CN109715321B - 切削刃的偏转的估算 - Google Patents

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Abstract

提供了一种切削刀具(100)、包括该切削刀具(100)的车削机器(200)以及相关的方法(400)。所述切削刀具包括刀具杆(110)、切削头(120)、应变仪(130)、和加速度计(140)。所述切削头位于所述刀具杆处，并且具有切削刃(121)。所述应变仪测量所述刀具杆处的应变。所述加速度计测量所述刀具杆或所述切削头处的加速度。基于来自所述应变仪和加速度计的输出来估算所述切削刃的偏转。在一些实施例中，所述加速度计被布置成靠近所述切削刃，而所述应变仪被布置在所述刀具杆易于出现最大应变的位置。在一些实施例中，基于测量得到的应变来估算所述切削刃的低频振动，基于测量得到的加速度来估算高频振动，并且基于来自两种传感器类型的输出来估算中频振动。

Description

切削刃的偏转的估算
技术领域
本公开总体涉及用于车削的切削刀具，并且特别地是涉及这种切削刀具的切削刃的偏转的估算。
背景技术
在用于金属切削的机器中，诸如机床，尤其是诸如车床的车削机器中，通常通过旋转工件并通过在切向和/或径向方向上朝向工件移动切削刀具来从工件的外表面或内表面移除(或切削)材料。在工件的内表面上(即从工件的孔内)执行由切削刀具的切削刃提供的切削动作的情况有时被称为镗削。已知切削刀具的切削刃的位置和定向对于提供高精度加工非常重要。在一些情况下，即使切削刃的位置或定向上的微小偏差，也可能将加工精度降低到可接受的水平以下。在加工过程中，切削刃可能偏转。因此，即使切削刃的位置在加工开始之前是已知的，但是切削刃在加工期间的实际位置也可能是未知的。这可能会降低车削机器的精度。切削刃的偏转可以包括静态(或缓慢变化)分量和振动分量两者。切削刃和工件的相互作用可能导致切削刃振动。根据这些振动的振幅和/或频率，切削刃的耐久性或性能可能受到影响。例如，振动可能降低在工件上提供的表面质量。至少由于上述原因，期望在车削机器操作期间估算切削刃的偏转。
发明内容
为了更好地解决上述问题中的至少一个问题，提供了根据本发明的切削刀具和方法。
因此，根据第一方面，提供了一种用于车削的切削刀具。切削刀具包括刀具杆、切削头、应变仪、和加速度计。切削头位于(或被定位于)刀具杆处，并且具有切削刃。应变仪被布置用以测量刀具杆处的应变。加速度计被布置用以测量刀具杆处或切削头处的加速度。加速度计被布置成比应变仪更靠近切削刃。
应变仪可以用于测量切削刀具处的应变，并且所测量得到的应变可以用于估算切削刃的偏转。可以例如基于在沿着刀具杆的应变相对较大的位置处(诸如，靠近机床接口或靠近沿着刀具杆的、刀具杆的刚度变化所在的位置，如下所述的那样)所测量得到的应变来估算切削刃的偏转。随着时间的推移周期性返回的应变可以例如指示刀具杆正在来回摆动，并且因此切削刃正在振动。然而，切削刃的快速运动或高频振动可能难以通过应变仪精确地进行检测。由于切削刀具的动力学和许多振动模式的存在，偏转和应变之间可能不存在简单的关系。此外，应变测量的灵敏度可能太低，以至于不能够检测(或区分)可能存在于较高频率下的小振动。对于高频率来说，信噪比可能就是太低了。因此，仅基于应变仪可能难以估算切削刃的总偏转。
加速度计可以用于估算切削刃的高频振动。加速度计越靠近切削刃(诸如，比应变仪更靠近切削刃)，则估算就可以越精确。然而，静态偏转或由相对较慢的加速度(诸如低频振动)引起的偏转可能难以通过加速度计来监测。因此，仅基于加速度计可能难以估算切削刃的总偏转。
发明人已经认识到，由应变仪测量的应变和由加速度计测量的加速度相互补充，并且可以一起使用，以提供对切削刃的偏转更准确或完整的估算。
来自应变仪和加速度计的输出可以例如用于在切削刃在车削机器操作期间移动时估算切削刃的位置，或者用于估算切削刃的振动的频谱。这种振动频谱可以指示切削刃是否能够在工件处提供期望的表面结构(或精度)。
贯穿本公开，词语“车削”是指一种加工工艺，其中工件被旋转，并且其中材料通过并不旋转的切削刃从工件上切削下来。在这种加工工艺中，切削刃可以例如朝向旋转着的工件平移，以执行切削动作，或者旋转着的工件可以朝向切削刃平移。
应当理解的是，车削可以例如通过切削刃和工件的外表面的相互作用来执行，或经由切削刃和工件的内表面的相互作用(有时也被称为镗削)来执行。
切削刀具(或车削刀具)可以例如适合用于在车削机器中使用。
切削头可以例如安装在刀具杆处，或者可以是刀具杆的一体部分。
切削刃可以例如是安装在切削头处的切削刀片的切削刃。
应变仪可以例如沿着刀具杆布置。应变仪可以例如被布置在刀具杆的内部中(或者被集成在刀具杆中)，以便在加工期间被保护免受从工件上切削下来的材料切屑的影响。应变仪可以例如被布置在刀具杆的外表面处。
加速度计可以例如被布置在刀具杆处或切削头处。加速度计可以例如被集成在刀具杆或切削头中。加速度计可以例如被布置在刀具杆或切削头的内部中，以便在加工期间被保护免受从工件上切削下来的材料切屑的影响。
从应变仪到切削刃的距离可以例如是从加速度计到切削刃的距离的至少2、3、4、5、10、20或100倍长。
根据一些实施例，沿着刀具杆的轴向方向的、刀具杆的特定部分可能易于出现最大应变。应变仪可以被布置在该特定部分处。
当在车削期间使用切削刀具时，刀具杆承受应变。该特定部分比刀具杆的其它部分承受更大的应变。因此，应变在该特定区域处更容易被检测出来和/或更清楚地指示了切削刃偏转了多少。例如，如果应变仪被布置在该特定位置处，则信噪比对于应变仪可能是较高的。对于给定的应变，切削刃偏转了多少可以例如在制造切削刀具的工厂中进行测量(或确定)，或者当切削刀具已经被安装在车削机器中时测量。切削刃的偏转的估算可以例如基于来自在车削之前进行的这种测量的数据。
根据一些实施例，切削刀具可以包括用于将切削刀具安装在车削机器上的机床接口。从应变仪到切削刃的距离可以大于从应变仪到机床接口的距离。换句话说，相比于靠近切削刃，应变仪可以更靠近机床接口。
靠近机床接口的应变通常比沿切削刀具的其它位置处的应变大。因此，基于在靠近机床接口处测量得到的应变，可以更容易准确地估算切削刃的偏转。
从应变仪到切削刃的距离可以例如是从应变仪到机床接口的距离的至少2、3、4或5倍大。
根据一些实施例，刀具杆可以具有在沿着刀具杆的特定部位处的、在较低值和较高值之间过渡的刚度。从应变仪到切削刃的距离可以大于从应变仪到该特定部位的距离。
靠近刀具杆的刚度变化所在的部位(诸如，刀具杆的直径变化所在的位置或刀具杆的材料变化所在的位置)的应变通常大于沿着切削刀具的其它位置处的应变。因此，基于在这种部位测量得到的应变，可以更容易准确地估算切削刃的偏转。
从应变仪到切削刃的距离可以例如是从应变仪到该特定部位的距离的至少2、3、4或5倍长。
根据一些实施例，切削刀具可以包括用于将切削刀具安装在车削机器上的机床接口。从加速度计到机床接口的距离可以大于从加速度计到切削刃的距离。换句话说，相比于靠近机床接口，加速度计可以更靠近切削刃。
与测量远离切削刃的加速度相比，测量接近切削刃的加速度允许更精确地估算切削刃的运动(和因此偏转的至少一些分量)。
从加速度计到机床接口的距离可以例如是从加速度计到切削刃的距离的至少2、3、4、5、10、20或100倍长。
根据一些实施例，从加速度计到机床接口的距离可以是从加速度计到切削刃的距离的至少四倍长。从应变仪到切削刃的距离可以是从应变仪到机床接口的距离的至少四倍大。
应变仪可以例如被布置在(或靠近)刀具杆的后端。切削头可以例如位于刀具杆的前端处。加速度计可以例如被布置在切削头处或被布置在刀具杆的前端处(或靠近前端)。
根据一些实施例，应变仪可以适合于测量指示刀具杆在相对于工件的径向方向上的弯曲的应变，或者适合于测量指示刀具杆在相对于工件的切向方向上的弯曲的应变。
相对于工件的径向方向可以是朝向工件的中心的方向或远离工件的中心的方向，这取决于切削刀具是用于内部车削还是外部车削。相对于工件的切向方向可以是在车削期间当与切削刃相接触时的工件的与切削刃相互作用的表面移动的方向(即，在车削期间与工件的旋转运动相切的方向)。如果切削刀具还没有安装在车削机器中，则相对于工件的径向方向和切向方向可以例如通过检查切削刃被布置在哪里以及切削刃如何定向来进行识别。例如，切削刃可以适合于在车削期间在具体方向(或在相对于工件的定向)上与工件相互作用。
在特定方向上弯曲刀具杆可能会在刀具杆弯曲离开的刀具杆的一侧(或表面)处产生应变。应变仪可以例如被布置在该侧(或表面)处。
应变仪可以例如被布置在刀具杆的与径向方向相反的一侧处，其中在车削期间刀具杆将在该径向方向上弯曲。应变仪可以例如被布置在刀具杆的与切向方向相反的一侧处，其中在车削期间刀具杆将在该切向方向上弯曲。
指示在径向方向上弯曲的应变可以例如用于(例如与在径向方向上的加速度结合)估算切削刃在径向方向上的偏转。指示在切向方向上弯曲的应变可以例如用于(例如与在切向方向上的加速度结合)估算切削刃在切向方向上的偏转。
根据一些实施例，切削刀具可以包括应变仪，该应变仪被布置用以测量刀具杆处的应变，该应变指示刀具杆在相应的方向上的弯曲。切削刀具可以包括加速度计，该加速度计被布置用以测量在相应的方向上的在刀具杆处或在切削头处的加速度。加速度计可以被布置成比应变仪更靠近切削刃。
测量加速度所在的方向可以例如与通过由应变仪测量得到的应变监测的刀具杆的弯曲方向一致。切削刃在相应的方向上的偏转可以例如彼此独立地进行估算。
在由加速度计和应变仪监测到的方向不一致的情况下，测量得到的加速度可以例如被转换(例如通过三角计算)为在由应变仪监测到的刀具杆的弯曲方向上的加速度。
根据第二方面，提供了一种车削机器。车削机器包括如第一方面的任何实施例中所限定的切削刀具。
车削机器可以例如是车床。
车削机器可以例如被布置用以使工件旋转。车削机器可以例如包括用于使工件旋转的主轴。
根据一些实施例，车削机器可以包括处理部分(或处理器)，该处理部分被配置用以基于来自应变仪和加速度计的输出来估算切削刃的偏转。
处理部分可以例如估算在一个或多个方向上的偏转，和/或偏转的总大小/幅度。
处理部分可以例如估算在一时间间隔期间的平均偏转(其可以例如被称为偏转的静态分量)和/或在该时间间隔期间的最大偏转。
由处理部分估算的偏转可以例如包括振动分量。
处理部分可以例如估算切削刃的振动的频谱。
处理部分可以例如估算切削刃的位置(即，当切削刃偏转时的实际位置)。
处理部分可以例如被集成在切削刀具中，或者可以被布置在远离切削刀具的部位。
根据第三方面，提供了一种用于估算切削头的切削刃的偏转的方法。该方法包括提供一种包括切削刀具的车削机器。切削刀具包括刀具杆和切削头。切削头位于刀具杆处。该方法包括在车削期间测量刀具杆处的应变。该方法包括在车削期间测量刀具杆和/或切削头处的加速度。该方法包括基于测量得到的应变和测量得到的加速度来估算切削刃的偏转。
以上对于根据第一方面的切削刀具和根据第二方面的车削机器的特征所呈现的优点对于根据第三方面的方法的相对应的特征通常可以是有效的。
偏转的估算可以例如被实时执行(即，在车削期间)或者可以在稍后的时间点被执行。
根据一些实施例，从切削刃到测量应变所在的位置的距离可以比从切削刃到测量加速度所在的位置的距离长。
根据一些实施例，对偏转的估算可以包括基于测量得到的应变来估算切削刃在第一频率范围内的偏转。第一频率范围可以包括静态偏转和具有高达第一频率的频率的振动。对偏转的估算可以包括基于测量得到的加速度来估算切削刃在第二频率范围内的偏转。第二频率范围可以包括具有频率高于第二频率的振动，所述第二频率至少与第一频率一样高。
如上所述，来自应变仪的输出更适合用于估算静态偏转和低频振动(即第一频率范围)，而来自加速度计的输出更适合用于估算高频振动(即第二频率范围)。第一和第二频率范围内的切削刃的估算的偏转分量一起提供了切削刃的总体偏转的更完整的图像。这种总体偏转可以例如在车削期间进行监测，以检测何时修改加工工艺的参数(例如用以补偿切削深度、调整旋转速度、和/或调整进刀速率)，或者可以在车削完成后进行分析，以检测在期望的直径(例如在机床控制器上编程得到的)和所实现的直径之间的偏差，和/或检测工件中最可能存在缺陷或表面质量较低的区域的部分(例如，由于特定频率范围内的振动的振幅过高)。
应当理解的是，加速度和应变可以例如被同时测量，并且从这些测量中收集得到的数据然后可以用于执行相应的估算，如上所述。
根据一些实施例，对偏转的估算可以包括基于测量得到的应变和测量得到的加速度来估算在第三频率范围内的偏转。第三频率范围可以包括具有在第一和第二频率之间的频率的振动。
尽管测量得到的应变和测量得到的加速度两者都提供了关于具有在第一和第二频率之间的频率的振动的一些信息，但是仅基于这两种类型测量中的一种测量类型可能难以准确地估算这种振动。测量得到的应变和测量得到的加速度在第三频率范围内相互补充，从而可以更准确和/或更健壮地估算在该频率范围内的偏转。测量噪声的影响可以例如得到减少。
根据一些实施例，该方法可以包括在车削之前测量切削刀具处的加速度。该方法可以包括基于在车削之前测量得到的加速度来估算切削刀具的定向。至少一个加速度计可以用于在车削之前和车削期间测量加速度。换句话说，相同的加速度计可以用于两种不同类型的估算：定向的估算和偏转的估算。
即使切削刃的定向上的微小偏差，也可能将加工精度降低到可接受的水平以下。切削刃的定向可以例如通过获知切削刀具的定向来确定。一些切削刀具具有平坦表面，在该平坦表面上可以放置水平仪，以检查切削刀具是否安装在正确的定向上。使用与用于估算在车削期间切削刃的偏转的加速度计相同的加速度计有助于将切削刀具安装或定向在适当的定向上。
加速度计可以例如集成在刀具杆或切削头中，以便被保护免受在车削期间的切削刃和工件的相互作用期间产生的切屑的影响。
在车削之前，当刀具杆没有被偏转时，刀具杆可以例如沿着轴线延伸。即使刀具杆可能不是直的，刀具杆的主要部分也可以例如至少基本上沿着轴线延伸。处理部分可以例如被布置用以基于在车削之前测量得到的加速度来估算切削刀具相对于轴线的旋转定向。轴线可以例如是水平的。轴线可以例如平行于(或正交于)工件的旋转轴线，所述工件将由车削机器旋转。
应当注意的是，本公开的实施例涉及所列举的特征的所有可能的组合。此外，应当理解的是，对于根据第一方面的切削刀具或根据第二方面的车削机器所描述的各种实施例都可以与根据第三方面的方法的实施例组合。
附图说明
在下文中，将参考附图更详细地描述示例性实施例，在附图中：
图1是根据一个实施例的切削刀具的立体图；
图2是根据一个实施例的包括图1所示的切削刀具的车削机器的立体图；
图3示出了图1所示的切削刀具可能受到的应变；
图4是根据一个实施例的估算切削刃的偏转的方法的流程图；
图5是用于估算切削刃的偏转的处理步骤的概述；
图6示出了频率范围，其中不同的传感器类型可以用于估算切削刃的偏转；和
图7是沿图1中所示的切削刀具的线A-A’截取的截面图。
所有附图都是示意性的，并且通常仅示出了为了阐明相应的实施例所必需的部分，而其它部分可以被省略或者仅仅被建议。
具体实施方式
图1是根据一个实施例的切削刀具100的立体图。切削刀具100是适合于用于被称为车削的众所周知加工工艺的切削刀具。切削刀具100包括刀具杆110(刀具杆110也可以被称为车削刀杆110)、切削头120、应变仪130和加速度计140。切削头120位于刀具杆110处并且具有切削刃121。应变仪130被布置用以测量刀具杆110处的应变。加速度计140被布置用以测量刀具杆110或切削头120处的加速度。加速度计140被布置成比应变仪130更靠近切削刃121。如将在下面描述的那样，切削刀具100可以例如包括多个应变仪130-133和多个加速度计140。
刀具杆110是伸长元件或伸长构件。在本实施例中，刀具杆110是沿着轴线111延伸的圆柱形元件(当刀具杆110没有由于切削力而弯曲时)。切削头120被布置或被安装在刀具杆110的一个端部处。还可以设想这样的实施例，其中切削头120被布置成靠近刀具杆110的端部，例如在阻尼器(图1中未示出)后面。还可以设想这样的实施例，其中刀具杆110的主要部分(或主要部件)沿着轴线111延伸，而刀具杆110的其它部分(或部件)相对于轴线被弯曲或被布置成一定角度。
在本实施例中，机床接口150被布置在刀具杆110的与切削头120相对的端部处，并且适合于将切削刀具100安装在车削机器中。切削刃121位于被安装在切削头120处的刀片(或切削刀片)中。切削刃121适合于从工件上切削下材料(例如金属)。
切削刀具100可以用于外部车削，其中来自工件的外表面的材料被去除。当切削头120位于刀具杆110的端部处时，切削刀具100也可以用于内部车削，其中来自工件的内表面(例如工件的孔内)的材料被去除。内部车削有时也被称为镗削。还可以设想这样的实施例，其中刀具杆110在两端处都具有机床接口150，并且其中切削头120沿着刀具杆110被定位，例如在刀具杆110的中间处。然而，切削头120不靠近刀具杆110的端部放置的这种实施例可能不像参照图1所描述的实施例那样适合用于内部车削。在一些实施例中，切削头120可以与刀具杆110集成在一起，而不是被安装在刀具杆110上(或附接到刀具杆110)。换句话说，切削头120可以是刀具杆110的一体部分。
刀具杆110可以例如包括：诸如钢的金属、碳纤维和/或硬质合金。切削头120可以例如包括：金属，诸如钢、钛和/或铝。切削刃121可以例如包括硬质合金。切削刀具100、刀具杆110、切削头120和/或切削刃121可以例如适合于金属切削。
在本实施例中，刀具杆110相对较长，以便能够在工件的相对深的孔内进行车削。刀具杆110可以例如具有长度L，该长度L是刀具杆110的直径D的至少5、10、15或20倍。由于刀具杆110如此长，所以它在车削期间比较短的刀具杆更容易弯曲。当刀具杆110弯曲时，切削刃121从其静止位置偏转。为了提供高精度的车削，因此可能期望估算切削刃121的偏转。如将在下面描述的那样，应变仪130和加速度计140可以用于估算该偏转。
应变仪130可以例如基于：应变仪电阻器、压电传感器或力换能器。应变仪130可以例如是：光学应变仪或表面声波(SAW)应变传感器。
加速度计140可以例如是：模拟或数字加速度计。与可以用于估算运动的其它类型的传感器相比，尺寸和耐用性适合用于切削刀具100的加速度计可能相对容易制造。
在本实施例中，加速度计140位于刀具杆110的内部中。因此，加速度计140被保护免受加工期间产生的金属切屑的影响。还可以设想这样的实施例，其中加速度计140沿着刀具杆110的外表面定位或定位在切削头120的内部中。
在本实施例中，应变仪130位于刀具杆110的外表面上。还可以设想这样的实施例，其中应变仪130位于刀具杆110内部中。刀具杆110可以例如包括由硬质合金的环包围的、位于中心的金属杆(例如包括钢)。由于硬质合金可能具有相对较低的抗拉强度，所以金属杆可以用于在轴向方向111上压缩硬质合金的环。应变仪130可以例如被布置在环的内表面或外表面处，或者被布置在金属杆的外表面处。
来自加速度计140的输出可以例如以无线方式或经由导线160被传输到处理部分170。处理部分170可以例如位于切削刀具100本身中(例如在机床接口150处或靠近加速计140)或位于切削刀具100外部的某个位置处。类似地是，来自应变仪130的输出可以例如以无线方式或经由导线180被传输到处理部分170。
切削刀具100可以例如包括电池(未示出)或用于向加速度计140、应变仪130和处理部分170供能的某种其它内部电源。切削刀具100可以例如适合于被连接到外部电源，以用于向加速度计140、应变仪130和处理部分170供能。
图2是根据一个实施例的包括参照图1所描述的切削刀具100的车削机器200的立体图。切削刀具100已经安装成使得轴线111是水平的。车削机器200适合于基于由应变仪130和加速度计140提供的输出来估算切削刃121的偏转。车削机器200可以例如包括处理部分210，处理部分210被配置用以基于由应变仪130和加速度计140提供的输出来估算切削刃121的偏转。处理部分210可以例如位于切削刀具100中(它可以例如与参照图1所描述的处理部分170重合)，或者可以位于车削机器200的某个其它部分中。
车削机器200包括用于旋转工件230的主轴220。切削刀具100经由机床接口150被安装，使得当工件230旋转时，切削刀具100可以朝向工件230移动(或平移)，以从工件230上切削下材料。刀具杆110和切削刃121在车削机器200的操作期间不旋转。在本实施例中，工件230具有孔231，切削刀具100可以在孔231中切削下材料，以扩大孔231。
车削机器200可以包括通信接口240，该通信接口240被配置用以提供指示所估算的偏转的信令。由通信接口240提供的信令可以经由有线或无线信号(例如经由蓝牙)提供给远程定位的设备250，远程定位的设备250具有用于向用户指示所估算的偏转的用户界面。所估算的偏转可以例如实时显示在屏幕上。设备250可以例如处理或分析在加工期间的偏转，并且可以在加工之后呈现在加工期间已经发生的偏转的概况。例如，设备250可以指示工件230的区域，在该区域处，振动可能已导致所加工的表面具有比通常低的质量或低的精度。设备250可以例如是个人计算机或手持设备，诸如移动电话或平板计算机。
通信接口240可以以无线方式或经由有线连接与处理部分210通信。在一些实施例中，处理部分210和/或通信接口240可以位于(或被集成在)切削刀具100中。
车削机器220可以包括用户界面260，用户界面260被配置用以向用户指示所估算的偏转。用户界面260可以例如是被布置用以可视地向用户传达所估算的偏转的屏幕，或者是用于当偏转太高(例如高于公差水平)时通过声音发信令的音频接口。用户界面260可以例如当切削刀具100的振动(或颤动)具有过高的幅度时，向用户指示切削刀具100的进刀速率或工件230的旋转速度应当被修改。
车削机器200可以例如包括存储器或数据存储装置(未示出)，以用于存储来自应变仪130和/或加速度计140的输出和/或所估算的偏转，以便能够随后分析该数据。这样的数据可以替代性地存储在诸如云存储装置的远程数据存储装置中。
还可以设想这样的实施例，其中来自应变仪130和加速度计140的输出由通信接口240提供给外部设备250。外部设备250可以例如基于所接收到的传感器输出来估算切削刃121的偏转。在这样的实施例中，车削机器200可能不需要处理由应变仪130和加速度计140提供的输出或者估算切削刃121的偏转。
图3示出了切向应变(即，仅在一个方向上的应变)，参照图1所描述的切削刀具100在加工期间可能承受该切向应变。为了简单起见，在图3中仅示出了切削刀具100的刀具杆110处的应变。在图3中，较深的颜色意味着较高的应变。应变将会是这样的形式：刀具杆110的一侧上的张紧和刀具杆110的相对侧上的压缩。
在本实施例中，工件230在车削机器200中顺时针旋转。当切削刃121与旋转的工件230相互作用时，切削刃121受到在切向方向上向下指向的力和沿径向朝向工件230的旋转中心指向的力。切向力导致刀具杆110略微向下弯曲，使得切削刃121向下偏转。由这种向下弯曲引起的应变在图3中示出。切削力的径向分量使杆径向弯曲。切削力产生切向和径向偏转两者。
刀具杆110的不同部分比其它部分弯曲得更多。因此，在这些部分处，应变更大。应变较大的部分比承受较小应变的那些部分更适合用于估算切削刃121的偏转，因为那里的信噪比较高。换句话说，应变仪130可以位于刀具杆110的易于出现最大应变的特定部分处。切削刃121的偏转如何依赖于应变可能对于每个切削刀具100和沿着刀具杆110的每个位置都是特定的。如下所述，当切削刀具100已经安装在车削机器200中时，可以确定这种相关性。
位于靠近机床接口150处的刀具杆110的部分112承受特别高的应变。因此，应变仪130可以被放置在该部分112处。换句话说，应变仪130可以被放置在靠近机床接口150的刀具杆110的后端处。在应变仪130的这种放置的情况下，从应变仪130到切削刃121的距离D1大于从应变仪130到机床接口150的距离D2。事实上，从应变仪130到切削刃121的距离D1可以是从应变仪130到机床接口150的距离D2的多达2、3、4、5、或10倍那么长。
刀具杆110不需要是均质的。刀具杆110的半径和/或刀具杆110的材料可以沿着刀具杆110变化。这可以导致刀具杆110的刚度变化。在本实施例中，阻尼器(未示出)被布置在最靠近机床接口150定位的刀具杆110的半部中，以用于减轻振动。沿着刀具杆110存在特定部位114(或边界114)，在该部位处，阻尼器终止，并且刀具杆110的较硬部分开始。换句话说，在该部位114处存在较低刚度和较高刚度之间的过渡。靠近边界114的区域113(在刚度较低的一侧处)承受相对高的应变。因此，应变仪131可以作为应变仪130的补充，或者代替应变仪130被放置在区域113中。在区域113中的应变仪131的这种放置的情况下，从应变仪131到切削刃121的距离D3比从应变仪131到边界114的距离D4长，在边界114处，刀具杆100的刚度从较低值过渡到较高值。事实上，从应变仪131到切削刃121的距离D3可以是从应变仪131到边界114的距离D4的多达2、3、4、5、或10倍那么长。
在本实施例中，加速度计140被布置在刀具杆110的靠近切削刃121的前端处。在加速度计140的这种放置的情况下，从加速度计140到机床接口150的距离D5比从加速度计140到切削刃121的距离D6长。事实上，从加速度计140到机床接口150的距离D5可以是从加速度计140到切削刃121的距离D6的多达2、3、4、5、10、20、或100倍。尽管加速度优选地是靠近切削刃进行测量，以提高所估算的偏转的精度，但还可以设想这样的实施例，其中加速度计140远离切削刃121定位。
在本实施例中，加速度计140在靠近切削头120的位置处被集成在刀具杆110中。还可以设想这样的实施例，其中加速度计被集成在切削头120中(例如，集成在设置有切削刃121的刀片中)。
为了估算切削刃121向下(即相对于工件230的切向方向)的偏转，应变仪130和131被布置在刀具杆110的顶部，以便测量在那里的表面处的应变。换句话说，应变仪130和131适合于测量指示刀具杆110相对于工件230在切向方向上的弯曲的应变。来自这种应变仪130和131的测量可以与在切向方向上测量得到的加速度一起使用，以用于估算切削刃在切线方向上(即向下)的偏转。
类似地是，应变仪132和133可以被布置在刀具杆110的侧面上，以便估算切削刃在工件230的径向方向上的偏转，径向方向上的偏转在这种情况下是水平偏转。换句话说，应变仪132和133适合于测量指示刀具杆110相对于工件230在径向方向上的弯曲的应变。来自这种应变仪132和133的测量可以与在相同径向方向上测量得到的加速度一起使用，以用于估算切削刃在径向方向上的偏转(即水平偏转)。
还可以设想这样的实施例，其中应变仪被布置在刀具杆110的四个侧面，以用于测量当刀具杆110弯曲时的刀具杆110的受扩展的表面上的应变和当刀具杆110弯曲时的受压缩的表面上的应变两者。
如下面将参照图7所述的那样，加速度不必需在径向方向和切向方向上测量。只要在两个不同的方向上测量加速度(这两个方向需要彼此线性独立并且与轴线111线性独立，并且这两个方向之间的角度需要已知)，则在径向方向和切向方向上的加速度就可以通过三角法计算。
如果要在径向方向和切向方向两者上对偏转进行估算，则需要在至少两个方向上测量加速度和应变两者。
图4是根据一个实施例的用于估算切削刃121的偏转的方法400的流程图。方法400包括：提供410车削机器200；在车削期间测量420刀具杆110处的应变；以及在车削期间测量430刀具杆110处或切削头120处的加速度。方法400还包括基于测量得到的应变和测量得到的加速度来估算440切削刃121的偏转。现在将在下面参照图5和6描述偏转是如何估算的。
在车削机器200的操作期间，切削力导致刀具杆110(以及因此切削刃121)在径向方向和切向方向上偏转。切削力具有由工件230的材料变形和材料切屑的形成而引起的较大的准静止(或缓慢变化)部分。这导致刀具杆110(以及因此还有切削刃121)在径向方向和切向方向(也被称为x方向和y方向)上偏转。长刀具杆110能够远离纵向中心轴线111(也被称为z轴线)偏转几毫米。此外，由于切屑的分离、材料不均匀等原因，切削力随时间变化，但与主切削力相比，这种变化较小。与静止偏转相比，较小的随时间变化的切削力将导致刀具杆110(以及因此切削刃121)以较小的振幅振动。静止(或缓慢变化的)偏转可能导致所加工的孔231中的形状误差，而振动可能影响表面质量和纹理。
为了估算切削刃121的总偏转(或切削刃121的位置)，除了大的静止偏转之外，还测量小的振动。为此，采用了两种不同类型的测量，每种测量都有不同的优点和测量制度。两种测量类型都有缺点，这使得仅利用其中一种测量类型来检索出所需信息是困难的。
第一种类型测量以大偏转和缓慢变化的切削力为目标，并使用应变仪130-133测量刀具杆110处的偏转引起的应变。第二种类型测量使用被安装在切削刀具100前端中的加速度计140来测量加速度。然后，基于测量的加速度来计算与偏转平均位置的随时间变化的偏差。
刀具杆110由于切削力的响应能够通过其频率响应来描述。频率响应描述了刀具杆110的动态特性(即，它如何响应于不同频率的切削力)，并且频率响应取决于刚度、质量分布、内部阻尼等。对于静态力和缓慢变化的力，刀具杆110的偏转δ和刀具杆110的表面处的应变∈(例如布置有应变仪130所在的位置处的应变)都与所施加的力成正比，因此还根据以下关系彼此成正比：
δ＝kδε
比例常数kδ能够通过向刀具杆110施加力并将所得的偏转∈与来自应变仪130的信号进行比较来确定。比例常数kδ可以例如在切削刀具100已经被安装在车削机器200上之后确定，因为该常数kδ可以取决于切削刀具100是如何被安装在具体的车削机器200上的。
应变信号∈通常非常小，并且通常包含来自电子器件、热效应等的噪声，这限制了最小可检测应变或应变灵敏度。因此，低通滤波对于获得预期应用(即，估算切削刃121的偏转)的期望精度是必需的。
在较高频率下，应变信号∈不是很有用，为此至少有两个原因。一个原因是，由于切削刀具100的动力学和许多振动模式的存在，偏转和应变之间不存在简单的关系。另一个原因是，应变测量的灵敏度太低，以至于无法检测(或区分)存在于较高频率下的小振动。对于高频来说，信噪比就是太低了。相反，切削刀具100的前部的加速度被测量，并从该加速度能够估算在更高频率下的振动(例如振动的振幅)。使用加速度估算位移涉及了滤波和积分两者。高通滤波是必需的，因为低频噪声和漂移将主导信号并限制分辨率。因此，仅基于来自加速度计140的输出，将很难找到切削刃121的静态和缓慢变化的偏转。
图5示出了如何可以组合这两种类型测量来估算切削刃121的偏转的概述。来自加速度计140的输出501经历两次积分502和503，随后是高通滤波504。来自应变仪130的输出505乘以506比例常数kδ，并经历低通滤波507。应当理解的是，低通滤波507可以在乘以506比例常数kδ之前或之后执行。同样，高通滤波504可以例如在积分502和503之前或之后执行，或者被分成两个阶段，在积分502和503每个之后各一个阶段。然后，两个滤波后的信号508和509被组合510，以提供总偏转的估算511。滤波后的信号508和509可以例如通过求和(即通过将信号相加在一起)而被组合510。高通滤波504和低通滤波507可以例如用于在求和510之前提供信号的加权。
选择高通滤波器504和低通滤波器507的截止频率和频率衰减特性，使得所估算的偏转的精度尽可能得好。在许多内部车削操作中(即，当车削机器200使切削刃121从工件230的内表面切削材料时)，一个特别吸引人的选择是使滤波器504和507的截止频率与工件320的旋转速度同步。在这种情况下，平均偏转(或静止偏转)、工件320锥度和椭圆度从应变信号505来估算，而颤动、来自切屑堵塞的脉冲和其它刀具振动从加速度计信号501来估算。
图6中示出了高通滤波504和低通滤波507如何可以使传感器的输出在不同频率范围内被加权的示例。在图6中，竖直轴线示出权重W，水平轴线示出单位为Hz的频率。
切削刃121在第一频率范围内的偏转可以基于测量得到的应变505来估算。第一频率范围包括具有高达第一频率f1的频率的静态(或平均)偏转和振动。应变数据的低通滤波507在图6中由曲线601示出。
切削刃121在第二频率范围内的偏转可以基于测量得到的加速度501来估算。第二频率范围包括具有高于第二频率f2的频率的振动，第二频率f2至少与第一频率f1一样高。使用加速度计数据501获得的数据的高通滤波504在图6中由曲线602示出。
切削刃121在第三频率范围内的偏转可以基于测量得到的应变505和测量得到的加速度501来估算。第三频率范围包括具有在第一频率f1和第二频率f2之间的频率的振动。如曲线601和602所指示的，高通滤波器504和低通滤波器507在该区域中重叠，使得该第三频率范围中的所估算的偏转是两个滤波后的信号508和509之和形式的加权组合。
在本示例中，第一频率f1为7Hz，而第二频率f2为30Hz。第一频率f1和第二频率f2可以例如基于工件320的旋转速度来选择。如果例如工件以10转/秒(即1Hz)的速度旋转，则第一频率f1可以被选择为高于10Hz，使得在与工件320的旋转相同的频率范围内的偏转分量基于来自应变仪130的输出而不是来自加速度计140的输出来估算。
由应变仪130-133测量得到的应变可以例如用于估算0-20Hz范围内的偏转，而由加速度计140测量得到的加速度可以例如用于估算10-100Hz范围内的偏转。这两种类型的测量都可以例如在重叠频率区域中使用，以减少测量误差的影响。
加速度计140可以例如以快如1600Hz的速度进行采样。应变仪130-133的采样率可以较低，但是例如可以是工件320的旋转频率的两倍，以便能够检测工件320中的椭圆度偏差。
估算的总偏转可以例如以偏转频谱的形式提供，该偏转频谱包括在不同频率下的振动的振幅以及平均偏转。即使切削刃121在特定时间点的位置可能难以估算，总偏转也可以指示切削刃121的平均偏转以及振动导致切削刃121移动远离平均偏转有多远。
如果检测到高于特定水平的振动幅度，或者检测到特定频带中的振动能量/效应，则这可以例如是工件320的表面质量可能低于通常的指示，或者切削刃121在切削刃的推荐的操作条件窗口之外使用。如果偏转被实时估算，则切削刀具100的进刀速率或工件320的旋转速度可以于是进行修改，以减少振动。
如果实时监测切削刃121的偏转，则切削刀具100的位置可以由机器200调整(例如通过到CNC接口的反馈)，以补偿静态(或平均)偏转。
如果在工件320的孔231内执行切削工艺，则切削工艺可能被隐藏起来。因此，操作者可能很难说在切削刃121处发生了什么。所估算的偏转可以例如用于检测何时实际发生切削工艺，即何时切削刃121与工件320相接触并且能够切削下材料。
在一些实施例中，可以在加工工艺已经完成之后估算偏转。所估算的偏转可以用于估算在工件320的不同区域处获得的表面质量。
在参照图1描述的实施例中，加速度计140以加速度计芯片140的形式提供。加速度计芯片140可以包括一个或多个用于测量相应方向上的加速度的加速度计(或加速度计电路)。
由于加速度计芯片140可能偏离切削刀具100(或刀片121)的定向，所以方法400可以包括用于在车削之前校准加速度计芯片140的步骤。校准步骤可以例如在切削刀具100的制造或组装期间执行。将参照图7描述校准步骤，图7是沿图1中所示的切削刀具的线A-A’截取的截面图。
作为校准的初始步骤，方法400可以包括将切削刀具100布置在相对于轴线111的参考旋转定向φref上。换句话说，切削刀具100相对于重力场g被放置在明确限定并且已知的定向φref上，并且优选地是，刀片121水平地指向切削刀具100的负x方向(即，在径向136上，φref＝0)。
在本实施例中，加速度计芯片140测量两个方向141和142上的加速度，这两个方向彼此垂直并垂直于轴线111。方向141和142可以分别被称为芯片140的y轴线141和x轴线142。由于芯片140已经安装在切削刀具100中，所以两个方向141和142相对于切削刀具100是固定的。加速度计芯片140可以优选地是已经被布置在切削刀具100中，并且x轴线142靠近切削刀具100的x轴线144，并且y轴线141靠近切削刀具100的y轴线143，如图7中所示。
方法400可以通过测量由芯片140提供的两个方向141和142上的参考加速度而继续。测量得到的加速度Axref和Ayref可以表达为Axref＝g sin(φref-φ0)
Ayref＝g cos(φref-φ0)
其中，φ0是切削刀具100中的芯片140的安装角度。换句话说，φ0是加速度计x轴线142和刀具x轴线144之间的角度。在这些定义的情况下，刀具轴线111与机器轴线重合，而径向146现在处于负x方向。在使用时，刀片121指向相对于水平方向的φrad方向。在诸如平床车床的车削机器中，通常希望使φrad＝0，而在其它车削机器中，可能期望使φrad＝240度(或4p/3弧度)。
方法400可以通过基于测量得到的参考加速度计算指示加速度计芯片140相对于切削刀具100的安装角度φ0的参数值而继续。例如，于是，安装角度φ0本身可以通过下式获得
Figure GDA0002830378620000231
方法400可以通过将切削刀具100相对于轴线111布置在新的旋转定向上而继续。这对应于上述提供车削机器200的步骤410。
估算440切削刃121偏转的上述步骤也可以基于参数值φ0。更准确地说，在径向方向136上的加速度Arad(水平)和在切向方向上的加速度Atan(竖直)可以通过以下等式计算：
Arad＝-Axcosφo+Aysinφ0
Atan＝-Axsinφo-Aycosφ0
其中，Ax是沿着芯片140的x轴线的加速度(对应于方向142)，并且Ay是沿着芯片140的y轴线的加速度(对应于方向141)。由于安装角度φ0已经在校准过程中得到确定，故等式
Figure GDA0002830378620000241
能够用于找到切削刀具100的旋转定向φrad。切削刃121在径向方向上的偏转可以基于相对应的加速度Arad和在该方向上测量得到的应变来估算。类似地是，切削头121在切向方向上的偏转可以基于相对应的加速度Atan和在该方向上测量得到的应变来估算。
在切削刀具100安装期间，切削刀具100的期望定向可以通过绘制切削刀具100的当前定向角φrad和期望的定向角之间的差来获得。切削刀具100可以旋转，直到获得期望的定向为止。
应变仪130-133可以已经在切削刀具100的制造期间被布置，以便测量在切向方向和径向方向上的应变。应变仪130-133的正确定位和定向例如可能在切削刀具100交付给顾客之前已经进行了手动校准。如果应变仪130-133没有很好地与径向方向和切向方向对齐，则这种未对齐可以例如通过校准如何解释来自应变仪130-133的输出来补偿。
在参照图7描述的实施例中，方向141和142彼此垂直。还可以设想这样的实施例，其中方向141和142彼此横交(或不平行)，但彼此不垂直。如技术人员所熟知的，只要两个原始方向之间的角度已知，就可以使用标准三角关系将在两个彼此不垂直的方向上测量得到的加速度转换成在两个彼此垂直的方向上的加速度。因此，在这种设定下，也可以采用与上述计算类似的计算。
还可以设想这样的实施例，其中方向141和142横交于(或不平行于)轴线111，但不一定垂直于轴线111。如果方向141和142不垂直于轴线111，则加速度也可以在一个或多个额外的方向上测量，用于估算在径向方向和切向方向上的加速度。芯片130可以例如测量在彼此垂直的三个方向上的加速度。
本领域的技术人员意识到本发明决不限于以上所述的优选实施例。相反，许多改型和变型在所附权利要求书的范围内是可能的。例如，切削刀具100可以包括多个加速度计140，该多个加速度计140可以例如以多个加速度计芯片的形式提供。应当理解的是，分布在切削刀具100上(和/或内部的)多个加速度计140和应变仪130可以例如用于估算切削刃121的偏转。
另外，通过研究附图、公开内容和所附权利要求书，本领域的技术人员能够在实施要求保护的本发明的过程中理解并且实现对所公开的实施例的变型。在权利要求书中，用语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一个”或“一种”不排除复数。在相互不同的从属权利要求中引述特定措施的不争事实并不表示不能使用这些措施的组合来取得益处。权利要求书中的任何附图标记不应被理解为限制范围。

Claims (14)

1.一种用于在车削中使用的切削刀具(100)，所述切削刀具(100)包括：
刀具杆(110)；
切削头(120)；
应变仪(131、133)；和
加速度计(140)，
其中，所述切削头(120)位于所述刀具杆(110)处并且具有切削刃(121)，所述应变仪被布置用以测量所述刀具杆处的应变，所述加速度计被布置用以测量所述刀具杆处或所述切削头处的加速度，所述加速度计被布置成比所述应变仪更靠近所述切削刃，
所述刀具杆具有在沿着所述刀具杆的特定部位(114)处、在较低值和较高值之间过渡的刚度，并且其中，从所述应变仪(131、133)到所述切削刃的距离(D3)大于从所述应变仪到所述特定部位的距离(D4)。
2.根据权利要求1所述的切削刀具，其中，沿着所述刀具杆的轴向方向的所述刀具杆的特定部分(112、113)易于出现最大应变，并且其中，所述应变仪被布置在所述特定部分处。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的切削刀具，还包括机床接口(150)，所述机床接口(150)用于将所述切削刀具安装在车床(200)和第二应变仪(130)上，其中，从所述第二应变仪(130)到所述切削刃的距离(D1)大于从所述第二应变仪到所述机床接口的距离(D2)。
4.根据权利要求1或2所述的切削刀具，包括机床接口(150)，所述机床接口(150)用于将所述切削刀具安装在车床(200)上，其中，从所述加速度计到所述机床接口的距离(D5)大于从所述加速度计到所述切削刃的距离(D6)。
5.根据权利要求3所述的切削刀具，包括机床接口(150)，所述机床接口(150)用于将所述切削刀具安装在车床(200)上，其中，从所述加速度计到所述机床接口的距离(D5)大于从所述加速度计到所述切削刃的距离(D6)，其中，从所述加速度计到所述机床接口的所述距离是从所述加速度计到所述切削刃的所述距离的至少四倍长，并且其中，从所述第二应变仪(130)到所述切削刃的距离(D1)是从所述第二应变仪到所述机床接口的距离(D2)的至少四倍大。
6.根据权利要求1或2所述的切削刀具，其中，所述应变仪适合于测量指示所述刀具杆相对于工件在径向方向上的弯曲的应变，或者适合于测量指示所述刀具杆相对于所述工件在切向方向上的弯曲的应变。
7.根据权利要求1或2所述的切削刀具，包括：
第二应变仪(130,132)，所述第二应变仪(130,132)被布置用以测量所述刀具杆处的应变，所述应变指示所述刀具杆在相应的方向上的弯曲；和
加速度计(140)，所述加速度计(140)被布置用以在相应的方向(141、142)上测量所述刀具杆处或所述切削头处的加速度，其中，所述加速度计被布置成比所述第二应变仪更靠近所述切削刃。
8.一种车削机器(200)，包括如前述权利要求中的任一项所限定的切削刀具。
9.根据权利要求8所述的车削机器，包括处理部分(210)，所述处理部分(210)被配置用以基于来自所述应变仪和所述加速度计的输出来估算所述切削刃的偏转。
10.一种用于估算切削头(120)的切削刃(121)的偏转的方法(400)，所述方法包括：
提供包括切削刀具(100)的车削机器(200)，其中，所述切削刀具包括刀具杆(110)和所述切削头(120)，所述刀具杆(110)具有在沿着所述刀具杆的特定部位(114)处、在较低值和较高值之间过渡的刚度，所述切削头位于所述刀具杆处；
在车削期间测量所述刀具杆处的、处于如下位置的应变，该位置到所述切削刃的距离(D3)大于到所述特定部位的距离(D4)；
在车削期间测量所述刀具杆处或所述切削头处的加速度；和
基于所测量得到的应变和所测量得到的加速度来估算(440)所述切削刃的偏转。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，在第二位置中测量应变，其中，从所述切削刃到测量所述应变所处的所述第二位置的距离(D1)长于从所述切削刃到测量所述加速度所处的位置的距离(D6)。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中，估算所述偏转包括：
基于所测量得到的应变来估算所述切削刃在第一频率范围内的偏转，所述第一频率范围包括静态偏转和具有高达第一频率(f1)的频率的振动；和
基于所测量得到的加速度来估算所述切削刃在第二频率范围内的偏转，所述第二频率范围包括具有高于第二频率(f2)的频率的振动，所述第二频率(f2)至少与所述第一频率(f1)一样高。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，估算所述偏转包括：
基于所测量得到的应变和所测量得到的加速度来估算在第三频率范围内的偏转，所述第三频率范围包括具有在所述第一频率和所述第二频率之间的频率的振动。
14.根据权利要求10或11所述的方法，还包括：
在车削之前测量所述切削刀具处的加速度；和
基于在车削之前测量得到的所述加速度来估算所述切削刀具的定向，
其中，至少一个加速度计(140)用于在车削之前和车削期间加速度的测量。
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