CN115026633A - 一种机床多分量智能测力系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机床多分量智能测力系统，包括刀柄本体、外壳、固定环、固定螺钉、人字型测力单元、第一梁、第二梁、第三梁、支撑片、电阻式应变片和安装槽，本发明相较于现有的压电式测力仪，通过在标准刀柄上进行二次加工改进，保证了刀柄的正常使用，更满足标准化生产、标准化使用，实现了即插即用的目的；本发明采用的人字型测力单元具有良好的测力性能、抗干扰能力和测量精度，且工艺难度低，安装方便，该结构有着较小的通道间干扰、较高的灵敏度、力分解较为彻底等优点；本发明通过有限元仿真分析和理论分析，选择恰当的位置进行布置电阻应变片，满足设计指标、工业需求，进一步降低了制造费用、制造难度等。
Description
技术领域
本发明涉及切削力测量装置技术领域，具体为一种机床多分量智能测力系统。
背景技术
近些年全球制造业竞争日趋激烈，进一步提高生产效率和产品质量、降低生产成本愈发重要，随着加工系统复杂程度和自动化程度不断提高，切削过程在线监测技术越来越受到人们的关注，而切削力是机械加工中的重要参数，能够直接反映出刀具状态，对提高加工质量、提升加工效率具有重要意义，此外切削力一直是金属切削机理与加工工艺研究中的重要对象，获取实时切削力后对建立刀具切削模型，对优化刀具参数以及加工参数具有决定性作用；
在现有的技术中，主流的切削力监测主要采用压电效应完成对切削力的监测，市场上已经形成了一套相对成熟的解决方案，但是由于压电薄膜存在电荷泄露、成本昂贵、后期维护成本高昂等固有缺陷，导致压电式测力仪无法在工程实际中得到有效应用；同时，大部分的切削力测力仪为盒式结构，需要安装在机床工作台上才能够正常工作，这不可避免的对待加工工件的尺寸等进行了限制，进一步限制了切削力测力仪在实际工程中的应用；部分设计通过在刀柄上的加工出安装槽，然后直接将应变传感器粘贴固定在安装槽内，该种设计导致应变传感器的安装难度上升，同时，现有的测力结构并不注重应变传感器的布置方式，没有对应变传感器的数量及位置进行优化设计，这会极大的影响应变传感器的测力性能、抗干扰能力和测量精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机床多分量智能测力系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种机床多分量智能测力系统，包括刀柄本体，所述刀柄本体内分布设置有人字型测力单元，人字型测力单元的两侧对称设置有支撑片，且支撑片固定连接于刀柄本体上，人字型测力单元的两侧外壁上固定连接有电阻式应变片，刀柄本体上安装有固定环，且固定环套接于人字型测力单元上，固定环上套接有外壳，外壳的下表面分布安装有固定螺钉，且固定螺钉的一端固定连接于固定环上。
优选的，所述刀柄本体内设置的人字型测力单元有上下两层，上层为4个人字型测力单元和8个支撑片，用于测量X方向的力、Y方向的力和绕Z方向的扭矩力，下层为8个人字型测力单元和32个支撑片，用于测量Z方向轴向力。
优选的，所述人字型测力单元包括第一梁、第二梁和第三梁，且电阻式应变片设置于第一梁的两侧外壁上，第一梁的一侧外壁上固定连接有第二梁，第二梁的一侧外壁上对称固定有第三梁。
优选的，所述人字型测力单元的主方向刚度设计过程为：
人字型测力单元的副方向刚度设计过程为：
其中，K表示副方向刚度，k表示主方向刚度，E表示材料的杨氏模量，I1表示第一梁的惯性矩，I2表示第二梁的惯性矩，I3表示第三梁的惯性矩，l1表示第一梁的长度，l2表示第二梁的长度，l3表示第三梁的长度，A2表示第二梁的截面积，A3表示第三梁的截面积。
优选的，所述电阻式应变片的数量为48个，记为R1-R48，其中R1-R32用于测量Z方向轴向力FZ，R33-R40用于测量X方向的径向力Fx和Y方向的径向力Fy，R41-R48用于测量绕Z方向的扭矩Tz，计算公式为：
Fx＝k2×(ε33+ε34-ε35-ε36+ε37+ε38-ε39-ε40)
Fy＝k3×(ε41+ε42-ε43-ε44+ε45+ε46-ε47-ε48)
Tz＝k4×[(ε33+ε34-ε35-ε36)-(ε37+ε38-ε39-ε40)+(ε41+ε42-ε43-ε44)-(ε45+ε46-ε47-ε48)]
其中，εi表示标号为Ri的电阻式应变片所测得的应变值，k1-k4需要根据刀柄的静态标定实验得到，每一个刀柄的k1-k4均不同。
优选的，所述固定环的外壁上均匀分布有安装槽，安装槽的内壁上开设有第一螺孔，第一螺孔的两侧设置有线槽，且相邻的两个安装槽间通过线槽导通连接。
优选的，所述外壳的下表面分布开设有第二螺孔，且固定螺钉安装于第二螺孔内，外壳的两侧外壁上对称开设有通孔，且刀柄本体的套接于通孔内。
优选的，所述固定环上安装有电源模块，电源模块的一侧连接有应变采集模块，应变采集模块的一侧连接有信号采集模块，信号采集模块的一侧连接有WIFI信号传输模块，WIFI信号传输模块的一侧连接有PC端处理模块。
优选的，所述信号采集模块包括数模转换单元和数字信号采集单元，PC端处理模块包括WIFI信号接收单元、信号监测单元和应变力解耦单元。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明相较于现有的压电式测力仪，通过在标准刀柄上进行二次加工改进，保证了刀柄的正常使用，更满足标准化生产、标准化使用，实现了即插即用的目的；本发明采用的人字型测力单元具有良好的测力性能、抗干扰能力和测量精度，且工艺难度低，安装方便，该结构有着较小的通道间干扰、较高的灵敏度、力分解较为彻底等优点；本发明通过有限元仿真分析和理论分析，选择恰当的位置进行布置电阻应变片，满足设计指标、工业需求，进一步降低了制造费用、制造难度等。
附图说明
图1为本发明的整体主视正视图；
图2为本发明的刀柄本体主视结构示意图；
图3为本发明的固定环立体结构示意图；
图4为本发明的外壳主视剖切结构示意图；
图5为本发明的人字型测力单元立体结构示意图；
图6为本发明的系统框图；
图7为本发明的系统流程图；
图8为本发明的人字型测力单元简化力学模型图；
图中：1、刀柄本体；2、外壳；3、固定环；4、固定螺钉；5、人字型测力单元；51、第一梁；52、第二梁；53、第三梁；6、支撑片；7、电阻式应变片；8、安装槽；9、第一螺孔；10、线槽；11、第二螺孔；12、通孔；13、电源模块；14、应变采集模块；15、信号采集模块；151、数模转换单元；152、数字信号采集单元；16、WIFI信号传输模块；17、PC端处理模块；171、WIFI信号接收单元；172、信号监测单元；173、应变力解耦单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-8，本发明提供的一种实施例：一种机床多分量智能测力系统，包括刀柄本体1，刀柄本体1内分布设置有人字型测力单元5，人字型测力单元5的两侧对称设置有支撑片6，且支撑片6固定连接于刀柄本体1上，人字型测力单元5的两侧外壁上固定连接有电阻式应变片7，刀柄本体1上安装有固定环3，且固定环3套接于人字型测力单元5上，固定环3上套接有外壳2，外壳2的下表面分布安装有固定螺钉4，且固定螺钉4的一端固定连接于固定环3上；刀柄本体1内设置的人字型测力单元5有上下两层，上层为4个人字型测力单元5和8个支撑片6，用于测量X方向的力、Y方向的力和绕Z方向的扭矩力，下层为8个人字型测力单元5和32个支撑片6，用于测量Z方向轴向力；人字型测力单元5包括第一梁51、第二梁52和第三梁53，且电阻式应变片7设置于第一梁51的两侧外壁上，第一梁51的一侧外壁上固定连接有第二梁52，第二梁52的一侧外壁上对称固定有第三梁53；
人字型测力单元5的主方向刚度设计过程为：
人字型测力单元5的副方向刚度设计过程为：
其中，K表示副方向刚度，k表示主方向刚度，E表示材料的杨氏模量，I1表示第一梁51的惯性矩，I2表示第二梁52的惯性矩，I3表示第三梁53的惯性矩，l1表示第一梁51的长度，l2表示第二梁52的长度，l3表示第三梁53的长度，A2表示第二梁52的截面积，A3表示第三梁53的截面积；电阻式应变片7的数量为48个，记为R1-R48，其中R1-R32用于测量Z方向轴向力FZ，R33-R40用于测量X方向的径向力Fx和Y方向的径向力Fy，R41-R48用于测量绕Z方向的扭矩Tz，计算公式为：
Fx＝k2×(ε33+ε34-ε35-ε36+ε37+ε38-ε39-ε40)
Fy＝k3×(ε41+ε42-ε43-ε44+ε45+ε46-ε47-ε48)
Tz＝k4×[(ε33+ε34-ε35-ε36)-(ε37+ε38-ε39-ε40)+(ε41+ε42-ε43-ε44)-(ε45+ε46-ε47-ε48)]
其中，εi表示标号为Ri的电阻式应变片7所测得的应变值，k1-k4需要根据刀柄的静态标定实验得到，每一个刀柄的k1-k4均不同；
固定环3的外壁上均匀分布有安装槽8，安装槽8的内壁上开设有第一螺孔9，第一螺孔9的两侧设置有线槽10，且相邻的两个安装槽8间通过线槽10导通连接，固定环3上开设的四个安装槽8按顺时针方向分别用于安装电池、信号采集电路、电池和WIFI信号传输器，第一螺孔9用于配合螺丝将固定环3固定在刀柄本体1上，线槽10用于放置信号线；外壳2的下表面分布开设有第二螺孔11，且固定螺钉4安装于第二螺孔11内，外壳2的两侧外壁上对称开设有通孔12，且刀柄本体1的套接于通孔12内，第二螺孔11用于安装固定螺钉4，通孔12用于容纳刀柄本体1；固定环3上安装有电源模块13，电源模块13的一侧连接有应变采集模块14，应变采集模块14的一侧连接有信号采集模块15，信号采集模块15的一侧连接有WIFI信号传输模块16，WIFI信号传输模块16的一侧连接有PC端处理模块17，电源模块13用于供电，应变采集模块14由多个电阻式应变片7组成，用于采集应变力与扭矩，信号采集模块15可以对信号进行放大、滤波，WIFI信号传输模块16将信号发送至PC端处理模块17，PC端处理模块17对数据进行分析与显示；信号采集模块15包括数模转换单元151和数字信号采集单元152，PC端处理模块17包括WIFI信号接收单元171、信号监测单元172和应变力解耦单元173，数模转换单元151用于将模拟量转换成数字量，数字信号采集单元152用于采集数字量信号，WIFI信号接收单元171用于接收信号，信号监测单元172用于实时监测切削力，应变力解耦单元173用于对切削力、扭矩进行解耦。
工作原理：使用本发明进行切削力监测时，首先将电阻式应变片7固定在人字型测力单元5的第一梁51上，再将人字型测力单元5安装在刀柄本体1上的支撑片6之间，然后将两块电池、信号采集电路和WIFI信号传输器安装在安装槽8内，并连接好线路，将固定环3安装在刀柄本体1上，在固定环3上安装外壳2，最后将刀具安装在刀柄本体1上即可；刀柄本体1产生的切削力传递至内部人字型测力单元5，经放大应变后，由电阻式应变片7测量出切削力与扭矩，应变采集模块14中的惠斯通电桥将检测到的应变转化为电压信号，并传输至信号采集电路，信号采集模块15中的差分放大器对电压信号进行放大、滤波，处理后的信号通过WIFI信号传输模块16上传至PC端处理模块17中，PC端处理模块17接收WIFI信号，并由计算机对数据进行解耦、分析，然后将结果显示出来；其中，第一梁51、第二梁52和第三梁53为一体式结构，第二螺孔11用于安装固定螺钉4，第一螺孔9用于安装螺丝，线槽10用于容纳信号线，通孔12用于容纳刀柄本体1，数模转换单元151用于将模拟量转换成数字量，数字信号采集单元152用于采集数字量信号，WIFI信号接收单元171用于接收信号，信号监测单元172用于实时监测切削力，应变力解耦单元173用于对切削力、扭矩进行解耦，电源模块13用于供电。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (9)
1.一种机床多分量智能测力系统，包括刀柄本体(1)，其特征在于：所述刀柄本体(1)内分布设置有人字型测力单元(5)，人字型测力单元(5)的两侧对称设置有支撑片(6)，且支撑片(6)固定连接于刀柄本体(1)上，人字型测力单元(5)的两侧外壁上固定连接有电阻式应变片(7)，刀柄本体(1)上安装有固定环(3)，且固定环(3)套接于人字型测力单元(5)上，固定环(3)上套接有外壳(2)，外壳(2)的下表面分布安装有固定螺钉(4)，且固定螺钉(4)的一端固定连接于固定环(3)上。
2.根据权利要求1所述的一种机床多分量智能测力系统，其特征在于：所述刀柄本体(1)内设置的人字型测力单元(5)有上下两层，上层为4个人字型测力单元(5)和8个支撑片(6)，用于测量X方向的力、Y方向的力和绕Z方向的扭矩力，下层为8个人字型测力单元(5)和32个支撑片(6)，用于测量Z方向轴向力。
3.根据权利要求2所述的一种机床多分量智能测力系统，其特征在于：所述人字型测力单元(5)包括第一梁(51)、第二梁(52)和第三梁(53)，且电阻式应变片(7)设置于第一梁(51)的两侧外壁上，第一梁(51)的一侧外壁上固定连接有第二梁(52)，第二梁(52)的一侧外壁上对称固定有第三梁(53)。
4.根据权利要求3所述的一种机床多分量智能测力系统，其特征在于：所述人字型测力单元(5)的主方向刚度设计过程为：
人字型测力单元(5)的副方向刚度设计过程为：
其中，K表示副方向刚度，k表示主方向刚度，E表示材料的杨氏模量，I1表示第一梁(51)的惯性矩，I2表示第二梁(52)的惯性矩，I3表示第三梁(53)的惯性矩，l1表示第一梁(51)的长度，l2表示第二梁(52)的长度，l3表示第三梁(53)的长度，A2表示第二梁(52)的截面积，A3表示第三梁(53)的截面积。
5.根据权利要求1所述的一种机床多分量智能测力系统，其特征在于：所述电阻式应变片(7)的数量为48个，记为R1-R48，其中R1-R32用于测量Z方向轴向力FZ，R33-R40用于测量X方向的径向力Fx和Y方向的径向力Fy，R41-R48用于测量绕Z方向的扭矩Tz，计算公式为：
Fx＝k2×(ε33+ε34-ε35-ε36+ε37+ε38-ε39-ε40)
Fy＝k3×(ε41+ε42-ε43-ε44+ε45+ε46-ε47-ε48)
Tz＝k4×[(ε33+ε34-ε35-ε36)-(ε37+ε38-ε39-ε40)+(ε41+ε42-ε43-ε44)-(ε45+ε46-ε47-ε48)]
其中，εi表示标号为Ri的电阻式应变片(7)所测得的应变值，k1-k4需要根据刀柄的静态标定实验得到，每一个刀柄的k1-k4均不同。
6.根据权利要求1所述的一种机床多分量智能测力系统，其特征在于：所述固定环(3)的外壁上均匀分布有安装槽(8)，安装槽(8)的内壁上开设有第一螺孔(9)，第一螺孔(9)的两侧设置有线槽(10)，且相邻的两个安装槽(8)间通过线槽(10)导通连接。
7.根据权利要求1所述的一种机床多分量智能测力系统，其特征在于：所述外壳(2)的下表面分布开设有第二螺孔(11)，且固定螺钉(4)安装于第二螺孔(11)内，外壳(2)的两侧外壁上对称开设有通孔(12)，且刀柄本体(1)的套接于通孔(12)内。
8.根据权利要求6所述的一种机床多分量智能测力系统，其特征在于：所述固定环(3)上安装有电源模块(13)，电源模块(13)的一侧连接有应变采集模块(14)，应变采集模块(14)的一侧连接有信号采集模块(15)，信号采集模块(15)的一侧连接有WIFI信号传输模块(16)，WIFI信号传输模块(16)的一侧连接有PC端处理模块(17)。
9.根据权利要求8所述的一种机床多分量智能测力系统，其特征在于：所述信号采集模块(15)包括数模转换单元(151)和数字信号采集单元(152)，PC端处理模块(17)包括WIFI信号接收单元(171)、信号监测单元(172)和应变力解耦单元(173)。
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