CN110561194A - 一种数控车削加工动态切削力的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控车削加工动态切削力的测量装置及方法。该装置包括刀杆、固定刀座、刀片、防滑垫、数据处理模块、力传感器、激振杆、限位弹簧、弹簧底座和数据总线；刀杆内部设置有数据处理模块、力传感器、激振杆、限位弹簧和弹簧底座；所述力传感器包括力敏元件、转换元件和PCB电路板；PCB电路板上集成有滤波器、放大器和电源供电模块。刀杆内部设置的激振杆和刀片通过联动销孔和联动插销连接在一起，在切削过程中，将刀片所受力实时传递至激振杆上，激振杆可以实时获取切削过程中刀片的真实受力情况。力传感器集成内嵌于刀杆内部，位于激振杆的四周，可以有效地防止外力对力传感器产生影响，同时也可以精确地对激振杆进行数据测量。

Description

一种数控车削加工动态切削力的测量装置及方法

技术领域

本发明属于动态切削力测试领域，具体是一种数控车削加工动态切削力的测量装置及方法。

背景技术

切削力是合理设计和使用机床、刀具、夹具的重要依据。数控车削加工过程中受到的动态切削力直接影响刀具磨破损、耐用度、切削热、加工零件的表面质量和切削振动等，甚至会影响数控车削加工工艺系统的切削稳定性。在实际加工过程中，为优化加工工艺参数、在线监测刀具磨破损及机床振动，需要实时测量动态切削力。切削力的经验计算公式为：

式1)中，F_c为主切削力；C_Fc为系数；a_P为背吃刀量；f为进给量；v_c为切削速度；X_Fc、y_Fc、n_Fc为指数；K_Fc为修正系数，这五个参数均可以通过查表来获得。

对于切削力的测量方法主要有直接测量法和间接测量法。

直接测量法主要是利用测力仪进行测量，测量原理为利用某些非金属材料(例如石英晶体、压电陶瓷等)的压电效应来进行测量，这些非金属材料受力时其表面将产生电荷，再利用电荷放大器将电荷转换成相应的电压参数输出即可实现切削力的测量。这种测量方式的优点是测量的灵敏度高，测量的精度较高，使用可靠性好。但是测力仪的价格都比较昂贵，而且测力仪和加工工件的安装、调试技术复杂，一般需要附加连接机构，进而会影响机床本身的结构。这种方法普遍适用于测量动态切削力和瞬时切削力。

间接测量法则是利用电功率法来进行测量，通过查阅功率表，然后利用公式P_c＝P_e*η_c和公式来计算切削力F_c，式中P_c为机床电动机功率；P_e为总切削功率；η_c为机床传递效率，一般为0.75～0.85。这种方法的优点是测量方便、快捷，但是不够精确，受到的干扰因素也比较多，只能粗略估算切削力的大小。

申请号为201510601021.3的文献公开了一种数控车床车刀加工切削力检测装置，该装置包括信号检测装置、中心控制系统、驱动执行装置、信号线、检测传感器、限位开关和控制驱动单元。其中，信号检测装置通过信号线与中心控制系统连接，驱动执行装置通过信号线与中心控制系统连接，信号检测装置的信号经中心控制系统处理后，发送控制信号给驱动执行装置。该装置的实时性较差，由于机床加工过程中切削力会出现波动，测量结果易出现较大的误差。

申请号为201310552292.5的文献公开了一种三向切削力测量装置，该装置包括八角环刀架、车刀、XYZ轴位移传感器和刀杆。其中，车刀利用螺钉固定在刀杆左端的刀槽内，刀杆右端固定在八角环刀架的矩形凹槽内，Z、Y、X轴位移传感器由上至下依次固定在八角环刀架的通孔内。该装置安装以及调试技术比较复杂，并且易受机床其他因素影响。

申请号为201811211237.9的文献公开了一种嵌入薄膜传感器的一体式车削力测量刀具系统，虽然能解决车削力测量技术测量精度低等问题，但是由于主要测量结构薄膜传感器等嵌入在刀杆外侧，容易受外力影响导致测量数据出现误差。

综上，现有的车削加工切削力测量装置存在以下问题：针对不同类型及结构形式的数控车床切削力测量装置需要附加多种连接机构，安装复杂，调试困难，通用性差；且在测量过程中，需要相应的电荷放大器及采集装置获取信号，外围导线直接影响动态切削力的在线测量，测量精度低、成本高，因此需要研发一种内嵌于刀杆的数控车削加工动态切削力测量装置，以满足实际切削工况下对车削加工在线实时测量要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种数控车削加工动态切削力的测量装置及方法。

本发明解决所述装置技术问题的技术方案是，提供一种数控车削加工动态切削力的测量装置，包括刀杆、固定刀座、刀片和防滑垫；所述防滑垫固定于刀杆外部，用于辅助固定刀片；固定刀座固定于刀杆外部；刀片螺纹连接于固定刀座上；

其特征在于该装置还包括数据处理模块、力传感器、激振杆、限位弹簧、弹簧底座和数据总线；刀杆内部设置有数据处理模块、力传感器、激振杆、限位弹簧和弹簧底座；

所述限位弹簧的两端通过弹簧底座分别固定于刀杆内部与激振杆的一端，用于辅助固定激振杆；激振杆的另一端设置有联动销孔，联动销孔与刀片的联动插销配合连接，用于实现刀片与激振杆的连接；联动销孔的孔径和联动插销的外径相同；所述力传感器套装于激振杆外侧，与激振杆的周向和刀杆的内壁紧密接触，用于实时测量激振杆的受力情况；所述数据总线一端与外部上位机电连接，另一端与数据处理模块电连接，用于传输数据。

本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种数控车削加工动态切削力的测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)使用者将所述装置组装完成并确认其处于正常工作状态；

(2)将刀杆安装在测试车床的刀架上，将数据总线与外部上位机相连；

(3)启动数据处理模块和力传感器，设置力传感器的采样模式、采集通道、缓冲区数量和采样频率，设置测试车床的切削参数和切削代码；

(4)将待加工工件安放到测试车床指定切削位置，启动车床进行切削加工；

(5)切削加工过程中，刀片的实时受力情况通过联动插销传递给激振杆；激振杆将此受力传递给力敏元件，转换元件将力敏元件测得的力信号转化为电信号，再经过滤波器对电信号中的噪声信号和干扰信号进行滤除，然后经过放大器对滤波后的电信号进行放大，再通过力数据传输线传输至力采集前端中，再由数据处理器对数据进行整理计算，再通过数据总线输出至外部上位机，供使用者进行观察和记录；

(6)切削加工完成后，保存好外部上位机中的数据，解除数据总线与外部上位机的连接，将刀杆从车床上取下，完成测量。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1、刀杆内部设置的激振杆和刀片通过联动销孔和联动插销连接在一起，在切削加工过程中，可以将刀片所受力实时传递至激振杆上，激振杆可以实时获取切削过程中刀片的真实受力情况，提高了测试数据的准确性和可靠性。

2、力传感器集成内嵌于刀杆内部，位于激振杆的四周，可以有效地防止外力对力传感器产生影响，同时也可以精确地对激振杆进行数据测量。

3、力传感器内设置有四个应变片，且四个应变片按照全桥电路方式进行连接，全桥连接稳定性更高，电流电压更加平衡，可以降低电流电压对测量数据的影响。当力敏元件受到轴向应力后，一个受力方向上的两个应变片受拉时，另一个受力方向上的两个应变片受挤压，两者发生极性相反的等量变化，可以全面地对激振杆受力情况进行测量，同时也可以有效地降低其他外力对测量数据的干扰，提高本装置工作的精确度。

4、当刀片损坏或者进行不同切削作业时，使用者只需要更换刀片即可，安装简易。

附图说明

图1为本发明一种实施例的装置整体结构立体示意图；

图2为本发明一种实施例的装置整体结构俯视示意图；

图3为本发明一种实施例的刀杆内部的主视示意图；

图4为本发明一种实施例的数据处理模块的俯视示意图；

图5为本发明一种实施例的力传感器的左视剖面示意图；

图6为本发明一种实施例的PCB电路板的俯视示意图；

图7为本发明一种实施例的刀片的立体示意图。

图中：1、刀杆；2、固定刀座；3、刀片；4、安装螺栓；5、防滑垫；6、连接螺栓；7、固定螺栓；8、数据总线；

11、数据处理模块；111、数据处理器；112、力采集前端；113、力数据传输线；12、力传感器；121、力敏元件；122、转换元件；123、PCB电路板；124、滤波器；125、放大器；126、电源供电模块；13、联动销孔；14、激振杆；15、限位弹簧；16、弹簧底座；

31、刀体；32、安装螺纹孔；33、联动插销；34、垫片。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种数控车削加工动态切削力的测量装置(简称装置，参见图1-6)，包括刀杆1、固定刀座2、刀片3和防滑垫5；所述防滑垫5通过固定螺栓7固定于刀杆1外部的右侧前端，用于辅助固定刀片3；固定刀座2固定于刀杆1外部，位于防滑垫5的右侧顶部；刀片3通过安装螺栓4螺纹连接于固定刀座2上，位于防滑垫5的右侧顶部；

其特征在于该装置还包括数据处理模块11、力传感器12、联动销孔13、激振杆14、限位弹簧15、弹簧底座16和数据总线8；刀杆1内部设置有数据处理模块11、力传感器12、激振杆14、限位弹簧15和弹簧底座16；

所述限位弹簧15的两端通过弹簧底座16分别固定于刀杆1内部与激振杆14的一端(左端)，限位弹簧15可以辅助固定激振杆14，防止因其他外力影响，造成数据出现误差；激振杆14的另一端(右端)设置有联动销孔13，联动销孔13与刀片3的联动插销33配合连接，用于实现刀片3与激振杆14的连接，通过激振杆14的测量数据反映刀片3的情况；联动销孔13的孔径和联动插销33的外径相同；激振杆14用于对数控车削加工过程中的动态车削力进行辅助测量，并反应动态切削力的大小；所述力传感器12套装于激振杆14外侧的中间偏左位置处，与激振杆14的周向和刀杆1的内壁紧密接触，用于实时测量激振杆14的受力情况；所述数据总线8通过连接螺栓6安装于刀杆1的左侧中间位置处，一端与外部上位机电连接，另一端与数据处理模块11电连接，用于传输数据。

所述力传感器12包括力敏元件121、转换元件122和PCB电路板123，内嵌于刀杆1内部；所述力敏元件121为圆筒状，其内侧面布置有转换元件122，外侧面与刀杆1的内壁紧密接触；转换元件122套装于激振杆14外侧，与激振杆14的周向紧密接触；PCB电路板123采用防护封装的形式封装在力敏元件121的外侧；PCB电路板123上集成有滤波器124、放大器125和电源供电模块126；转换元件122与力敏元件121电连接，将力敏元件121测得的力信号转化为电信号；滤波器124与转换元件122电连接，对电信号中的噪声信号和干扰信号进行滤除；放大器125与滤波器124电连接，对滤波后的电信号进行信号放大；电源供电模块126通过电源线将外部的高电压转换成5V低电压，为装置和力传感器12供电。

转换元件122由四个电阻式应变片组成，沿圆周方向均匀布置于力敏元件121的内侧面，应变片实时测量激振杆14的受力；相邻两个应变片的受力类型相反，即一个应变片水平布置，相邻的应变片竖直布置，从而实现四个应变片按照全桥电路方式进行连接，全桥连接稳定性更高，电流电压更加平衡，可以降低电流电压对测量数据的影响；当力敏元件121受到轴向应力后，一个受力方向上的两个应变片受拉时，一个受力方向上的两个应变片受挤压，两者发生极性相反的等量变化，可以全面地对激振杆受力情况进行测量，同时也可以有效地降低其他外力对测量数据的干扰，提高本装置工作的精确度。

PCB电路板123为长方形，且PCB电路板123的尺寸小于力敏元件121的尺寸。

所述数据处理模块11包括数据处理器111、力采集前端112和力数据传输线113；数据处理器111的右侧位置处设置有力采集前端112；所述力采集前端112通过力数据传输线113与力传感器12的放大器125电连接，用于将力传感器12的放大器125放大后数据传输至力采集前端112上；数据处理器111与力采集前端112电连接，并通过数据总线8与外部上位机电连接。

所述数据处理模块11选用kistler品牌的2855A4型号；力传感器12选用了测量范围广、精度较高、性能价格比好的电阻应变式压力传感器；力敏元件121采用铝合金弹性套筒；放大器125采用功耗低、输入失调电压小、线性度好的OP07运算放大器：滤波器124采用四阶巴特沃斯低通滤波器。

外部上位机为安装有可以实时接收数据并处理动态切削力的测试软件(例如kislter品牌的kiDAQ软件)的计算机或电脑；

所述刀片3包括刀体31、安装螺纹孔32、联动插销33和垫片34；所述刀体31的中间位置处开有安装螺纹孔32，用于与安装螺栓4配合连接，并用于将刀片3固定在刀杆1上；刀体31的左侧底部位置处焊接有垫片34，垫片34的底部中间位置处焊接有联动插销33；

所述刀杆1采用硬质合金材料制成，可以有效抑制刀杆振动。

本发明同时提供了一种数控车削加工动态切削力的测量方法(简称方法)，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)使用者先将本装置组装完成并检查外观是否完好，确认本装置处于正常工作状态；

(2)将刀杆1固定安装在测试车床的刀架上，将数据总线8与外部上位机相连，保证数据的实时传输；

(3)通过外部上位机启动数据处理模块11和力传感器12，通过外部上位机设置力传感器12的采样模式、采集通道、缓冲区数量和采样频率等参数，在外部上位机上设置测试车床的切削参数和切削代码等；

(4)将待加工工件安放到测试车床指定切削位置，启动车床进行切削加工；

(5)切削加工过程中，刀片3的实时受力情况通过联动插销33传递给激振杆14；激振杆14将此受力传递给力敏元件121，转换元件122将力敏元件121测得的力信号转化为电信号，再经过滤波器124中的滤波电路对电信号中的噪声信号和干扰信号进行滤除，然后经过放大器125中的放大电路对滤波后的电信号进行信号放大，再通过力数据传输线传输至力采集前端112中，再由数据处理器111对数据进行整理计算，再通过数据总线8输出至外部上位机，供使用者进行观察和记录；

(6)切削加工完成后，保存好外部上位机中的数据，解除数据总线8与外部上位机的连接，将刀杆1从车床上取下，完成测量。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (8)

1.一种数控车削加工动态切削力的测量装置，包括刀杆、固定刀座、刀片和防滑垫；所述防滑垫固定于刀杆外部，用于辅助固定刀片；固定刀座固定于刀杆外部；刀片螺纹连接于固定刀座上；

其特征在于该装置还包括数据处理模块、力传感器、激振杆、限位弹簧、弹簧底座和数据总线；刀杆内部设置有数据处理模块、力传感器、激振杆、限位弹簧和弹簧底座；

所述限位弹簧的两端通过弹簧底座分别固定于刀杆内部与激振杆的一端，用于辅助固定激振杆；激振杆的另一端设置有联动销孔，联动销孔与刀片的联动插销配合连接，用于实现刀片与激振杆的连接；联动销孔的孔径和联动插销的外径相同；所述力传感器套装于激振杆外侧，与激振杆的周向和刀杆的内壁紧密接触，用于实时测量激振杆的受力情况；所述数据总线一端与外部上位机电连接，另一端与数据处理模块电连接，用于传输数据。

2.根据权利要求1所述的数控车削加工动态切削力的测量装置，其特征在于所述力传感器包括力敏元件、转换元件和PCB电路板；所述力敏元件为圆筒状，其内侧面布置有转换元件，外侧面与刀杆的内壁紧密接触；转换元件套装于激振杆外侧，与激振杆的周向紧密接触；PCB电路板封装在力敏元件的外侧；PCB电路板上集成有滤波器、放大器和电源供电模块；转换元件与力敏元件电连接，将力敏元件测得的力信号转化为电信号；滤波器与转换元件电连接，对电信号中的噪声信号和干扰信号进行滤除；放大器与滤波器电连接，对滤波后的电信号进行信号放大；电源供电模块为力传感器供电。

3.根据权利要求2所述的数控车削加工动态切削力的测量装置，其特征在于转换元件由四个电阻式应变片组成，沿圆周方向均匀布置于力敏元件的内侧面，应变片实时测量激振杆的受力；相邻两个应变片的受力类型相反，一个应变片水平布置，相邻的应变片竖直布置，从而实现四个应变片按照全桥电路方式进行连接。

4.根据权利要求2所述的数控车削加工动态切削力的测量装置，其特征在于PCB电路板为长方形，且PCB电路板的尺寸小于力敏元件的尺寸。

5.根据权利要求1或2所述的数控车削加工动态切削力的测量装置，其特征在于所述数据处理模块包括数据处理器、力采集前端和力数据传输线；所述力采集前端通过力数据传输线与力传感器的放大器电连接，用于将力传感器的放大器放大后数据传输至力采集前端上；数据处理器与力采集前端电连接，并通过数据总线与外部上位机电连接。

6.根据权利要求1所述的数控车削加工动态切削力的测量装置，其特征在于所述刀片包括刀体、联动插销和垫片；所述刀体的中间位置处开有安装螺纹孔，用于与安装螺栓配合连接，用于将刀片固定在刀杆上；刀体底部通过垫片固定有联动插销。

7.根据权利要求1所述的数控车削加工动态切削力的测量装置，其特征在于所述刀杆采用硬质合金材料制成，可以有效抑制刀杆振动。

8.一种数控车削加工动态切削力的测量方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)使用者将权利要求1-7任一所述装置组装完成并确认其处于正常工作状态；

(2)将刀杆安装在测试车床的刀架上，将数据总线与外部上位机相连；

(3)启动数据处理模块和力传感器，设置力传感器的采样模式、采集通道、缓冲区数量和采样频率，设置测试车床的切削参数和切削代码；

(4)将待加工工件安放到测试车床指定切削位置，启动车床进行切削加工；

(5)切削加工过程中，刀片的实时受力情况通过联动插销传递给激振杆；激振杆将此受力传递给力敏元件，转换元件将力敏元件测得的力信号转化为电信号，再经过滤波器对电信号中的噪声信号和干扰信号进行滤除，然后经过放大器对滤波后的电信号进行放大，再通过力数据传输线传输至力采集前端中，再由数据处理器对数据进行整理计算，再通过数据总线输出至外部上位机，供使用者进行观察和记录；

(6)切削加工完成后，保存好外部上位机中的数据，解除数据总线与外部上位机的连接，将刀杆从车床上取下，完成测量。