CN113324689A - 剪切侧向力实时测量装置及测量方法 - Google Patents

剪切侧向力实时测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种剪切侧向力实时测量装置，包括对应设置的下剪切刀组件和上剪切刀组件；下剪切刀组件包括下剪切刀和用于将待剪切工件压紧固定在下剪切刀上的压紧座；上剪切刀组件包括上剪切刀和用于驱动上剪切刀移动剪切待剪切工件的轨道运动副；轨道运动副包括支撑轨道和滑动配合安装在支撑轨道内的剪切刀座；支撑轨道包括分别位于剪切刀座的前后两侧面的前支撑滑板和后支撑滑板，剪切刀座内沿着轴向方向间隔设有至少两组力测量机构，力测量机构用于测量剪切刀座与前支撑滑板或后支撑滑板之间的作用力；剪切刀座的前侧面的下部设有刀具安装工位，上剪切刀安装在刀具安装工位内。本发明还公开了一种剪切侧向力实时测量方法。

Description

剪切侧向力实时测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于用于测量切削压力状态的技术领域，具体的为一种剪切侧向力实时测量装置及测量方法。
背景技术
因为棒料等工件在被剪切加工时会产生塑性变形，导致剪切时受力面与剪切力方向不完全垂直，从而产生侧向力。该侧向力的存在可能导致：1)刀具磨损加剧；2)轨道运动副产生变形及磨损，导致刀具和轨道运动副的使用寿命降低。通过测得剪切时的等效侧向力的大小和作用点，有助于计算刀具及轨道运动副的使用寿命，并为剪切设备中如何优化局部结构以提高刀具和轨道运动副的使用寿命提供数据支持。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种剪切侧向力实时测量装置及测量方法，能够测量剪切加工时的侧向力大小和作用点，从而为剪切设备的局部结构优化提供数据支持。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明首先提出了一种剪切侧向力实时测量装置，包括对应设置的下剪切刀组件和上剪切刀组件；
所述下剪切刀组件包括下剪切刀和用于将待剪切工件压紧固定在所述下剪切刀上的压紧座；
所述上剪切刀组件包括上剪切刀和用于驱动所述上剪切刀移动剪切待剪切工件的轨道运动副；所述轨道运动副包括支撑轨道和滑动配合安装在所述支撑轨道内的剪切刀座；
所述支撑轨道包括分别位于所述剪切刀座的前后两侧面的前支撑滑板和后支撑滑板，所述剪切刀座内沿着轴向方向间隔设有至少两组力测量机构，所述力测量机构用于测量所述剪切刀座与所述前支撑滑板或后支撑滑板之间的作用力；
所述剪切刀座的前侧面的下部设有刀具安装工位，所述上剪切刀安装在所述刀具安装工位内。
进一步，所述力测量机构包括安装在所述剪切刀座内的拉压力传感器，所述拉压力传感器的前后两侧分别设有用于与前支撑滑板和后支撑滑板滚动配合的滚动组件，所述滚动组件将其受到的力传递至所述拉压力传感器。
进一步，所述滚动组件包括安装支座，所述安装支座内设有安装槽，所述安装槽的两侧壁之间设有滚轮轴，所述滚轮轴上设有与其转动配合的滚轮，所述安装支座固定安装在所述剪切刀座内。
进一步，所述安装支座内设有用于定位所述滚轮轴的定位螺钉。
进一步，所述滚轮与所述滚轮轴之间设有轴承；所述滚轮轴包括大径段和小径段，所述大径段和小径段之间形成用于与所述轴承内圈的一端配合的轴肩，所述小径段上套装设有与所述轴承内圈的另一端配合的轴套，所述滚轮的一端设有径向向内延伸并与所述轴承外圈的一端配合的挡环、另一端设有与所述轴承外圈的另一端配合的轴承盖。
进一步，所述挡环套装在所述大径段上并与所述大径段之间设有第一密封圈；所述轴承盖套装在所述小径段上并与所述小径段之间设有第二密封圈。
进一步，所述剪切刀座内与每一个力测量机构分别对应设有前安装槽和后安装槽，所述前安装槽的槽口设置在所述剪切刀座的前侧面上，所述后安装槽的槽口设置在所述剪切刀座的后侧面上，对应设置的所述前安装槽和后安装槽之间设有连接通孔。
进一步，所述拉压力传感器安装在所述前安装槽的槽底，属于同一个所述力测量机构的两个所述滚动组件中，其中一个为前滚动组件并安装在所述前安装槽内、另一个为后滚动组件并安装在所述后安装槽内，所述前滚动组件的所述安装支座与所述拉压力传感器接触配合，所述后滚动组件的所述安装支座上设有延伸穿过所述连接通孔的连接杆并与所述拉压力传感器固定连接。
进一步，所述拉压力传感器上设有螺孔，所述连接杆上设有与所述螺孔配合的外螺纹。
本发明还提出了一种采用如上所述剪切侧向力实时测量装置的剪切侧向力实时测量方法，设所述上剪切刀受到的位于轴向方向的轴向等效力位于其刀刃上，设利用所述剪切侧向力实时测量装置对待剪切工件进行剪切的整个过程满足静力学平衡，可得：
FN-Fy＝0
Figure BDA0003083680920000021
Figure BDA0003083680920000022
其中，FN为剪切刀座受到的轴向方向的剪切驱动力，且力矩平衡的支点为剪切驱动力FN作用在所述剪切刀座上的作用点；Fy表示上剪切刀受到的位于轴向方向的轴向等效力；Fi表示第i个力测量机构测量得到的力，且当Fi的方向为从前向后时为正，反之为负；ai表示Fi相对于力矩平衡支点的力臂；n表示力测量机构的数量，且n≥2；Fx表示上剪切刀受到的位于侧向方向上的侧向等效力；b1表示Fx相对于力矩平衡支点的力臂，b2表示Fy相对于力矩平衡支点的力臂；
从而得到侧向力比例系数：
Figure BDA0003083680920000031
其中，k表示侧向力比例系数。
本发明的有益效果在于：
本发明的剪切侧向力实时测量装置，通过在剪切刀座的前后两侧分别设置前支撑滑板和后支撑滑板，用于对剪切刀座起到导向作用；通过在剪切刀座内沿着轴向方向间隔设置力测量机构，在对待剪切工件进行剪切作业过程中，若上剪切刀未受到侧向力作用，则力测量机构测量得到的力的大小为零；若上剪切刀受到侧向力作用使，此时的力测量机构测量得到剪切刀座与前支撑滑板或后支撑滑板之间具有作用力，利用力学分析从而可以计算得到上剪切刀受到的侧向力大小和作用点，从而为剪切设备的局部结构优化提供数据支持。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明剪切侧向力实时测量装置实施例的结构示意图；
图2为本实施例剪切侧向力实时测量装置的立体图；
图3为上剪切刀组件的结构示意图；
图4为图3的A-A剖视图；
图5为滚动组件的结构示意图；
图6为上剪切刀组件的受力分析图。
附图标记说明：
1-待剪切工件；2-下剪切刀；3-压紧座；4-上剪切刀；5-支撑轨道；5a-前支撑滑板；5b-后支撑滑板；6-剪切刀座；7-拉压力传感器；8-安装支座；9-安装槽；10-滚轮轴；10a-大径段；10b-小径段；11-滚轮；11a-挡环；12-定位螺钉；13-轴承；14-轴承盖；15-第一密封圈；16-第二密封圈；17-前安装槽；18-后安装槽；19-连接通孔；20-连接杆；21-力测量机构；22-轴套；23-连接耳；24-连接螺钉。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，为本发明剪切侧向力实时测量装置实施例的结构示意图。本实施例的剪切侧向力实时测量装置，包括对应设置的下剪切刀组件和上剪切刀组件。
本实施例的下剪切刀组件包括下剪切刀2和用于将待剪切工件1压紧固定在下剪切刀2上的压紧座3。具体的，本实施例的待剪切工件1为棒料，下剪切刀2与压紧座3之间设有与棒料配合的弧形凹槽。
本实施例的上剪切刀组件包括上剪切刀4和用于驱动上剪切刀4移动剪切待剪切工件1的轨道运动副；轨道运动副包括支撑轨道5和滑动配合安装在支撑轨道5内的剪切刀座6。本实施例的支撑轨道5包括分别位于剪切刀座6的前后两侧面的前支撑滑板5a和后支撑滑板5b，剪切刀座6内沿着轴向方向间隔设有至少两组力测量机构21，力测量机构用于测量剪切刀座6与前支撑滑板5a或后支撑滑板5b之间的作用力。本实施例的剪切刀座6内沿着轴向方向间隔设有两组力测量机构。本实施例的剪切刀座6的前侧面的下部设有刀具安装工位，上剪切刀4安装在刀具安装工位内。
进一步，本实施例的力测量机构包括安装在剪切刀座6内的拉压力传感器7，拉压力传感器7的前后两侧分别设有用于与前支撑滑板5a和后支撑滑板5b滚动配合的滚动组件，滚动组件将其受到的力传递至拉压力传感器7。具体的，本实施例的滚动组件包括安装支座8，安装支座8内设有安装槽9，安装槽9的两侧壁之间设有滚轮轴10，滚轮轴10上设有与其转动配合的滚轮11，安装支座8固定安装在剪切刀座6内。本实施例的安装支座8内设有用于定位滚轮轴10的定位螺钉12。
进一步，本实施例的滚轮11与滚轮轴10之间设有轴承13；滚轮轴10包括大径段10a和小径段10b，大径段10a和小径段10b之间形成用于与轴承13内圈的一端配合的轴肩，小径段10b上套装设有与轴承13内圈的另一端配合的轴套22，滚轮11的一端设有径向向内延伸并与轴承13外圈的一端配合的挡环11a、另一端设有与轴承13外圈的另一端配合的轴承盖14。本实施例的挡环11a套装在大径段10a上并与大径段10a之间设有第一密封圈15；轴承盖14套装在小径段10b上并与小径段10b之间设有第二密封圈16，保证轴承13的密封润滑性能。
进一步，本实施例的剪切刀座6内与每一个力测量机构分别对应设有前安装槽17和后安装槽18，前安装槽17的槽口设置在剪切刀座6的前侧面上，后安装槽18的槽口设置在剪切刀座6的后侧面上，对应设置的前安装槽17和后安装槽18之间设有连接通孔19。本实施例的拉压力传感器7安装在前安装槽17的槽底，属于同一个力测量机构的两个滚动组件中，其中一个为前滚动组件并安装在前安装槽17内、另一个为后滚动组件并安装在后安装槽18内，前滚动组件的安装支座8与拉压力传感器7接触配合，后滚动组件的安装支座8上设有延伸穿过连接通孔19的连接杆20并与拉压力传感器7固定连接。本实施例的拉压力传感器7上设有螺孔，连接杆20上设有与螺孔配合的外螺纹。本实施例的安装支座8的两侧分别设有连接耳23，连接耳23与剪切刀座6之间通过连接螺钉24连接固定。
本实施例的剪切侧向力实时测量装置，通过在剪切刀座的前后两侧分别设置前支撑滑板和后支撑滑板，用于对剪切刀座起到导向作用；通过在剪切刀座内沿着轴向方向间隔设置力测量机构，在对待剪切工件进行剪切作业过程中，若上剪切刀未受到侧向力作用，则力测量机构测量得到的力的大小为零；若上剪切刀受到侧向力作用使，此时的力测量机构测量得到剪切刀座与前支撑滑板或后支撑滑板之间具有作用力，利用力学分析从而可以计算得到上剪切刀受到的侧向力大小和作用点，从而为剪切设备的局部结构优化提供数据支持。
下面结合上述剪切侧向力实时测量装置对本实施例的剪切侧向力实时测量方法的具体实施方式进行详细说明。
本实施例的剪切侧向力实时测量方法将上剪切刀组件的受力模型简化如下：
1)剪切过程中的剪切力很大，而剪切刀运动过程中产生的摩擦力较小，忽略滚轮运动时产生的滚动摩擦力；
2)剪切过程中的速度较低，可忽略惯性力的影响；
3)轴向等效力的轴线简化至刀刃上。
剪切过程是一个较为复杂的过程，剪切过程中滚轮11的受力会不断变化，因此在构造静力学平衡方程时，不对某一时刻的受力进行分析，而是考虑剪切的整个过程，建立起适宜于求解整个剪切过程的轴向/侧向等效力的方程组。求解的正负值表示侧向等效力的受力方向。
具体的，本实施例的剪切侧向力实时测量方法，设上剪切刀4受到的位于轴向方向的轴向等效力位于其刀刃上，设利用剪切侧向力实时测量装置对待剪切工件1进行剪切的整个过程满足静力学平衡，可得：
FN-Fy＝0
Figure BDA0003083680920000051
Figure BDA0003083680920000052
其中，FN为剪切刀座6受到的轴向方向的剪切驱动力，且力矩平衡的支点为剪切驱动力FN作用在剪切刀座6上的作用点；Fy表示上剪切刀4受到的位于轴向方向的轴向等效力；Fi表示第i个力测量机构测量得到的力，且当Fi的方向为从前向后时为正，反之为负；ai表示Fi相对于力矩平衡支点的力臂；n表示力测量机构的数量，且n≥2；Fx表示上剪切刀4受到的位于侧向方向上的侧向等效力；b1表示Fx相对于力矩平衡支点的力臂，b2表示Fy相对于力矩平衡支点的力臂；
从而得到侧向力比例系数：
Figure BDA0003083680920000061
其中，k表示侧向力比例系数。
具体的，如图6所示，为本实施例的上剪切刀组件在剪切时的受力图。其中，O为剪切驱动力FN作用在剪切刀座6上的作用点，也即力矩平衡支点；F1、F2分别为两个力测量机构测量得到的作用力；FN为液压系统给予的作用在剪切刀座6上的剪切驱动力，Fx为上剪切刀4受到的位于侧向方向上的侧向等效力；Fy为上剪切刀4受到的位于轴向方向的轴向等效力，a1、a2、b1、b2分别为各力距离力矩平衡支点O的力臂。其中Fx、Fy、b1为未知量，侧向力比例系数k＝Fx/Fy。
当滚轮某一侧受力时，另一侧不受力，拉压传感器显示为正值则受力方向为从前向后，拉压传感器显示为负值则受力方向为从后向前。
对剪切轴向方向进行分析，轴向仅受液压驱动动力FN及剪切轴向等效力Fy，有：
FN-Fy＝0
对剪切侧向方向进行分析，侧向受到支撑力F1、F2及剪切侧向等效力Fx，有：
F1+F2+Fx＝0
对平面进行力矩分析，有：
a1×F1+a2×F2+b2×Fx-b2×Fy＝0
其中FN、F1、F2、a1、a2、b22已知，联立上述三个方程，即可解得Fx、Fy、b1。
求解得到侧向力比例系数
Figure BDA0003083680920000062
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种剪切侧向力实时测量装置，其特征在于：包括对应设置的下剪切刀组件和上剪切刀组件；
所述下剪切刀组件包括下剪切刀(2)和用于将待剪切工件(1)压紧固定在所述下剪切刀(2)上的压紧座(3)；
所述上剪切刀组件包括上剪切刀(4)和用于驱动所述上剪切刀(4)移动剪切待剪切工件(1)的轨道运动副；所述轨道运动副包括支撑轨道(5)和滑动配合安装在所述支撑轨道(5)内的剪切刀座(6)；
所述支撑轨道(5)包括分别位于所述剪切刀座(6)的前后两侧面的前支撑滑板(5a)和后支撑滑板(5b)，所述剪切刀座(6)内沿着轴向方向间隔设有至少两组力测量机构，所述力测量机构用于测量所述剪切刀座(6)与所述前支撑滑板(5a)或后支撑滑板(5b)之间的作用力；
所述剪切刀座(6)的前侧面的下部设有刀具安装工位，所述上剪切刀(4)安装在所述刀具安装工位内。
2.根据权利要求1所述的剪切侧向力实时测量装置，其特征在于：所述力测量机构包括安装在所述剪切刀座(6)内的拉压力传感器(7)，所述拉压力传感器(7)的前后两侧分别设有用于与前支撑滑板(5a)和后支撑滑板(5b)滚动配合的滚动组件，所述滚动组件将其受到的力传递至所述拉压力传感器(7)。
3.根据权利要求2所述的剪切侧向力实时测量装置，其特征在于：所述滚动组件包括安装支座(8)，所述安装支座(8)内设有安装槽(9)，所述安装槽(9)的两侧壁之间设有滚轮轴(10)，所述滚轮轴(10)上设有与其转动配合的滚轮(11)，所述安装支座(8)固定安装在所述剪切刀座(6)内。
4.根据权利要求3所述的剪切侧向力实时测量装置，其特征在于：所述安装支座(8)内设有用于定位所述滚轮轴(10)的定位螺钉(12)。
5.根据权利要求3所述的剪切侧向力实时测量装置，其特征在于：所述滚轮(11)与所述滚轮轴(10)之间设有轴承(13)；所述滚轮轴(10)包括大径段(10a)和小径段(10b)，所述大径段(10a)和小径段(10b)之间形成用于与所述轴承(13)内圈的一端配合的轴肩，所述小径段(10b)上套装设有与所述轴承(13)内圈的另一端配合的轴套(22)，所述滚轮(11)的一端设有径向向内延伸并与所述轴承(13)外圈的一端配合的挡环(11a)、另一端设有与所述轴承(13)外圈的另一端配合的轴承盖(14)。
6.根据权利要求5所述的剪切侧向力实时测量装置，其特征在于：所述挡环(11a)套装在所述大径段(10a)上并与所述大径段(10a)之间设有第一密封圈(15)；所述轴承盖(14)套装在所述小径段(10b)上并与所述小径段(10b)之间设有第二密封圈(16)。
7.根据权利要求3所述的剪切侧向力实时测量装置，其特征在于：所述剪切刀座(6)内与每一个力测量机构分别对应设有前安装槽(17)和后安装槽(18)，所述前安装槽(17)的槽口设置在所述剪切刀座(6)的前侧面上，所述后安装槽(18)的槽口设置在所述剪切刀座(6)的后侧面上，对应设置的所述前安装槽(17)和后安装槽(18)之间设有连接通孔(19)。
8.根据权利要求7所述的剪切侧向力实时测量装置，其特征在于：所述拉压力传感器(7)安装在所述前安装槽(17)的槽底，属于同一个所述力测量机构的两个所述滚动组件中，其中一个为前滚动组件并安装在所述前安装槽(17)内、另一个为后滚动组件并安装在所述后安装槽(18)内，所述前滚动组件的所述安装支座(8)与所述拉压力传感器(7)接触配合，所述后滚动组件的所述安装支座(8)上设有延伸穿过所述连接通孔(19)的连接杆(20)并与所述拉压力传感器(7)固定连接。
9.根据权利要求8所述的剪切侧向力实时测量装置，其特征在于：所述拉压力传感器(7)上设有螺孔，所述连接杆(20)上设有与所述螺孔配合的外螺纹。
10.一种采用如权利要求1-9任一项所述剪切侧向力实时测量装置的剪切侧向力实时测量方法，其特征在于：设所述上剪切刀(4)受到的位于轴向方向的轴向等效力位于其刀刃上，设利用所述剪切侧向力实时测量装置对待剪切工件(1)进行剪切的整个过程满足静力学平衡，可得：
FN-Fy＝0
Figure FDA0003083680910000021
Figure FDA0003083680910000022
其中，FN为剪切刀座(6)受到的轴向方向的剪切驱动力，且力矩平衡的支点为剪切驱动力FN作用在所述剪切刀座(6)上的作用点；Fy表示上剪切刀(4)受到的位于轴向方向的轴向等效力；Fi表示第i个力测量机构测量得到的力，且当Fi的方向为从前向后时为正，反之为负；ai表示Fi相对于力矩平衡支点的力臂；n表示力测量机构的数量，且n≥2；Fx表示上剪切刀(4)受到的位于侧向方向上的侧向等效力；b1表示Fx相对于力矩平衡支点的力臂，b2表示Fy相对于力矩平衡支点的力臂；
从而得到侧向力比例系数：
Figure FDA0003083680910000031
其中，k表示侧向力比例系数。
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