀片4对工件7的轴向切削力的方向相反，Z方向与刀片4对工件7的切向切削力的方向相反；
步骤102：电荷放大器8对电荷信号调理放大并转化成电压信号；
在本发明实施例中，测力传感器3在受到压力后，测力传感器3的内置压电晶体会释放出与压力的大小成比例的电荷，如图1所示，测力传感器3设有三个输出端，分别为第一输出端31、第二出输端32和第三输出端33，第一输出端31用于输出测力传感器3根据切削过程中受到的刀杆1施加的X方向的力产生的电荷，第二输出端32用于输出测力传感器3根据切削过程中受到的刀杆1施加的Y方向的力产生的电荷，第三输出端33用于输出测力传感器3根据切削过程中受到的刀杆1施加的Z方向的力产生的电荷，电荷放大器8可以将从三个输出端接收到的电荷进行调理放大并转化成电压信号。
步骤103：数据采集装置9采集电压信号并根据采集到的电压信号分别计算出切削过程中测力传感器3受到的刀杆1施加的X方向的力FSX、Y方向的力FSY以及Z方向的力FSZ；
如图6所示，为数据采集装置9测量切削力的流程图，在本发明实施例中，数据采集装置9采集经过电荷放大器8转换后的电压信号，并将电压信号转换成数字信号，根据数字信号以及测力传感器的电压与切削力的对应关系分别计算出FSX、FSY以及FSZ，其中，测量传感器在出厂时标定有灵敏度系数，根据灵敏度系数可以得出该测力传感器的电压与切削力的对应关系。
步骤104：数据采集装置9将FSX、FSY以及FSZ分别代入公式(1)、公式(2)和公式(3)计算出刀片4对工件7的实测法向切削力Fn、实测轴向切削力Fa以及实测切向切削力Ft：
Fn＝FSX (1)
Fa＝FSY (2)
Ft＝FSZ*b/a (3)
其中，a为刀片4的刀尖到第一个定位螺栓5的中心线的距离，b为测力传感器3的中心线到第一个定位螺栓5的中心线的距离；
在本发明实施例中，根据力的平衡理论可以得知刀杆1施加给测力传感器3的X方向的力与刀片4施加给工件7的法向切削力是相等的，因此数据采集装置9计算出的FSX的大小即为测力传感器3测量出的刀片4施加给工件7的实测法向切削力Fn的大小，即公式(1)，同理，数据采集装置9计算出的FSY的大小即为测力传感器3测量出的刀片4施加给工件7的实测轴向切削力Fa的大小，即公式(2)，根据力矩平衡理论可以得知刀杆1施加给测力传感器3的Z方向的力对第一个定位螺栓5产生的力矩的大小与刀片4施加给工件7的切向切削力对第一个定位螺栓5产生的力矩的大小是相等的，因此根据数据采集装置9计算出的FSZ，可以得知FSZ×b/a所得值的大小即为测力传感器3测量出的刀片4施加给工件7的实测切向切削力Ft的大小，即公式(3)，因此，可以将公式(1)、公式(2)和公式(3)编入到数据采集装置9的处理软件内，如图6所示，当数据采集装置9计算出FSX、FSY以及FSZ后再将该三个值分别带入公式(1)、公式(2)和公式(3)，得到刀片4对工件7的实测法向切削力Fn、实测轴向切削力Fa以及实测切向切削力Ft。
至此，车削加工过程中刀片4施加给工件7的三个方向的切削力均根据测力传感器3产生的电信号换算得到，但是该三个实测切削力与车削加工过程中的三个实际切削力会存在一定的误差，因此可以找出实测切削力与实际切削力的对应关系，根据该对应关系进一步减小误差，可以通过切削力标定的方法来找出实测切削力与实际切削力的对应关系，该方法的原理为对刀尖加载已知力，该已知力即为实际切削力，在加载已知力时，根据测力传感器产生的电荷信号计算出实测切削力，如此可以获得实际切削力和实测切削力的标定系数，进而得到实际切削力与实测切削力的对应关系，标定算法的具体步骤可以如下：
如图7所示，且参见图8，步骤201：在无切削状态下，使用压力传感器10分别给刀片4的刀尖施加第二方向的大小不同的N个力，N≥2且N为整数，第二方向与切削过程中，刀片4对工件7的法向切削力的方向相反，此时使用压力传感器10给刀片4施加第二方向的载荷，即相当于切削过程中刀片4对工件7施加法向切削力，因此，测力传感器3会受到刀杆1施加的X方向的力并产生电荷信号；
其中，压力传感器10可以与数据采集装置9相连，数据采集装置9采集压力传感器10施加每个力时产生的电信号，数据采集装置9根据采集到的电信号计算出每个力的大小L1、L2……LN，具体地，压力传感器10出厂时标定有灵敏度系数，根据灵敏度系数可以得知该压力传感器产生的电信号与压力的对应关系，数据采集装置9可以根据压力传感器的灵敏度系数以及采集到的电信号计算出压力传感器10施加的每个力的大小；
步骤202：在压力传感器10施加的每个力的作用下，测力传感器3根据受到刀杆1施加的X方向的力产生电荷信号，并将电荷信号发送给电荷放大器8；
步骤203：电荷放大器8对电荷信号调理放大并转化成电压信号；
步骤204：数据采集装置9采集电压信号并根据采集到的电压信号计算出刀杆1施加给测力传感器3的X方向的力，再根据公式(1)计算出该力对应的Fn；
步骤205：数据采集装置9记录下每个力的大小L1、L2……LN以及每个力对应的Fn，即：
压力传感器10施加给刀片4的力为L1时，数据采集装置9根据采集到的电压信号计算得出刀杆1施加给测力传感器3的X方向的力FSX1，并根据公式(1)计算出该力对应的实测法向切削力Fn1，且数据采集装置9记录下点(Fn1，L1)；
压力传感器10施加给刀片4的力为L2时，数据采集装置9根据采集到的电压信号计算得出刀杆1施加给测力传感器3的X方向的力FSX2，并根据公式(1)计算出该力对应的实测法向切削力Fn2，且数据采集装置9记录下点(Fn2，L2)；
……
压力传感器10施加给刀片4的力为LN时，数据采集装置9根据采集到的电压信号计算得出刀杆1施加给测力传感器3的X方向的力FSXN，并根据公式(1)计算出该力对应的实测法向切削力FnN，且数据采集装置9记录下点(FnN，LN)；
步骤206：数据采集装置9在平面上绘出点(Fn1，L1)、(Fn2，L2)……(FnN，LN)，可以发现，实测法向切削力的大小与压力传感器10施加的实际压力大小成线性比例，压力传感器10施加的第二方向的已知力相当于实际法向切削力，因此采用数据采集装置9对该N个点进行线性拟合，以压力传感器10施加的已知力作为纵坐标，以已知力对应的实测法向切削力作为横坐标，得出该线性方程的系数kn和截距an，该线性方程的系数kn和截距an即为标定系数，因此可以得到实际法向切削力Frn与实测法向切削力Fn的线性方程：
Frn＝knFn+an (4)
如此得出了实测法向切削力Fn与实际法向切削力Frn的对应关系。
同理，通过同样的方法可以得出实际轴向切削力Fra与实测轴向切削力Fa的对应关系，具体如下：如图9所示，且参见图10，步骤301：在无切削状态下，使用压力传感器10分别给刀片4的刀尖施加第三方向的大小不同的N个力，N≥2且N为整数，第三方向与切削过程中，刀片4对工件7的轴向切削力的方向相反，此时使用压力传感器10给刀片4施加第三方向的载荷，即相当于切削过程中刀片4对工件7施加轴向切削力，因此，测力传感器3会受到刀杆1施加的Y方向的力并产生电荷信号；
压力传感器10施加每个力时会产生电信号，数据采集装置9根据采集到的压力传感器10产生的电信号计算出每个力的大小M1、M2……MN；
步骤302：在压力传感器10施加的每个力的作用下，测力传感器3根据受到刀杆1施加的Y方向的力产生电荷信号，并将电荷信号发送给电荷放大器8；
步骤303：电荷放大器8对电荷信号调理放大并转化成电压信号；
步骤304：数据采集装置9采集电压信号并根据采集到的电压信号计算出刀杆1施加给测力传感器3的Y方向的力，再根据公式(2)计算出该力对应的Fa；
步骤305：数据采集装置9记录下每个力的大小M1、M2……MN以及每个力对应的Fa，即：
压力传感器10施加给刀片4的力为M1时，数据采集装置9根据采集到的电压信号计算得出刀杆1施加给测力传感器3的Y方向的力FSY1，并根据公式(2)计算出该力对应的实测轴向切削力Fa1，且数据采集装置9记录下点(Fa1，M1)；
压力传感器10施加给刀片4的力为M2时，数据采集装置9根据采集到的电压信号计算得出刀杆1施加给测力传感器3的Y方向的力FSY2，并根据公式(2)计算出该力对应的实测轴向切削力Fa2，且数据采集装置9记录下点(Fa2，M2)；
……
压力传感器10施加给刀片4的力为MN时，数据采集装置9根据采集到的电压信号计算出刀杆1施加给测力传感器3的Y方向的力FSYN，并根据公式(2)计算出该力对应的实测轴向切削力FaN，且数据采集装置9记录下点(FaN，MN)；
步骤306：数据采集装置9在平面上绘出点(Fa1，M1)、(Fa2，M2)……(FaN，MN)，并对该N个点进行线性拟合，得出该线性方程的系数ka和截距aa，压力传感器10施加的第三方向的已知力相当于实际轴向切削力，因此可以得到实际轴向切削力Fra与实测轴向切削力Fa的线性方程：
Fra＝kaFa+aa (5)。
在本发明实施例中，实际切向切削力Frt与实测切向切削力Ft的对应关系也可以通过压力传感器的标定方法得出，同时还可以通过悬挂重物的方法得出，该两种方法的具体方式可以如下：
一、通过压力传感器进行标定的方法可以如下：
如图11所示，且参见图12，步骤401：在无切削状态下，使用压力传感器10分别给刀片4的刀尖施加第一方向的大小不同的N个力，N≥2且N为整数，第一方向与切削过程中，刀片4对工件7的切向切削力的方向相反，此时使用压力传感器10给刀片4施加第一方向的载荷，即相当于切削过程中刀片4对工件7施加切向切削力，因此，测力传感器3会受到刀杆1施加的Z方向的力并产生电荷信号；
压力传感器10施加每个力时会产生电信号，数据采集装置9根据采集到的压力传感器10产生的电信号计算出每个力的大小S1、S2……SN；
步骤402：在压力传感器10施加的每个力的作用下，测力传感器3根据受到刀杆1施加的Z方向的力产生电荷信号，并将电荷信号发送给电荷放大器8；
步骤403：电荷放大器8对电荷信号调理放大并转化成电压信号；
步骤404：数据采集装置9采集电压信号并根据采集到的电压信号计算出刀杆1施加给测力传感器3的Z方向的力，再根据公式(3)计算出该力对应的Ft；
步骤405：数据采集装置9记录下每个力的大小S1、S2……SN以及每个力对应的Ft，即：
压力传感器10施加给刀片4的力为S1时，数据采集装置9根据采集到的电压信号计算得出刀杆1施加给测力传感器3的Z方向的力FSZ1，并根据公式(3)计算出该力对应的实测切向切削力Ft1，且数据采集装置9记录下点(Ft1，S1)；
压力传感器10施加给刀片4的力为S2时，数据采集装置9根据采集到的电压信号计算得出刀杆1施加给测力传感器3的Z方向的力FSZ2，并根据公式(3)计算出该力对应的实测切向切削力Ft2，且数据采集装置9记录下点(Ft2，S2)；
……
压力传感器10施加给刀片4的力为SN时，数据采集装置9根据采集到的电压信号计算得出刀杆1施加给测力传感器3的Z方向的力FSZN，并根据公式(3)计算出该力对应的实测切向切削力FtN，且数据采集装置9记录下点(FtN，SN)；
步骤406：数据采集装置9在平面上绘出点(Ft1，S1)、(Ft2，S2)……(FtN，SN)，并对该N个点进行线性拟合，得出该线性方程的系数系数kt和截距at，压力传感器10施加的第一方向的已知力相当于实际切向切削力，因此可以得到实际切向切削力Frt与实测切向切削力Ft的线性方程：
Frt＝ktFt+at (6)。
二、通过悬挂重物的方法进行标定的方法可以如下：
如图13所示，且参见图14，步骤501：在无切削状态下，在刀片4的刀尖处分别悬挂N个不同已知重量的重物11，N≥2且N为整数，当在刀片4的刀尖处悬挂重物11时，相当于刀片4对工件7施加切向切削力，因此，此时测力传感器3会受到刀杆1施加的Z方向的力，Z方向与刀片4对工件7的切向切削力的方向相反，重物11可以为已知重量的砝码，可以将每个重物的重量输入至数据采集装置9；
步骤502：在悬挂每个重物11时，测力传感器3根据受到刀杆1施加的Z方向的力产生电荷信号，并将电荷信号发送给电荷放大器8；
步骤503：电荷放大器8对电荷信号调理放大并转化成电压信号；
步骤504：数据采集装置9采集电压信号并根据采集到的电压信号计算出刀杆1施加给测力传感器3的Z方向的力，再根据公式(3)计算出该力对应的Ft；
步骤505：数据采集装置9记录下每个重物11的重量的大小G1、G2……GN以及每个重量对应的Ft；即：
悬挂重量为G1的重物11时，数据采集装置9根据采集到的电压信号计算出刀杆1施加给测力传感器3的Z方向的力FSZ1，并根据公式(3)计算出该力对应的实测切向切削力Ft1，且数据采集装置9记录下点(Ft1，G1)；
悬挂重量为G2的重物11时，数据采集装置9根据采集到的电压信号计算得出刀杆1施加给测力传感器3的Z方向的力FSZ2，并根据公式(3)计算出该力对应的实测切向切削力Ft2，且数据采集装置9记录下点(Ft2，G2)；
……
如此，直至悬挂重量为GN的重物11时，数据采集装置9根据采集到的电压信号计算得出刀杆1施加给测力传感器3的Z方向的力FSZN，并根据公式(3)计算出该力对应的实测切向切削力FtN，且数据采集装置9记录下点(FtN，GN)；
步骤506：数据采集装置9在平面上绘出点(Ft1，G1)、(Ft2，G2)……(FtN，GN)，可以发现，实测切向切削力的值与重物11的重量成线性比例，重物的重量相当于实际切向切削力，因此对该N个点进行线性拟合，得出该线性方程的系数kt和截距at，因此可以得到实际切向切削力Frt与实测切向切削力Ft的线性方程：
Frt＝ktFt+at (6)。
当使用压力传感器10对刀片4施加载荷或者在刀尖处悬挂重物11时，可能会出现刀尖的受力点与实际刀具切削工件7的过程中，刀尖的受力点存在微小差异的现象，但由于刀片4的尺寸本身很小，因此该微小差异通常仅是几毫米，因此该微小差异产生的误差是可以忽略不计的。
综上所述，根据公式(4)、公式(5)和公式(6)可以得出三个方向的实测切削力与车削加工过程中的三个方向的实际切削力的对应关系，进一步缩小误差，当数据采集装置9计算出刀片4对工件7的实测法向切削力Fn、实测轴向切削力Fa以及实测切向切削力Ft后，如图5和图6所示，步骤105：数据采集装置9将Fn代入公式(4)得出实际法向切削力Frn、将Fa代入公式(5)得出实际轴向切削力Fra以及将Ft代入公式(6)得出实际切向切削力Frt，在本发明实施例中，通过以上的切削力标定方法先得到公式(4)、公式(5)和公式(6)后，再进行切削力的测量。
在本发明实施例中，通过在刀杆1上设置安装槽2，并且在安装槽2内安装测力传感器3，该测力传感器3能够根据受到的压力的大小以及压力的方向产生相应的电荷信号，并将该电荷信号传输给电荷放大器8，电荷放大器8对电荷信号进行调理放大并转化成电压信号，数据采集装置9采集电压信号并根据采集到的电压信号计算出切削过程中刀片4对工件7的实测法向切削力Fn、实测轴向切削力Fa以及实测切向切削力Ft，为了进一步减小误差，可以通过切削力标定的方法找出三个方向的实测切削力与三个方向的实际切削力的对应关系，根据该对应关系得出刀片4对工件7的实际法向切削力Frn、实际轴向切削力Fra以及实际切向切削力Frt，相对于现有技术来说，本发明中的测力传感器3体积较小，安装在刀杆1上即可，不会受到机床结构、夹具、空间等的限制，通用性较好；采用本发明中的方法可以无需购买价格昂贵的测力仪，降低了成本；同时，采用该方法进行切削力的测量时，刀具可以正常进行装夹，无需伸出较长的长度，保证了刀具系统切削过程中的刚度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (5)
1.一种使用车削力测量装置测量切削力的方法，所述车削力测量装置包括：测力传感器、电荷放大器和数据采集装置；所述测力传感器安装在刀杆的安装槽内，所述测力传感器的输出端与所述电荷放大器的输入端连接，所述电荷放大器的输出端与所述数据采集装置的输入端连接，所述安装槽位于所述刀杆的下表面，安装槽内设有用于所述测力传感器定位的圆柱体，圆柱体位于测量传感器的中心孔内，所述测力传感器的中心位于第一个定位螺栓与刀架的边缘之间，所述第一个定位螺栓为安装在所述刀架上距离刀片最近的定位螺栓，其特征在于，所述方法包括：
步骤1：所述测力传感器根据切削过程中受到的所述刀杆施加的X方向、Y方向和Z方向的力分别产生电荷信号并将所述电荷信号发送给所述电荷放大器，X方向与刀片对工件的法向切削力的方向相反，Y方向与刀片对工件的轴向切削力的方向相反，Z方向与刀片对工件的切向切削力的方向相反；
步骤2：电荷放大器对所述电荷信号调理放大并转化成电压信号；
步骤3：所述数据采集装置采集所述电压信号并根据采集到的电压信号分别计算出切削过程中所述测力传感器受到的刀杆施加的X方向的力FSX、Y方向的力FSY以及Z方向的力FSZ；
步骤4：所述数据采集装置将FSX、FSY以及FSZ分别代入如下公式计算出刀片对工件的实测法向切削力Fn、实测轴向切削力Fa以及实测切向切削力Ft：
Fn＝FSX (1)
Fa＝FSY (2)
Ft＝FSZ*b/a (3)
其中，a为所述刀片的刀尖到第一个定位螺栓的中心线的距离，b为所述测力传感器的中心线到所述第一个定位螺栓的中心线的距离；
步骤5：所述数据采集装置将Fn、Fa以及Ft分别代入如下公式计算出刀片对工件的实际法向切削力Frn、实际轴向切削力Fra以及实际切向切削力Frt：
Frn＝knFn+an (4)
Fra＝kaFa+aa (5)
Frt＝ktFt+at (6)
其中，Frn＝knFn+an为实际法向切削力Frn与实测法向切削力Fn的线性方程，kn为系数，an为截距，Fra＝kaFa+aa为实际轴向切削力Fra与实测轴向切削力Fa的线性方程，ka为系数，aa为截距，Frt＝ktFt+at为实际切向切削力Frt与实测切向切削力Ft的线性方程，kt为系数，at为截距。
2.根据权利要求1所述的测量切削力的方法，其特征在于，公式(6)中的系数kt和截距at通过以下方法得出：
步骤1：在无切削状态下，在所述刀片的刀尖处分别悬挂N个不同已知重量的重物，N≥2且N为整数；
步骤2：在悬挂每个重物时，所述测力传感器根据受到刀杆施加的Z方向的力产生电荷信号，并将电荷信号发送给所述电荷放大器；
步骤3：电荷放大器对电荷信号调理放大并转化成电压信号；
步骤4：所述数据采集装置采集所述电压信号并根据采集到的电压信号计算出刀杆施加给测力传感器Z方向的力，再根据公式(3)计算出该力对应的Ft；
步骤5：所述数据采集装置记录下每个重物的重量的大小G1、G2……GN以及每个重量对应的Ft；
即：悬挂重量为G1的重物时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器Z方向的力FSZ1，并根据公式(3)计算出该力对应的实测切向切削力Ft1，所述数据采集装置记录下点(Ft1，G1)；
悬挂重量为G2的重物时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器Z方向的力FSZ2，并根据公式(3)计算出该力对应的实测切向切削力Ft2，所述数据采集装置记录下点(Ft2，G2)；
……
悬挂重量为GN的重物时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器Z方向的力FSZN，并根据公式(3)计算出该力对应的实测切向切削力FtN，所述数据采集装置记录下点(FtN，GN)；
步骤6：所述数据采集装置在平面上绘出点(Ft1，G1)、(Ft2，G2)……(FtN，GN)，并对该N个点进行线性拟合，得出公式(6)中的系数kt和截距at。
3.根据权利要求1所述的测量切削力的方法，其特征在于，公式(6)中的系数kt和截距at通过以下方法得出：
步骤1：在无切削状态下，使用压力传感器分别给所述刀片的刀尖施加第一方向的大小不同的N个力，N≥2且N为整数，所述第一方向与切削过程中，刀片对工件的切向切削力的方向相反；
步骤2：在每个力的作用下，所述测力传感器根据受到刀杆施加的Z方向的力产生电荷信号，并将电荷信号发送给所述电荷放大器；
步骤3：电荷放大器对电荷信号调理放大并转化成电压信号；
步骤4：所述数据采集装置采集所述电压信号并根据采集到的电压信号计算出刀杆施加给测力传感器Z方向的力，再根据公式(3)计算出该力对应的Ft；
步骤5：所述数据采集装置记录下每个力的大小S1、S2……SN以及每个力对应的Ft；
即：压力传感器施加给刀片的力为S1时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器Z方向的力FSZ1，并根据公式(3)计算出该力对应的实测切向切削力Ft1，所述数据采集装置记录下点(Ft1，S1)；
压力传感器施加给刀片的力为S2时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器Z方向的力FSZ2，并根据公式(3)计算出该力对应的实测切向切削力Ft2，所述数据采集装置记录下点(Ft2，S2)；
……
压力传感器施加给刀片的力为SN时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器Z方向的力FSZN，并根据公式(3)计算出该力对应的实测切向切削力FtN，所述数据采集装置记录下点(FtN，SN)；
步骤6：所述数据采集装置在平面上绘出点(Ft1，S1)、(Ft2，S2)……(FtN，SN)，对该N个点进行线性拟合，得出公式(6)中的系数kt和截距at。
4.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的测量切削力的方法，其特征在于，公式(4)中的系数kn和截距an通过以下方法得出：
步骤1：在无切削状态下，使用压力传感器分别给所述刀片的刀尖施加第二方向的大小不同的N个力，N≥2且N为整数，所述第二方向与切削过程中，刀片对工件的法向切削力的方向相反；
步骤2：在每个力的作用下，所述测力传感器根据受到刀杆施加的X方向的力产生电荷信号，并将电荷信号发送给所述电荷放大器；
步骤3：电荷放大器对电荷信号调理放大并转化成电压信号；
步骤4：所述数据采集装置采集所述电压信号并根据采集到的电压信号计算出刀杆施加给测力传感器X方向的力，再根据公式(1)计算出该力对应的Fn，
步骤5：所述数据采集装置记录下每个力的大小L1、L2……LN以及每个力对应的Fn；
即：压力传感器施加给刀片的力为L1时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器X方向的力FSX1，并根据公式(1)计算出该力对应的实测法向切削力Fn1，所述数据采集装置记录下点(Fn1，L1)；
压力传感器施加给刀片的力为L2时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器X方向的力FSX2，并根据公式(1)计算出该力对应的实测法向切削力Fn2，所述数据采集装置记录下点(Fn2，L2)；
……
压力传感器施加给刀片的力为LN时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器X方向的力FSXN，并根据公式(1)计算出该力对应的实测法向切削力FnN，所述数据采集装置记录下点(FnN，LN)；
步骤6：所述数据采集装置在平面上绘出点(Fn1，L1)、(Fn2，L2)……(FnN，LN)，对该N个点进行线性拟合，得出公式(4)中的系数kn和截距an。
5.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的测量切削力的方法，其特征在于，公式(5)中的系数ka和截距aa通过以下方法得出：
步骤1：在无切削状态下，使用压力传感器分别给所述刀片的刀尖施加第三方向的大小不同的N个力，N≥2且N为整数，所述第三方向与切削过程中，刀片对工件的轴向切削力的方向相反；
步骤2：在每个力的作用下，所述测力传感器根据受到刀杆施加的Y方向的力产生电荷信号，并将电荷信号发送给所述电荷放大器；
步骤3：电荷放大器对电荷信号调理放大并转化成电压信号；
步骤4：所述数据采集装置采集所述电压信号并根据采集到的电压信号计算出刀杆施加给测力传感器Y方向的力，再根据公式(2)计算出该力对应的Fa；
步骤5：所述数据采集装置记录下每个力的大小M1、M2……MN以及每个力对应的Fa，
即：压力传感器施加给刀片的力为M1时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器Y方向的力FSY1，并根据公式(2)计算出该力对应的实测轴向切削力Fa1，所述数据采集装置记录下点(Fa1，M1)；
压力传感器施加给刀片的力为M2时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器Y方向的力FSY2，并根据公式(2)计算出该力对应的实测轴向切削力Fa2，所述数据采集装置记录下点(Fa2，M2)；
……
压力传感器施加给刀片的力为MN时，数据采集装置根据采集到的电压信号计算得出刀杆施加给测力传感器Y方向的力FSYN，并根据公式(2)计算出该力对应的实测轴向切削力FaN，所述数据采集装置记录下点(FaN，MN)；
步骤6：所述数据采集装置在平面上绘出点(Fa1，M1)、(Fa2，M2)……(FaN，MN)，对该N个点进行线性拟合，得出公式(5)中的系数ka和截距aa。
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