CN114178906A

CN114178906A - 切削力测量装置

Info

Publication number: CN114178906A
Application number: CN202111682343.7A
Authority: CN
Inventors: 李学瑞; 李炯利; 王刚; 罗圭纳; 王旭东
Original assignee: Beijing Graphene Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: Beijing Graphene Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2041-12-30
Also published as: CN114178906B

Abstract

本发明涉及一种切削力测量装置，弹性主体上开设有至少一个第一安装槽和至少一个第二安装槽，第一安装槽具有第一开口方向，第二安装槽具有第二开口方向，第一开口方向和第二开口方向相互垂直第一弹性安装件设置在第一安装槽内，第一弹性安装件上设置有至少一个第一电阻应变件第二弹性安装件设置在第二安装槽内，第一弹性安装件上设置有至少一个第二电阻应变件。上述切削力测量装置中，弹性主体上通过开设第一安装槽和第二安装槽，能够更加稳定的对第一弹性安装件和第二弹性安装件进行固定，不会改变预定的安装方向，保持第一电阻应变件和第二电阻应变件稳定的处在预定的安装位置，获取到的应力检测数据也能够保持高精准。

Description

切削力测量装置

技术领域

本发明涉及切削技术领域，特别是涉及一种切削力测量装置。

背景技术

在机床上高速切削过程中，切削力是影响工件加工质量的重要参数，切削力影响着车床工作状态及工件加工质量，同时能够反映刀具的磨损状态，准确测量切削力可实现对切削过程的智能监测。实现对三维切削力的精准测量，难点在于如何保证传感器兼具高灵敏度和高固有频率，以及如何消除或减小测量过程中各切削分量之间的交叉干扰，这些因素尤其是在精密、超精密切削过程中对切削力的在线监测方面显得尤为重要。

因此，研究出一种可以对车削过程进行实时、在线监测与反馈，提高三维切削力测量精度的切削力测量装置，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中对三维切削力的测量精度低的问题，提供一种切削力测量装置。

本发明提供了一种切削力测量装置，所述切削力测量装置包括：

弹性主体，所述弹性主体上开设有至少一个第一安装槽和至少一个第二安装槽，所述第一安装槽具有第一开口方向，所述第二安装槽具有第二开口方向，所述第一开口方向和所述第二开口方向相互垂直；

至少一个第一弹性安装件，所述第一弹性安装件设置在所述第一安装槽内，所述第一弹性安装件上设置有至少一个第一电阻应变件；

至少一个第二弹性安装件，所述第二弹性安装件设置在所述第二安装槽内，所述第二弹性安装件上设置有至少一个第二电阻应变件。

在其中一个实施例中，所述第一弹性安装件和/或所述第二弹性安装件为环形结构，所述环形结构的外轮廓为八边形。

在其中一个实施例中，所述第一弹性安装件的中心轴线与所述第一开口方向相互垂直；和/或，

所述第二弹性安装件的中心轴线与所述第二开口方向相互垂直。

在其中一个实施例中，所述第一电阻应变件的数量为多个，多个所述第一电阻应变件设置在所述第一弹性安装件的内壁面和/或外壁面；和/或，

所述第二电阻应变件的数量为多个，多个所述第二电阻应变件设置在所述第二弹性安装件的内壁面和/或外壁面。

在其中一个实施例中，所述第一电阻应变件和/或所述第二电阻应变件为片状结构。

在其中一个实施例中，每个所述第一弹性安装件上设置有4个所述第一电阻应变件，所述第一弹性安装件的相邻两个外壁面上分别设置有1个所述第一电阻应变件和2个所述第一电阻应变件，另外1个所述第一电阻应变件设置在所述第一弹性安装件的内壁面；

和/或，每个所述第二弹性安装件上设置有4个所述第二电阻应变件，所述第二弹性安装件的相邻两个外壁面上分别设置有1个所述第二电阻应变件和2个所述第二电阻应变件，另外1个所述第二电阻应变件设置在所述第二弹性安装件的内壁面。

在其中一个实施例中，所述第一弹性安装件与所述弹性主体一体成型构成；和/或，所述第二弹性安装件与所述弹性主体一体成型构成。

在其中一个实施例中，所述第一安装槽的数量为2个，2个所述第一安装槽的第一开口方向相互平行且朝向相反；和/或，

所述第二安装槽的数量为2个，2个所述第二安装槽的第二开口方向相互平行且朝向相反。

在其中一个实施例中，所述弹性主体沿其长度方向包括有依次连接的第一区段、第二区段和固定区段，所述第一安装槽位于所述第一区段，所述第二安装槽位于所述第二区段。

在其中一个实施例中，所述弹性主体上开设有至少一个第一凹槽，所述第一凹槽位于两个所述第一安装槽之间，且所述第一凹槽的开口方向与所述第一开口方向垂直；和/或，

所述弹性主体上开设有至少一个第二凹槽，所述第二凹槽位于两个所述第二安装槽之间，且所述第二凹槽的开口方向与所述第二开口方向垂直。

上述切削力测量装置中，弹性主体上通过开设第一安装槽和第二安装槽，能够更加稳定的对第一弹性安装件和第二弹性安装件进行固定，不会改变预定的安装方向，保持第一电阻应变件和第二电阻应变件稳定的处在预定的安装位置，获取到的应力检测数据也能够保持高精度，进而提高切削力测量精度。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的弹性主体的立体图；

图2为本发明一个实施例提供的弹性主体的第一方向平面图；

图3为本发明一个实施例提供的弹性主体的第二方向平面图；

图4为本发明一个实施例提供的第一电阻应变件和第二电阻应变件的布局结构示意图。

附图标号：

001、弹性主体；

100、第一区段；200、第二区段；300、固定区段；

110、第一安装槽；120、第一弹性安装件；130、第一电阻应变件；140、第一凹槽；

210、第二安装槽；220、第二弹性安装件；230、第二电阻应变件；240、第二凹槽。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参阅图1至图4所示，本发明一实施例提供了一种切削力测量装置，所述切削力测量装置包括弹性主体001、至少一个第一弹性安装件120和至少一个第二弹性安装件220，所述弹性主体001上开设有至少一个第一安装槽110和至少一个第二安装槽210，所述第一安装槽110具有第一开口方向，所述第二安装槽210具有第二开口方向，所述第一开口方向和所述第二开口方向相互垂直，所述第一弹性安装件120设置在所述第一安装槽110内，所述第一弹性安装件120上设置有至少一个第一电阻应变件130，所述第二弹性安装件220设置在所述第二安装槽210内，所述第二弹性安装件220上设置有至少一个第二电阻应变件230。

参阅图1所示，所述第一安装槽110具有第一开口方向可以参考Ff方向，且第一开口方向可以为Ff的正方向或反方向，所述第二安装槽210具有第二开口方向可以参考Fc方向，且第二开口方向可以为Fc的正方向或反方向。弹性主体001上通过开设第一安装槽110和第二安装槽210，能够更加稳定的对第一弹性安装件120和第二弹性安装件220进行固定，使第一弹性安装件120和第二弹性安装件220在安装到第一安装槽110和第二安装槽210以后，不会改变预定的安装方向，因此将第一弹性安装件120和第二弹性安装件220作为安装基础，在第一弹性安装件120和第二弹性安装件220上安装第一电阻应变件130和第二电阻应变件230时，第一电阻应变件130和第二电阻应变件230会因第一弹性安装件120和第二弹性安装件220的稳定安装，保持第一电阻应变件130和第二电阻应变件230稳定的处在预定的安装位置，进而对预定的应力检测方向进行检测，获取到的应力检测数据也能够保持高精准。

尤其是在其中一个实施例中，所述第一弹性安装件120与所述弹性主体001一体成型构成时，所述第二弹性安装件220与所述弹性主体001一体成型构成时，将会有效地保持第一弹性安装件120和第二弹性安装件220在安装到第一安装槽110和第二安装槽210以后具有相对稳定的结构。所述第一弹性安装件120、所述第二弹性安装件220与所述弹性主体001一体成型构成并整体作为切削力测量的弹性装置，可以保证单独第一弹性安装件120和第二弹性安装件220的布置位置，多个第一弹性安装件120和第二弹性安装件220的对称布局，这样一体式的结构减少了测力系统的零部件数量，避免了由于现有技术通过螺栓对第一弹性安装件120和第二弹性安装件220固定时造成弹性装置位置的不准确、结构不对称、刚度低、多个零件相互振动等问题。

所述第一弹性安装件120和所述第二弹性安装件220可以根据需求设置为各种结构形状，例如所述第一弹性安装件120或所述第二弹性安装件220可以为圆柱体、棱柱体、圆环体等基本结构，而且还可以在圆柱体、棱柱体、圆环体等基本结构的表面设置不同的结构，以满足对第一电阻应变件130和第二电阻应变件230的稳定安装，在其中一个实施例中，所述第一弹性安装件120或所述第二弹性安装件220为环形结构，或者所述第一弹性安装件120和所述第二弹性安装件220为环形结构均可以为环形结构，其中，所述环形结构的外轮廓为八边形，称之为八角环，八边形的外轮廓可以在环形结构(八角环)的外壁形成八个朝向不同方向的外壁面，每个外壁面均可以安装第一电阻应变件130和第二电阻应变件230，以实现将第一电阻应变件130和第二电阻应变件230朝向不同方向进行安装，满足对不同方向的应力数据进行检测，八边形可以为标准的八边形，即每个相邻的外壁面的夹角均相同。

装配时，所述第一弹性安装件120或所述第二弹性安装件220的中心轴线可以与车刀夹持长度方向平行或垂直，在此不做限定。

当第一弹性安装件120为环形结构时，环形结构具有中心轴线，例如圆环、方环、八角环等均具有中心轴线，在其中一个实施例中，所述第一弹性安装件120的中心轴线与所述第一开口方向相互垂直，所述第一安装槽110具有第一开口方向可以参考Ff方向，此时第一弹性安装件120的中心轴线垂直于Ff方向后，可以使第一弹性安装件120上设置的第一电阻应变件130以Ff方向为基准，对应力检测方向进行标准设置。当第二弹性安装件220为环形结构时，在其中一个实施例中，所述第二弹性安装件220的中心轴线与所述第二开口方向相互垂直，所述第二安装槽210具有第二开口方向可以参考Fc方向，此时第二弹性安装件220的中心轴线垂直于Fc方向后，可以使第二弹性安装件220上设置的第二电阻应变件230以Fc方向为基准，对应力检测方向进行标准设置。

当第一弹性安装件120为环形结构时，所述第一电阻应变件130可以根据需求设置在第一弹性安装件120的合适位置，在其中一个实施例中，所述第一电阻应变件130的数量为多个，多个所述第一电阻应变件130设置在所述第一弹性安装件120的内壁面或外壁面，或者多个所述第一电阻应变件130可以分别设置在所述第一弹性安装件120的内壁面和外壁面。当第二弹性安装件220为环形结构时，所述第二电阻应变件230可以根据需求设置在第二弹性安装件220的合适位置，在其中一个实施例中，所述第二电阻应变件230的数量为多个，多个所述第二电阻应变件230设置在所述第二弹性安装件220的内壁面和/或外壁面，或者多个所述第二电阻应变件230可以分别设置在所述第二弹性安装件220的内壁面和外壁面。

所述第一电阻应变件130或所述第二电阻应变件230可以为片状、盘状、块状等结构形状，例如在其中一个实施例中，所述第一电阻应变件130或所述第二电阻应变件230为片状结构，或者所述第一电阻应变件130和所述第二电阻应变件230均为片状结构，所述第一电阻应变件130为电阻应变片，所述第二电阻应变件230为电阻应变片，本领域技术人员可以根据需求选择合适的型号或规格，在此不做限定。

在其中一个实施例中，每个所述第一弹性安装件120上设置有4个所述第一电阻应变件130，所述第一弹性安装件120的相邻两个外壁面上分别设置有1个所述第一电阻应变件130和2个所述第一电阻应变件130，另外1个所述第一电阻应变件130设置在所述第一弹性安装件120的内壁面并与设置有1个所述第一电阻应变件130的相互平行。

在其中一个实施例中，每个所述第二弹性安装件220上设置有4个所述第二电阻应变件230，所述第二弹性安装件220的相邻两个外壁面上分别设置有1个所述第二电阻应变件230和2个所述第二电阻应变件230，另外1个所述第二电阻应变件230设置在所述第二弹性安装件220的内壁面并与设置有1个所述第二电阻应变件230的相互平行。

所述第一安装槽110的数量可以根据需要安装的第一弹性安装件120以及第一弹性安装件120上设置的第一电阻应变件130决定，例如在其中一个实施例中，所述第一安装槽110的数量为2个，2个所述第一安装槽110的第一开口方向相互平行且朝向相反，此时2个第一安装槽110构成相背朝向并在弹性主体001上相互对称的结构，分别安装在两个第一安装槽110内的两个第一弹性安装件120也相互对称，并可以按照对称的形式布置多个第一电阻应变件130。

所述第二安装槽210的数量可以根据需要安装的第二弹性安装件220以及第二弹性安装件220上设置的第二电阻应变件230决定，例如在其中一个实施例中，所述第二安装槽210的数量为2个，2个所述第二安装槽210的第二开口方向相互平行且朝向相反，此时2个第二安装槽210构成相背朝向并在弹性主体001上相互对称的结构，分别安装在两个第二安装槽210内的两个第二弹性安装件220也相互对称，并可以按照对称的形式布置多个第一电阻应变件130。切削力测量装置在固定车刀的同时加工有4个两两垂直的环形结构，即第一弹性安装件120和第二弹性安装件220，可以实现三维切削力的独立测量，减小了各项力之间的相互影响和耦合。多个第一电阻应变件130和多个第一电阻应变件130粘贴于2个第一弹性安装件120和2个第二弹性安装件220的外壁面及内壁面，最终可以组成3个惠斯通全桥电路。

此外，在其中一个实施例中，所述弹性主体001沿其长度方向包括有依次连接的第一区段100、第二区段200和固定区段300，所述第一安装槽110位于所述第一区段100，所述第二安装槽210位于所述第二区段200。固定区段300可以用来连接车床刀架，第一区段100和第二区段200可以用来连接车刀，从而将车到通过该切削力测量装置装配刀车床刀架上，进行车削工作。在其中一个实施例中，所述弹性主体001上开设有至少一个第一凹槽140，所述第一凹槽140位于两个所述第一安装槽110之间，且所述第一凹槽140的开口方向与所述第一开口方向垂直，所述弹性主体001上开设有至少一个第二凹槽240，所述第二凹槽240位于两个所述第二安装槽210之间，且所述第二凹槽240的开口方向与所述第二开口方向垂直，对称的第一凹槽140和第二凹槽240可以提高第一弹性安装件120和第二弹性安装件220测量切削分力方向的对应应变，可以提高检测的灵敏度。

使用时，可以通过螺栓将车刀连接于固定区段300上，例如可以在固定区段300上开设固定孔等易于连接、固定的结构，然后将车刀的相应位置连接在固定孔等结构上，实习车刀的连接。

车刀在车削过程中受到的车削力可分解为三个互相垂直的作用力，可以分别称之为主车削力Fc、进给力Ff和吃刀抗力Fp，并分别对应图1中所指的Fc、Ff和Fp三个方向。其中，进给力Ff引起的变形主要体现在第一区段100的第一弹性安装件120(A，B)上面，主车削力Fc引起的变形主要体现在第二区段200的第二弹性安装件220(C，D)上面，吃刀抗力Fp引起的变形分别体现在双正交第一弹性安装件120和第二弹性安装件220上。

在主车削力Fc的测量中，由于弹性主体001的结构设计，第二弹性安装件220(C，D)对Fc方向的应变更为敏感，此时，第二弹性安装件220(C，D)靠近于固定区段300的一端固定，远离固定区段300的一端随着施加于车刀外力Fc而发生形变，根据第一弹性安装件120和第二弹性安装件220的应变分析理论及第一弹性安装件120和第二弹性安装件220的对称布置可知，在靠近第二弹性安装件220(C，D)固定端相邻的上下外壁面，即θ＝±45°位置处应变最大，可以在靠近第二弹性安装件220(C，D)固定端位置处的上下外壁面分别对称安装4个第二电阻应变件230，并分别标记为R5，R6，R7，R8。

计算公式为：

应变与外力呈正比关系，从而测得Fc。

当受到Fp时，R5，R6，R7，R8的受力状态完全一致，全部为压缩状态，当受到Ff时，由于R5，R6上下对称，R7，R8上下对称，故上述计算公式中结果仍为0，所以通过R5，R6，R7，R8测量Fc，Fp与Ff对Fc没有干扰误差。

在类似于第二电阻应变件230(R5，R6，R7，R8)安装在第二弹性安装件220(C，D)的外壁面，在第一弹性安装件120(A，B)的外壁面也同样呈对称形式安装第一电阻应变件130，并分别标记为R1，R2，R3，R4，用于测量进给力Ff，其原理与Fc一致。

计算公式为

用于测量吃刀抗力Fp时，在沿着弹性主体001长度方向，2个第一弹性安装件120和2个第一弹性安装件120的内壁面、外壁面分别粘贴着第一电阻应变件130和第二电阻应变件230，从第一弹性安装件120(A，B)和第二弹性安装件220(C，D)依次粘贴有第一电阻应变件130和第二电阻应变件230，并分别标记为R9、R10；R11、R12；R13、R14；R15、R16。组成惠斯通全桥电路，可实现Fp的测量。

当受到Fc时，R9，R10，R11，R12的状态一致，R13与R15的符号相反，R14与R16的符号相反，大小相等，结果为0，所以通过R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16测量Fp，Fc与Ff对Fp没有干扰误差。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种切削力测量装置，其特征在于，所述切削力测量装置包括：

2.根据权利要求1所述的切削力测量装置，其特征在于，所述第一弹性安装件和/或所述第二弹性安装件为环形结构，所述环形结构的外轮廓为八边形。

3.根据权利要求2所述的切削力测量装置，其特征在于，所述第一弹性安装件的中心轴线与所述第一开口方向相互垂直；和/或，

4.根据权利要求2所述的切削力测量装置，其特征在于，所述第一电阻应变件的数量为多个，多个所述第一电阻应变件设置在所述第一弹性安装件的内壁面和/或外壁面；和/或，

5.根据权利要求4所述的切削力测量装置，其特征在于，所述第一电阻应变件和/或所述第二电阻应变件为片状结构。

6.根据权利要求5所述的切削力测量装置，其特征在于，每个所述第一弹性安装件上设置有4个所述第一电阻应变件，所述第一弹性安装件的相邻两个外壁面上分别设置有1个所述第一电阻应变件和2个所述第一电阻应变件，另外1个所述第一电阻应变件设置在所述第一弹性安装件的内壁面；

7.根据权利要求1-6中任一项所述的切削力测量装置，其特征在于，所述第一弹性安装件与所述弹性主体一体成型构成；和/或，所述第二弹性安装件与所述弹性主体一体成型构成。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的切削力测量装置，其特征在于，所述第一安装槽的数量为2个，2个所述第一安装槽的第一开口方向相互平行且朝向相反；和/或，

9.根据权利要求8所述的切削力测量装置，其特征在于，所述弹性主体沿其长度方向包括有依次连接的第一区段、第二区段和固定区段，所述第一安装槽位于所述第一区段，所述第二安装槽位于所述第二区段。

10.根据权利要求9所述的切削力测量装置，其特征在于，所述弹性主体上开设有至少一个第一凹槽，所述第一凹槽位于两个所述第一安装槽之间，且所述第一凹槽的开口方向与所述第一开口方向垂直；和/或，