CN110539204A - 钻削力的检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻削力的检测装置，涉及钻削力分析技术领域，通过在一个圆形支撑座的中心设置一个压力传感器以及能够相对于圆形支撑座转动的支撑圆盘、夹持平台，并在夹持平台的外侧设置有另外一套压力传感器以及在夹持平台中设置有夹持方向的压力传感器，从而实现工具三个方向的压力检测。在进行钻削时，通过三个压力传感器分别能够检测出轴向力、径向力、切向力。该装置还分别设置了激光定位以及夹持固定装置，能够很便捷地实现装置的调整及工具的夹持，为钻削力的检测提供了一个很方便的硬件平台。此外，本发明还提供了一种基于钻削力的检测装置的检测方法，能够提高检测过程中的定位、夹持以及数据检测效率。

Description

钻削力的检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及钻削力分析技术领域，特别涉及一种钻削力的检测装置及其检测方法。

背景技术

孔钻削工艺被广泛应用于航空、航天等精密机械加工，以及模具、医疗器械等常规设备生产的各个领域。钻削打孔形式简单、加工效率高、尺寸精度好，因此钻削加工是机械加工领域最为常用的孔加工方法之一。

钻削加工是一种在封闭或半封闭状态下的切削加工方法，其具有不能直接观察到钻头的切削情况、切削热不易传散、切屑不易排出和工艺系统刚性较差等特点，加工过程很不稳定，存在着许多不利因素。钻削力是钻削过程的重要参数，其直接影响钻削热的产生，并进一步影响刀具的磨损、耐用度和孔的表面质量。因此，通过研究钻削速度、进给速度、切削用量等因素对钻削力的影响规律，不仅可为工装设计、工艺规范的确定提供基本依据，而且对钻削力、钻削功率预测，实现智能钻削加工具有重要意义。

钻削力是钻削孔加工过程中的理想检测参数，在钻头运作时其钻削力及其分量直接测量很困难，所以一般通过测量钻削轴向力和扭矩间接测量钻削力。而测量钻削轴向力和扭矩最有效的方法就是利用电流传感器测量钻头旋转驱动电机和钻头进给驱动电机的工作电流从而间接得出钻削轴向力和扭矩。但是这种方式检测精度不高，无法真实、准确反映力的大小。

发明内容

为解决上述问题并为钻削力的分析提供一个能够准确采样受力的平台，本发明采用如下技术方案实现：

一种钻削力的检测装置，包括圆形支撑座、第一压力传感器、支撑圆盘、轴承、夹持平台；

所述圆形支撑座呈圆柱体结构，其中部沿着轴向开有方形通孔；

所述圆形支撑座的上面沿着圆心均匀固定分布有四块弧形挡板，所述四块弧形挡板与所述圆形支撑座的上面构成一个柱形空间；

所述方形通孔的底部设有盖板；

所述第一压力传感器设置于方形通孔中，且安装固定在盖板上；

所述支撑圆盘设置在所述柱形空间内；

所述支撑圆盘的底部开设有方形槽，所述方形槽固定在所述第一压力传感器上面；

所述支撑圆盘上面固定设置有轴承；

所述轴承上面固定设置有夹持平台，所述夹持平台能够相对于所述支撑圆盘转动；

所述夹持平台包括方槽圆形座；所述方槽圆形座呈圆柱体结构，其内开设有方形槽；所述方形槽的底面设置有第二十字轨道；所述方槽圆形座的径向开设有第一螺旋孔和第二螺旋孔；所述第一螺旋孔设有两个，分别与所述方形槽的两个相邻内壁相互垂直且贯通；所述第二螺旋孔设有两个，分别与所述方形槽的另外两个相邻内壁相互垂直且贯通；方槽圆形座的外周面上固定设置有多个突起的方块，方块中开有圆槽，圆槽内设置有第四压力传感器；

两个所述第一螺旋孔内分别可转动穿设有一根第三丝杆；

第三丝杆共设置有两根，每一根所述第三丝杆的一端可转动设置有第一钳块；

两个所述第一钳块均可滑动设置在其对应方向上的所述第二十字轨道上；

所述第二十字轨道与方形槽的四个内壁相互垂直；

所述第一钳块的一端开设有圆槽，其中一个所述第一钳块的圆槽内设置有第三压力传感器；另一个所述第一钳块的圆槽内设置有第二压力传感器；

所述第三丝杆的另一端固定设置有丝杆摇柄；

两个所述第二螺旋孔内分别可转动设置有一根第四丝杆；

所述第二十字轨道上可滑动设置有两个第二钳块；

所述第四丝杆的一端与所述第二钳块之间设置有第一弹簧；所述第四丝杆的另一端与第三摇柄固定连接；

所述夹持平台的方槽圆形座位于四块所述弧形挡板构成的柱形空间内，所述方块凸出于柱形空间外，方块上的第四压力传感器能够与所述弧形挡板相互作用。

优选地，所述方槽圆形座还设置有丝杆锁紧固定机构，所述丝杆锁紧固定机构共设置四个，分别与第三丝杆和第四丝杆连接；

所述丝杆锁紧固定机构共设置四个包括固定块、光杆、位弹簧，所述光杆一端固定在固定块上，光杆的上设有一个凸台，位弹簧套在光杆上并与凸台相抵持，光杆的另一端与方槽圆形座侧面可伸缩滑动连接；

所述固定块上开设有带齿圆孔，所述第三丝杆的另一端端部和第四丝杆的另一端端部设置有与所述带齿圆孔相互配合的斜齿。

优选地，所述夹持平台还包括激光调整机构，所述激光调整机构包括第一激光挡板、第二激光微调机构、第二激光挡板、第一激光微调机构；

所述第一激光挡板和第二激光微调机构固定设置在所述方槽圆形座上面；

所述第一激光挡板和第二激光微调机构位于与第四丝杆相互平行的直线上，且该直线经过方槽圆形座的圆心；

所述第二激光挡板、第一激光微调机构固定设置在所述方槽圆形座上面；

所述第二激光挡板和第一激光微调机构位于与第三丝杆相互平行的直线上，且该直线经过方槽圆形座的圆心；

第一激光微调机构和所述第二激光微调机构结构相同，且均能发射出可见激光束投射到各自对应的激光挡板上。

优选地，所述第一激光微调机构包括第一夹片、第二夹片、激光头、旋钮、螺栓和第二弹簧；

所述第一夹片呈L形结构，第一夹片的一侧与所述第二夹片的一端固定连接；

所述第一夹片和第二夹片之间穿设有螺栓，螺栓的一端螺纹连接有所述旋钮；

所述螺栓上套设有所述第二弹簧，第二弹簧位于第一夹片和第二夹片之间；

所述激光头固定设置在所述第二夹片的外侧。

优选地，还包括十字滑台，所述圆形支撑座固定设置在所述十字滑台的上面。

优选地，所述十字滑台包括下轨道、第一丝杆、第一摇柄、第一十字轨道、上轨道、第二丝杆、第二摇柄；

所述第一丝杆螺旋穿过下轨道的丝杆螺旋孔，第一摇柄安装于第一丝杆的末端，摇动第一摇柄能够带动第一丝杆旋转；

所述第一十字轨道下端中部设有一突起第一圆柱；第一圆柱侧面沿着第一丝杆方向开螺旋孔并将第一圆柱贯穿；第一十字轨道下平面与下轨道的上平面贴合安装，第一丝杆螺旋穿过第一圆柱的螺旋孔，摇动第一摇柄能够带动第一十字轨道平移；

所述第一十字轨道上端中部也有一突起第二圆柱；第二圆柱侧面垂直于第一丝杆方向开螺旋孔并将第二圆柱贯穿，第一十字轨道的上平面与上轨道的下平面贴合安装，第二丝杆依次穿过上轨道的丝杆螺旋孔、第二圆柱的螺旋孔，第二摇柄安装于第二丝杆的末端，摇动第二摇柄能够带动第二丝杆旋转，同时带动上轨道平移。

优选地，还包括信号处理模块，所述信号处理模块包括电路板、放大器以及微控制器；所述放大器与压力传感器电连接，微控制器与放大器输出端电连接，用于采样压力传感器的压力值。

本发明的有益效果包括：设计合理，结构巧妙，体积小，重量轻，稳定性好，便于组装和检修。

为了提高检测效率和检测精度，本发明还提供了一种基于上述钻削力的检测装置的检测方法，包括以下步骤：

S1、利用激光微调机构进行中心位置校准，使得钻头中心对准所述夹持平台的中心；

S2、将工件放置到夹持平台内并夹紧；

S3、向工件移动钻头，开始进行钻削；

S4、通过传感器分别检测钻削的轴向力、径向力以及切向力；

S5、将传感器检测到的信号传送给信号处理模块进行数据处理。

优选地，步骤S4所述检测钻削的轴向力、径向力以及切向力包括：

通过第一压力传感器检测工件受到的轴向力；

通过第二压力传感器和第三压力传感器检测工件受到的径向力；

通过第四压力传感器检测工件受到的切向力。

优选地，步骤S5所述数据处理包括数模转换以及对数字量进行保存和运算最后得到钻削的轴向力、径向力以及切向力。

本方法的有益效果包括：步骤少，操作简单，能够准确检测、分析出钻削力的大小。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明中十字滑台结构示意图；

图3是本发明中十字滑台另一视角的示意图；

图4是本发明中十字滑台另一视角的示意图；

图5是本发明中圆形支撑座的结构示意图；

图6是本发明中圆形支撑座另一视角的示意图；；

图7是本发明中夹持平台的结构示意图；

图8是本发明中激光微调机构的结构示意图；

图9是本发明中压力传感器电路原理示意图；

图10是本发明中信号处理模块结构示意图；

图11是本发明中信号处理模块电路原理示意图；

图12是本发明中固定块与丝杆的结构示意图。

图中各个标号分别表示：

十字滑台1、圆形支撑座2、第一压力传感器3、支撑圆盘4、轴承5、夹持平台6、下轨道7、第一丝杆8、第一摇柄9、第一十字轨道10、上轨道11、第二丝杆12、第二摇柄13、第一圆柱14、第二圆柱15、方形通孔16、盖板17、方形槽18、第二压力传感器19、第一激光挡板20、第一螺旋孔21、第二十字轨道22、丝杆摇柄23、固定块24、第三丝杆25、第一钳块26、第三压力传感器27、第二激光挡板28、第一激光微调机构29、第一复位弹簧30、工件31、圆孔32、方槽圆形座34、第四压力传感器35、圆槽36、第二钳块37、第二复位弹簧38、光杆39、第三摇柄40、固定块41、带齿圆孔42、第四丝杆43、第一弹簧44、第二螺旋孔45、第二激光微调机构46、第一夹片47、第二夹片48、激光头49、旋钮50、螺栓51、第二弹簧52、信号处理模块53、接线端54、第一插针55、第二插针56。

具体实施方式

为使本申请实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的图1~12，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

实施例一

如图1所示，一种钻削力的检测装置，包括圆形支撑座2、第一压力传感器3、支撑圆盘4、轴承5、夹持平台6。

如图5和图6所示，圆形支撑座2呈圆柱体结构，其中部沿着轴向开有方形通孔16。方形通孔16的底部设有盖板17。第一压力传感器3设置于方形通孔16中，且安装固定在盖板17上。盖板17盖在方形通孔16上能够保证圆形支撑座2下平面的密封性。通孔16的内壁正好与第一压力传感器3的外壁贴合。

如图1、5、6所示，圆形支撑座2的上面沿着圆心均匀固定分布有四块弧形挡板，四块弧形挡板与圆形支撑座2的上面构成一个柱形空间。

支撑圆盘4呈圆盘结构，其设置在四块弧形挡板与圆形支撑座2的上面构成的柱形空间内。

支撑圆盘4的底部开设有方形槽18，方形槽18固定在第一压力传感器3上面，使得第一压力传感器3的顶部正好放入方形槽18中，且用螺栓固定。

支撑圆盘4上面采用螺栓固定设置有轴承5。轴承5上面固定设置有夹持平台6，夹持平台6能够相对于支撑圆盘4转动。轴承5的内圈用螺栓固定于支撑圆盘4的上表面。第一压力传感器3的轴线与支撑圆盘4的轴线、轴承5的轴线重合。

如图7所示，夹持平台6包括方槽圆形座34。

方槽圆形座34呈圆柱体结构，其内开设有方形槽。

方形槽的底面设置有第二十字轨道22。

方槽圆形座34的径向开设有第一螺旋孔21和第二螺旋孔45。

其中，第一螺旋孔21设有两个，分别与方形槽的两个相邻内壁相互垂直且贯通。第二螺旋孔45设有两个，分别与方形槽的另外两个相邻内壁相互垂直且贯通。

方槽圆形座34的外周面上固定设置有多个突起的方块，方块中开有圆槽36，圆槽36内设置有第四压力传感器35。

两个第一螺旋孔21内分别可转动穿设有一根第三丝杆25。

第三丝杆25共设置有两根，每一根第三丝杆25的一端（在方槽内的一端）可转动设置有第一钳块26，第一钳块26可滑动设置在第二十字轨道22上。第一钳块26也对应设置两个，与第三丝杆25相互匹配。

第二十字轨道22与方形槽的四个内壁相互垂直。

第一钳块26的一端开设有圆槽，其中一个所述第一钳块26的圆槽内设置有第三压力传感器27；另一个所述第一钳块26的圆槽内设置有第二压力传感器19。

第三丝杆25的另一端固定设置有丝杆摇柄23。

两个第二螺旋孔45内分别可转动设置有一根第四丝杆43。

第二十字轨道22上可滑动设置有两个第二钳块37。

第四丝杆43的一端与第二钳块37之间设置有第一弹簧44。第四丝杆43的另一端与第三摇柄40固定连接；

夹持平台6的方槽圆形座34位于四块弧形挡板构成的柱形空间内，方块凸出于柱形空间外，方块上的第四压力传感器35能够与弧形挡板相互作用。

工作时，将圆形支撑座2设置在台钻上并将夹持平台6设置在钻头的正下方。需要检测钻削力时首先将工件31利用第一钳块26和第二钳块37夹紧，然后用钻头向工件转动钻削。通过第一压力传感器3检测工件31受到的轴向力；通过第二压力传感器19和第三压力传感器27检测工件31受到的径向力；通过第四压力传感器35检测工件31受到的切向力。

实施例二

在实施例一的基础上，为了更便于固定，方槽圆形座34还设置有丝杆锁紧固定机构，丝杆锁紧固定机构共设置四个，分别与第三丝杆25和第四丝杆43连接。

如图7和图12所示，丝杆锁紧固定机构共设置四个包括固定块24/41、光杆39、位弹簧30、38，光杆39一端固定在固定块24/41上，光杆39的上设有一个凸台，位弹簧30、38套在光杆39上并与凸台相抵持，光杆39的另一端与方槽圆形座34侧面可伸缩滑动连接。固定块24/41上开设有带齿圆孔42，第三丝杆25的另一端端部和第四丝杆43的另一端端部设置有与带齿圆孔42相互配合的斜齿。

此外，为了便于调整对正中心，夹持平台6还包括激光调整机构，激光调整机构包括第一激光挡板20、第二激光微调机构46、第二激光挡板28、第一激光微调机构29。第一激光挡板20和第二激光微调机构46固定设置在方槽圆形座34上面。第一激光挡板20和第二激光微调机构46位于与第四丝杆43相互平行的直线上，且该直线经过方槽圆形座34的圆心。第二激光挡板28、第一激光微调机构29固定设置在方槽圆形座34上面。第二激光挡板28和第一激光微调机构29位于与第三丝杆25相互平行的直线上，且该直线经过方槽圆形座34的圆心。第一激光微调机构29和第二激光微调机构46结构相同，且均能发射出可见激光束投射到各自对应的激光挡板上。

上述第一激光微调机构29包括第一夹片47、第二夹片48、激光头49、旋钮50、螺栓51和第二弹簧52。第一夹片47呈L形结构，第一夹片47的一侧与第二夹片48的一端固定连接。第一夹片47和第二夹片48之间穿设有螺栓51，螺栓51的一端螺纹连接有旋钮50。螺栓51上套设有第二弹簧52，第二弹簧52位于第一夹片47和第二夹片48之间。激光头49固定设置在第二夹片48的外侧。

另外，装置还包括信号处理模块53，信号处理模块53包括电路板、放大器以及微控制器；放大器与压力传感器电连接，微控制器与放大器输出端电连接，用于采样压力传感器的压力值。

其工作方式与实施例一相同。

实施例三

一种钻削力的检测装置，由十字滑台1、圆形支撑座2、第一压力传感器3、支撑圆盘4、轴承5、夹持平台6组成。十字滑台1、圆形支撑座2、第一压力传感器3、支撑圆盘4、轴承5、夹持平台6，依次由下往上安装固定。

十字滑台1由下轨道7、第一丝杆8、第一摇柄9、第一十字轨道10、上轨道11、第二丝杆12、第二摇柄13组成。第一丝杆8螺旋穿过下轨道7的丝杆螺旋孔，第一摇柄9安装于第一丝杆8的末端，摇动第一摇柄9可以带动第一丝杆8旋转。第一十字轨道10下端中部有一突起第一圆柱14，从第一圆柱14侧面沿着第一丝杆8方向开螺旋孔并将第一圆柱14贯穿，第一十字轨道10下平面与下轨道7的上平面贴合安装，第一丝杆8螺旋穿过第一圆柱14的螺旋孔，摇动第一摇柄9可以带动第一十字轨道10平移。同理，第一十字轨道10上端中部也有一突起第二圆柱15，从第二圆柱15侧面垂直于第一丝杆8方向开螺旋孔并将第二圆柱15贯穿，第一十字轨道10的上平面与上轨道11的下平面贴合安装，第二丝杆12依次穿过上轨道11的丝杆螺旋孔、第二圆柱15的螺旋孔，第二摇柄13安装于第二丝杆12的末端，摇动第二摇柄13可以带动第二丝杆12旋转，同时带动上轨道11平移。

本装置的中部由圆形支撑座2、第一压力传感器3、支撑圆盘4、轴承5组成。圆形支撑座2安装固定于上轨道11的上平面，圆形支撑座2中部开有方形通孔16，通孔底部设有盖板17，盖板17盖在方形通孔16上能够保证圆形支撑座2下平面的密封性。第一压力传感器3放置于通孔16中，安装固定于盖板17上，通孔16的内壁正好与第一压力传感器3的外壁贴合。支撑圆盘4底部开有方形槽18，使得第一压力传感器3的顶部正好放入方形槽18中，用螺栓固定。轴承5的内圈用螺栓固定于支撑圆盘4的上表面。第一压力传感器3的轴线与支撑圆盘4的轴线、轴承5的轴线重合。

夹持平台6由方槽圆形座34、第三压力传感器27、第二十字轨道22、第三丝杆25、第一弹簧44、丝杆摇柄23、固定块24、第一复位弹簧30、第一钳块26、第一激光微调机构29、第二激光挡板28组成。方槽圆形座34呈圆柱型，其顶部开有方形下陷槽，第二十字轨道22正好可以放入方槽中，方槽圆形座34侧面有四个突起方块，方块中开有圆槽36，刚好能放入第四压力传感器35，第四压力传感器35整体放入圆槽36中，只露出凸台部分。第三丝杆25穿过方槽圆形座34的第一螺旋孔21与第一钳块26连接，丝杆端部与钳块相连，但是可以旋转，第三丝杆25的另一端安装有摇柄23，摇动摇柄23可使得第三丝杆25带动第一钳块26沿着第二十字轨道22平移，第一钳块26的圆槽刚好能放入第三压力传感器27，露出第三压力传感器27的凸台，使其与工件31接触、顶紧。第三丝杆25、摇柄23、第一钳块26、第三压力传感器27构成一个工件顶紧机构，这种机构在本装置中有两套，分别在工件31的相邻面，呈90度放置。

第四丝杆43穿过方槽圆形座34的第二螺旋孔45但不与第二钳块37连接，方槽圆形座34的方槽面上开一个比第二螺旋孔45稍大、方向与第二螺旋孔45一致的圆孔32，第二螺旋孔45与圆孔32导通，圆孔32放置外径与圆孔32内径一样大的第一弹簧44，第一弹簧44的另一端与第二钳块37相接固定，第一弹簧44呈压缩状态，推动第二钳块37顶紧工件31。第四丝杆43的另一端安装有第三摇柄40，摇动第三摇柄40可以旋转第四丝杆43，第四丝杆43的作用是为第一弹簧44导向，防止其偏移。第四丝杆43、第三摇柄40、第一弹簧44、第二钳块37构成另一个工件顶紧机构，这种机构在本装置中也有两套，分别处于工件31的相邻面，呈90度放置。

本装置的四个工件顶紧机构都各自有一个丝杆锁紧固定机构，可用于锁紧固定丝杆，使丝杆不因外界振动引起旋转而使工件31松动。该锁紧机构由固定块41、光杆39、第二复位弹簧38组成，每个锁紧机构有两个光杆39，光杆39一端固定在固定块41上，光杆39上有一个凸台，第二复位弹簧38套在光杆39上并与凸台抵持接触；光杆39的另一端穿设在方槽圆形座34侧面预先设置好的孔中，光杆39可以沿着孔轴向往复移动。固定块41上有带齿圆孔42，同样第四丝杆43的端部也带齿，能与带齿圆孔42配合，第二复位弹簧38处于压缩状态，使得带齿圆孔42上的斜齿与第四丝杆43端部的斜齿咬合，从而使第四丝杆43被锁紧，进而防止因振动引起第四丝杆43旋转使得工件31松动。

夹持平台6的上平面安装有第一激光微调机构29和第二激光挡板28，用于检测钻头是否对准夹持平台6的中心位置，第一激光微调机构29由激光头49、第二弹簧52、第二夹片48、螺栓51和旋钮50组成，第一夹片47和第二夹片48末端贴合固定，第二弹簧52将第一夹片47和第二夹片48前端撑开，将螺栓51贯穿第二弹簧52再与第一夹片47螺旋配合，螺栓51与第二夹片48非螺旋配合，螺栓51端部固定有旋钮50，激光头49安装在第二夹片48上，旋转旋钮50可以带动第二夹片48左右运动，从而实现激光头49方向的微调。第二激光挡板28安装位于激光头49的正对面，使激光打在第二激光挡板28上，便于观察钻头是否对准夹持平台6的中心位置。第一激光微调机构29和第二激光挡板28组成一维的钻头对准机构，该对准机构在本套装置中有两套，组成二维钻头对准机构。

图9为第一压力传感器3、19和27电路原理图，第一压力传感器3、19和27内部电路由一个电桥组成，其中一个桥臂为应变片，压力传感器受到外部作用力时内部应变片形变从而改变自身阻值，因此可以将该应变片看作一个可变电阻。电桥由电阻Rw、R1、R2和R3组成，电阻Rw为应变片可变电阻，电桥的其中两个节点接电源+5V和GND，另外两个节点作为传感器输出端连接到接线端3和接线端4，其中电阻Rw=R1=R2=R3=10KΩ。

如图10所示，图10为信号处理模块53的结构示意图，信号处理模块53为长方形的电路板，该模块与压力传感器的接线端54设置在电路板的右下角处，接线端54包括第一插针55和第二插针56，分别对应着信号处理模块53的电路原理图(图11)的接线端1和接线端2，电路板中部为测量放大器AD522及外围电路(58)和STM32F103C8T6芯片及外围电路(57)。

如图11所示，信号处理模块53由测量放大器AD522和STM32F103C8T6芯片(简称MCU)及其外围电路组成。AD522的引脚1和3作为输入端分别连接到接线端2和接线端1，AD522的引脚2和14之间接一个增益调整外接电阻，引脚5、9、8、11分别接电源-5V、GND、+5V、GND，引脚4、6端之间接入一个电位器Rp(阻值为10KΩ)，电位器Rp滑动端接电源+5V，引脚7和12短接，并且引脚7作为连接到MCU的模拟输入通道引脚10。MCU的OSC_IN端(对应引脚5)与有源晶振7075的OUT引脚连接，NRST端(对应引脚7)与复位芯片MAX809的NRST引脚连接，ADC_IN0端(对应引脚10)接到AD522的输出端。

钻孔时，钻头打在工件上所受到的作用力可分为轴向力、径向力和切向力。轴向力是工件对钻头向上的反作用力，第一压力传感器3安装在夹持平台6的下方，钻头向下的作用力（与钻头受到的轴向力大小相同、方向相反）依次经过工件31、十字导轨22、方槽圆形座34、轴承5、支撑圆盘4最终传到传感器3，该作用力可通过力传感器3测出。径向力是工件对钻头垂直于轴线的作用力（与通过工件31传递到第二压力传感器19和27的力大小相同、方向相反），利用第二压力传感器19和27测出。切向力是钻头旋转运动所受到的阻力，通过第四压力传感器35测得；钻头在工件中旋转，由于摩擦力作用，从而带动夹持平台同向转动，使得安装在夹持平台侧面的第四压力传感器35与圆形支撑座2之间产生挤压力，该挤压力与钻头切向力成正比。通过对以上三个力的综合分析，得出钻头工作时所受到的作用力。

第一压力传感器3、19和27内部都有由应变片组成的电桥，当受到挤压力时，在激励信号的作用下传感器输出0到50mV的模拟量电压信号，将该信号连接至信号处理模块53的接线端54，信号经过测量放大器AD522(58)放大至0到3V，然后输入至MCU(57)的ADC通道进行模数转换，得到该模拟电压对应的数字量，最后处理器对数字量进行保存和运算，得出第一压力传感器3、19或27所受到的挤压力。

本实施例中：

第一压力传感器3上方安装着支撑圆盘4，轴承5安装于支撑圆盘4之上，起到连接支撑圆盘4和夹持平台6的作用，同时还可以让夹持平台6转动，为测量钻头切向力提供硬件条件。

夹持平台6呈圆盘状，刚好能放入圆形支撑座2中，圆形支撑座2侧面有4个弧形挡板，可防止夹持平台6因振动而左右摇晃，起到支撑固定作用。

夹持平台6的侧面安装有第四压力传感器35，当钻头带动夹持平台6有转动趋势时，第四压力传感器35对圆形支撑座2有挤压力从而测出钻头钻削时的切向力。

力传感3安装在夹持平台6的下方，钻头向下的作用力（与钻头受到的轴向力大小相同、方向相反）依次经过工件31、十字导轨22、方槽圆形座34、轴承5、支撑圆盘4最终传到传感器3，最终轴向力可通过力传感器3测出。

径向力是工件对钻头垂直于轴线的作用力（与通过工件31传递到第二压力传感器19和27的力大小相同、方向相反），利用第二压力传感器19和27测出。

夹持平台6使用第一钳块26顶紧工件31，第一钳块26内嵌入第三压力传感器27，传感器27的凸台顶紧工件31，第二钳块37没有传感器，直接与工件31接触，其后端用第一弹簧44顶紧，使工件31对第二钳块37的作用力不至于被第二钳块37吸收，从而使第二压力传感器19能更准确地测出工件31对传感器19的作用力。

夹持平台6中第四丝杆43可通过固定块41锁紧，防止第四丝杆43因振动而松动，使工件31无法固定。固定块41上有带内斜齿的圆孔42，可与第四丝杆43端部的外斜齿紧密啮合，第二复位弹簧38处于压缩状态，使得固定块41向外推着第四丝杆43的端部并且内外斜齿紧密啮合，从而使第四丝杆43被锁紧防止其松动。

夹持平台6上安装有第一激光微调机构29和第二激光挡板28，用于检测钻头是否对准夹持平台6的中心位置，首先调节第一激光微调机构29上的旋钮50，使激光通过夹持平台6的圆心并照射到第二激光挡板28上，同样调节第二激光微调机构46上的旋钮50，使激光通过夹持平台6的圆心并照射到第一激光挡板20上，这两束激光形成一个交叉点，也是夹持平台6的圆心，通过调节十字滑台1使两束激光的交叉点对准钻头，即可完成钻头对该装置中心位置的对准。

需要进行钻削力测试时，可以采用如下步骤实现：

步骤1、利用激光微调机构进行中心位置校准，使得钻头中心对准夹持平台6的中心：首先调节第一激光微调机构29上的旋钮50，使激光通过夹持平台6的圆心并照射到第二激光挡板28上，同样调节第二激光微调机构46上的旋钮50，使激光通过夹持平台6的圆心并照射到第一激光挡板20上，这两束激光形成一个交叉点，也是夹持平台6的圆心，通过调节十字滑台1使两束激光的交叉点对准钻头，即可完成钻头对该装置中心位置的对准。

步骤2、将工件31放置到夹持平台6内并转动丝杆摇柄23和第三摇柄40利用第三丝杆25及第四丝杆43的作用推动第一钳块26和第一钳块26将工件31夹紧。

步骤3、向工件31移动钻头，开始进行钻削。

步骤4、通过传感器分别检测钻削的轴向力、径向力以及切向力：通过第一压力传感器3检测工件31受到的轴向力；通过第二压力传感器19和第三压力传感器27检测工件31受到的径向力；通过第四压力传感器35检测工件31受到的切向力。

步骤5、将传感器检测到的信号传送给信号处理模块进行数据处理：包括数模转换以及对数字量进行保存和运算最后得到钻削的轴向力、径向力以及切向力。

Claims (10)

1.一种钻削力的检测装置，其特征在于，包括圆形支撑座（2）、第一压力传感器（3）、支撑圆盘（4）、轴承（5）、夹持平台（6）；

所述圆形支撑座（2）呈圆柱体结构，其中部沿着轴向开有方形通孔（16）；

所述圆形支撑座（2）的上面沿着圆心均匀固定分布有四块弧形挡板，所述四块弧形挡板与所述圆形支撑座（2）的上面构成一个柱形空间；

所述方形通孔（16）的底部设有盖板（17）；

所述第一压力传感器（3）设置于方形通孔（16）中，且安装固定在盖板（17）上；

所述支撑圆盘（4）设置在所述柱形空间内；

所述支撑圆盘（4）的底部开设有方形槽（18），所述方形槽（18）固定在所述第一压力传感器（3）上面；

所述支撑圆盘（4）上面固定设置有轴承（5）；

所述轴承（5）上面固定设置有夹持平台（6），所述夹持平台（6）能够相对于所述支撑圆盘（4）转动；

所述夹持平台（6）包括方槽圆形座（34）；所述方槽圆形座（34）呈圆柱体结构，其内开设有方形槽；所述方形槽的底面设置有第二十字轨道（22）；所述方槽圆形座（34）的径向开设有第一螺旋孔（21）和第二螺旋孔（45）；所述第一螺旋孔（21）设有两个，分别与所述方形槽的两个相邻内壁相互垂直且贯通；所述第二螺旋孔（45）设有两个，分别与所述方形槽的另外两个相邻内壁相互垂直且贯通；方槽圆形座（34）的外周面上固定设置有多个突起的方块，方块中开有圆槽（36），圆槽（36）内设置有第四压力传感器（35）；

两个所述第一螺旋孔（21）内分别可转动穿设有一根第三丝杆（25）；

第三丝杆（25）共设置有两根，每一根所述第三丝杆（25）的一端可转动设置有第一钳块（26）；

两个所述第一钳块（26）均可滑动设置在其对应方向上的所述第二十字轨道（22）上；

所述第二十字轨道（22）与方形槽的四个内壁相互垂直；

所述第一钳块（26）的一端开设有圆槽，其中一个所述第一钳块（26）的圆槽内设置有第三压力传感器（27）；另一个所述第一钳块（26）的圆槽内设置有第二压力传感器（19）；

所述第三丝杆（25）的另一端固定设置有丝杆摇柄（23）；

两个所述第二螺旋孔（45）内分别可转动设置有一根第四丝杆（43）；

所述第二十字轨道（22）上可滑动设置有两个第二钳块（37）；

所述第四丝杆（43）的一端与所述第二钳块（37）之间设置有第一弹簧（44）；所述第四丝杆（43）的另一端与第三摇柄（40）固定连接；

所述夹持平台（6）的方槽圆形座（34）位于四块所述弧形挡板构成的柱形空间内，所述方块凸出于柱形空间外，方块上的第四压力传感器（35）能够与所述弧形挡板相互作用。

2.根据权利要求1所述的钻削力的检测装置，其特征在于：

所述方槽圆形座（34）还设置有丝杆锁紧固定机构，所述丝杆锁紧固定机构共设置四个，分别与第三丝杆（25）和第四丝杆（43）连接；

所述丝杆锁紧固定机构共设置四个包括固定块（24/41）、光杆（39）、位弹簧（30、38），所述光杆（39）一端固定在固定块（24/41）上，光杆（39）的上设有一个凸台，位弹簧（30、38）套在光杆（39）上并与凸台相抵持，光杆（39）的另一端与方槽圆形座（34）侧面可伸缩滑动连接；

所述固定块（24/41）上开设有带齿圆孔（42），所述第三丝杆（25）的另一端端部和第四丝杆（43）的另一端端部设置有与所述带齿圆孔（42）相互配合的斜齿。

3.根据权利要求2所述的钻削力的检测装置，其特征在于：

所述夹持平台（6）还包括激光调整机构，所述激光调整机构包括第一激光挡板（20）、第二激光微调机构（46）、第二激光挡板（28）、第一激光微调机构（29）；

所述第一激光挡板（20）和第二激光微调机构（46）固定设置在所述方槽圆形座（34）上面；

所述第一激光挡板（20）和第二激光微调机构（46）位于与第四丝杆（43）相互平行的直线上，且该直线经过方槽圆形座（34）的圆心；

所述第二激光挡板（28）、第一激光微调机构（29）固定设置在所述方槽圆形座（34）上面；

所述第二激光挡板（28）和第一激光微调机构（29）位于与第三丝杆（25）相互平行的直线上，且该直线经过方槽圆形座（34）的圆心；

第一激光微调机构（29）和所述第二激光微调机构（46）结构相同，且均能发射出可见激光束投射到各自对应的激光挡板上。

4.根据权利要求3所述的钻削力的检测装置，其特征在于：

所述第一激光微调机构（29）包括第一夹片（47）、第二夹片（48）、激光头（49）、旋钮（50）、螺栓（51）和第二弹簧（52）；

所述第一夹片（47）呈L形结构，第一夹片（47）的一侧与所述第二夹片（48）的一端固定连接；

所述第一夹片（47）和第二夹片（48）之间穿设有螺栓（51），螺栓（51）的一端螺纹连接有所述旋钮（50）；

所述螺栓（51）上套设有所述第二弹簧（52），第二弹簧（52）位于第一夹片（47）和第二夹片（48）之间；

所述激光头（49）固定设置在所述第二夹片（48）的外侧。

5.根据权利要求1~4任一项所述的钻削力的检测装置，其特征在于：

还包括十字滑台（1），所述圆形支撑座（2）固定设置在所述十字滑台（1）的上面。

6.根据权利要求5所述的钻削力的检测装置，其特征在于：

所述十字滑台（1）包括下轨道（7）、第一丝杆（8）、第一摇柄（9）、第一十字轨道（10）、上轨道（11）、第二丝杆（12）、第二摇柄（13）；

所述第一丝杆（8）螺旋穿过下轨道（7）的丝杆螺旋孔，第一摇柄（9）安装于第一丝杆（8）的末端，摇动第一摇柄（9）能够带动第一丝杆（8）旋转；

所述第一十字轨道（10）下端中部设有一突起第一圆柱（14）；第一圆柱（14）侧面沿着第一丝杆（8）方向开螺旋孔并将第一圆柱（14）贯穿；第一十字轨道（10）下平面与下轨道（7）的上平面贴合安装，第一丝杆（8）螺旋穿过第一圆柱（14）的螺旋孔，摇动第一摇柄（9）能够带动第一十字轨道（10）平移；

所述第一十字轨道（10）上端中部也有一突起第二圆柱（15）；第二圆柱（15）侧面垂直于第一丝杆（8）方向开螺旋孔并将第二圆柱（15）贯穿，第一十字轨道（10）的上平面与上轨道（11）的下平面贴合安装，第二丝杆（12）依次穿过上轨道（11）的丝杆螺旋孔、第二圆柱（15）的螺旋孔，第二摇柄（13）安装于第二丝杆（12）的末端，摇动第二摇柄（13）能够带动第二丝杆（12）旋转，同时带动上轨道（11）平移。

7.根据权利要求1~4任一项所述的钻削力的检测装置，其特征在于：

还包括信号处理模块（53），所述信号处理模块（53）包括电路板、放大器以及微控制器；所述放大器与压力传感器电连接，微控制器与放大器输出端电连接，用于采样压力传感器的压力值。

8.一种基于权利要求书7所述的钻削力的检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用激光微调机构进行中心位置校准，使得钻头中心对准所述夹持平台（6）的中心；

S2、将工件（31）放置到夹持平台（6）内并夹紧；

S3、向工件（31）移动钻头，开始进行钻削；

S4、通过传感器分别检测钻削的轴向力、径向力以及切向力；

S5、将传感器检测到的信号传送给信号处理模块进行数据处理。

9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于：

步骤S4所述检测钻削的轴向力、径向力以及切向力包括：

通过第一压力传感器（3）检测工件（31）受到的轴向力；

通过第二压力传感器（19）和第三压力传感器（27）检测工件（31）受到的径向力；

通过第四压力传感器（35）检测工件（31）受到的切向力。

10.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于：

步骤S5所述数据处理包括数模转换以及对数字量进行保存和运算最后得到钻削的轴向力、径向力以及切向力。