CN204546139U - 拉刀力实时测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种拉刀力实时测量装置，用于具有拉刀机构的切削机床，其特征在于，所述拉刀力实时测量装置包括：与所述拉刀机构相关联的压电装置，所述压电装置能够根据所述拉刀机构产生的拉刀力产生感应电荷；用于采集所述压电装置所产生感应电荷以形成感应电荷数据的数据采集装置；预存有感应电荷与拉刀力对应关系的数据处理装置，所述数据处理装置能够处理所述数据采集装置形成的感应电荷数据以得到对应的拉刀力数值。本实用新型提供的拉刀力实时测量装置不但能够测量静止状态下的主轴拉刀力，而且能够测量主轴转动状态下的拉刀力，实现了拉刀力的实时测量。

Description

拉刀力实时测量装置

技术领域

本实用新型涉及机床主轴拉刀力的测量领域，特别涉及一种实时测量主轴拉刀力的装置。

背景技术

目前，根据国际和国内标准，在具有自动换刀功能的金属切屑机床上，切屑刀柄一般采用拉刀机构沿轴向拉紧到主轴锥孔上，刀柄通过拉钉与拉刀机构连接。拉刀机构安装在主轴内，其施加到刀柄上的轴向拉力称为主轴拉刀力。

拉刀力的大小直接影响刀柄定位的可靠性。如果拉刀力小于设定值，会影响加工质量，更严重的可能会造成机床事故。如果拉刀力过大，则会引起应力过大，造成拉刀机构疲劳损坏，降低使用寿命。因此，如何准确的获得主轴拉刀力，对保证加工质量和提高机床可靠性具有重要意义。

现有技术中，主轴拉刀力的测量具有绝对测量方式和相对测量方式两种。但两种方式均只能测量机床在静止状态下的主轴拉刀力，不能实时测量运动状态下的主轴拉刀力。其次，机床主轴的制造商基本采用计算的方法估计主轴拉刀力，而缺乏实时测量不同转速下主轴拉刀力的方法。

实用新型内容

鉴于现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种拉刀力实时测量装置，用于具有拉刀机构的切削机床，其特征在于，所述拉刀力实时测量装置包括：与所述拉刀机构相关联的压电装置，所述压电装置能够根据所述拉刀机构产生的拉刀力产生感应电荷；用于采集所述压电装置所产生感应电荷以形成感应电荷数据的数据采集装置；预存有感应电荷与拉刀力对应关系的数据处理装置，所述数据处理装置能够处理所述数据采集装置形成的感应电荷数据以得到对应的拉刀力数值。

在本实用新型的一些实施方式中，所述拉刀力实时测量装置包括：用于与所述拉刀机构连接的挤压元件，所述挤压元件将所述拉刀机构产生的拉刀力转换为施加于所述压电装置的压力，以使所述压电装置产生感应电荷。

本实用新型实施方式中所采用的压电装置根据压电原理制造，其材质为石英压电晶体。挤压元件能够与拉刀装置配合，将拉刀装置产生的拉刀力转化成施加于压电装置的压力，石英压电晶体受到一定方向的外力而变形，内部产生极化现象，而在表面产生电荷。数据采集装置可以根据其表面产生的电荷生成相应的电荷数据。

在本实用新型的一些实施方式中，所述切屑机床具有主轴，所述拉刀机构设置在所述主轴内，所述主轴具有锥形孔；所述拉刀力实时测量装置包括用于与所述压电装置固定连接的定位元件，所述定位元件具有与所述主轴锥形孔相适配的锥形形状。

在本实用新型的实施方式中，定位元件和挤压元件分别位于压电装置的两侧。定位元件具有定位功能的同时，还具有支撑功能，以使挤压元件在一侧挤压压电装置时，从另一侧支撑压电装置，防止压电装置受力偏移。

在本实用新型的一些实施方式中，所述压电装置包括与所述拉刀机构关联的用于产生电荷的力传感器转子；以及与所述力传感器转子相适配的用于产生感应电荷的力传感器定子；所述数据采集装置采集所述力传感器定子所产生的感应电荷以形成感应电荷数据。

拉刀机构随着主轴的旋转而旋转，进而带动压电装置旋转，压电装置可以测量不同主轴转速下的拉刀力。因此，采用力传感器转子和力传感器定子组成的压电装置，并将力传感器转子与拉刀机构相互关联，随着主轴的转动而转动，将拉刀力传导至力传感器转子。力传感器定子不转动，并且可以产生与力传感器转子相应的感应电荷，因此，测量力传感器定子上的感应电荷，即可得到力传感器转子的电荷量，进而更为容易的得到拉刀力。

在本实用新型的一些实施方式中，还包括：用于与所述拉刀机构连接的连接件；所述力传感器转子和所述定位元件套设于所述连接件上；所述挤压元件为与所述力传感器转子连接的法兰盘；所述连接螺钉通过所述法兰盘的中心孔与所述连接件固定连接。

在本实用新型的一些实施方式中，所述切削机床具有主轴箱，所述力传感器转子和所述拉刀机构设置于所述主轴箱内，所述力传感器定子设置于所述主轴箱上。采用这种设计，使得本实用新型的结构更为紧凑，充分利用了有限的设计空间，所述力传感器定子被固定于主轴箱上，有利用数据采集装置对其进行电荷测量。

在本实用新型的一些实施方式中，所述法兰盘与所述连接螺钉之间设置用于减小摩擦的蝶形弹簧。

本实用新型还提供了一种拉刀力实时测量方法，采用所述的拉刀力实时测量装置，包括步骤：

a.关联拉刀机构和压电装置，以使所述压电装置能够根据所述拉刀机构产生的拉刀力产生感应电荷；

b.采集所述压电装置所产生感应电荷以形成感应电荷数据

c.根据感应电荷与拉刀力对应关系得到与所述感应电荷数据对应的拉刀力数据。

在本实用新型的一些实施方式中，步骤a中，通过与压电装置连接的挤压元件将所述拉刀机构产生的拉刀力转换为施加于所述压电装置的压力，以使所述压电装置产生感应电荷。

在本实用新型的一些实施方式中，所述切屑机床具有主轴，所述主轴具有主轴孔，其特征在于：在步骤a之前，还包括步骤：

将所述压电装置与所述定位元件固定连接；

所述定位元件与所述主轴连接，所述定位元件具有与所述主轴孔相应的形状。

本实用新型提供的拉刀力实时测量装置不但能够测量静止状态下的主轴拉刀力，而且能够测量主轴转动状态下的拉刀力，实现了拉刀力的实时测量。这种测量方式能够简单、高效的得到测量数据，克服现有测量装置只能测量静态下的拉刀力的缺陷。所得到的实时拉刀力数值能够应用于对机床的稳定性和可靠性的研究中，为更好的提升机床性能提供数据基础。

附图说明

图1为本实用新型一实施方式的拉刀力实时测量装置的结构示意图；

图2为实用新型一实施方式的拉刀力实时测量装置的安装示意图；

图3为本实用新型一实施方式中的力传感器转子和力传感器定子的配合示意图；

图4为实用新型一实施方式的拉刀力实时测量装置与外部数据处理设备连接的示意图；

图5为实用新型一实施方式的拉刀力实时测量装置利用的压电效应原理图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型一实施方式的拉刀力实时测量装置包括约束加力杆1、刀具适配器2、力传感器转子3、法兰盘4、力传感器定子16、与力传感器定子16连接的电荷放大器17以及数据处理系统。

刀具适配器2套装于约束加力杆1之上。刀具适配器2为圆锥体。力传感器转子3同样套装于约束加力杆1，并且力传感器转子3与刀具适配器2的圆形端面通过紧固螺栓5固定。约束加力杆1的端部具有凸台101。约束加力杆1通过凸台101卡合在刀具适配器2的锥形端之上。法兰盘4通过紧固螺栓6固定于力传感器转子3的另一侧。连接螺栓7通过法兰盘4的通孔与位于力传感器转子3中心孔内的约束加力杆1的尾部固定连接。连接螺钉7上还套设有第一蝶形弹簧8。安装时，第一蝶形弹簧8处于连接螺钉7的尾部与法兰盘4之间。

如图2～3所示，主轴箱体9中安装有具有锥形中心孔的主轴10。主轴10内部设置有拉刀机构。刀具适配器2的锥形端具有与主轴10的锥形中心孔相匹配的锥度，以使刀具适配器2能够与通过锥形端与主轴10连接。约束加力杆1则与设置在主轴10内拉刀机构通过拉钉11连接。当拉刀机构左右移动时，约束加力杆1也会随之左右运动。

拉刀机构主要由拉爪12、第二蝶形弹簧13、拉刀杆14和液压油缸15组成。安装拉刀机构时，拉爪12套设于拉刀杆14之上。第二蝶形弹簧13同样地套设于拉刀杆14，并与拉爪12连接。第二蝶形弹簧13安装时设计有预紧压力Fa，方向如图2所示，朝向右侧。液压油缸15的活塞杆与拉刀杆14固定连接，当液压油进入液压油缸15推动活塞杆往左移动时，活塞杆将产生方向向左的推力Fb。当Fb≥Fa时，拉刀机构完成松刀动作。因此，拉刀力实际为第二蝶形弹簧13装配时设置的预紧力Fa，并且拉刀杆14将该力传导至约束加力杆1。与约束加力杆1固定连接的法兰盘4对力传感器转子3施加与拉刀力相等的压力。当主轴10转动时，拉刀力Fa会发生变化，本实用新型实施方式中的主轴拉刀力实时测量装置即想要测量拉刀力Fa的实时数值。

如图5所示，根据压电效应远离，当压电晶体受到一定方向的外力作用而变形时，其内部产生极化现象，而在其表面产生电荷。当外力消除后，压电晶体又恢复至不带电的原状态。这种将机械能转化为电能的现象称为压电效应。对于电荷极性方向与作用力方向平行的压电效应，其电荷量q_xx(C)与外负载F_x(N)的关系为q_xx＝d_xxF_x，其中d_xx为压电系数。不同材料或材料不同方向上的压电系数一般不同，可通过测试获得，如石英晶体X轴向压电系数d_xx＝2.3×10^-12C/N。

因此，力传感器转子3由压电晶体制成，当受到拉刀力Fa时，根据压电效应，力传感器转子3表面将会产生电荷。在刀具适配器2和主轴10相配合的一端的主轴箱体9上，还通过支架设置了力传感器定子16。

如图4所示，通过拉刀力测量装置将拉刀力Fa转化为力传感器转子3的电荷量。通过电荷感应，力传感器定子16产生与其相应的感应电荷。通过数据采集系统采集电荷数据，再通过预存有电荷和拉刀力对应关系的处理系统得到拉刀力Fa的数值。当主轴转速不同时，其产生的主轴拉刀力不同，力传感器定子产生不同的感应电荷，因此，数据采集系统将采集到不同的感应电荷数据，最后通过数据处理装置得到相应的拉刀力数值，以完成拉刀力的实时测量。

以上对本实用新型的各种实施例进行了详细说明。本领域技术人员将理解，可在不偏离本实用新型范围(由所附的权利要求书限定)的情况下，对实施方案进行各种修改、改变和变化。对权利要求范围的解释应从整体解释且符合与说明一致的最宽范围，并不限于示例或详细说明中的实施范例。

Claims (7)

1.拉刀力实时测量装置，用于具有拉刀机构的切削机床，其特征在于，所述拉刀力实时测量装置包括：

与所述拉刀机构相关联的压电装置，所述压电装置能够根据所述拉刀机构产生的拉刀力产生感应电荷；

用于采集所述压电装置所产生感应电荷以形成感应电荷数据的数据采集装置；

预存有感应电荷与拉刀力对应关系的数据处理装置，所述数据处理装置能够处理所述数据采集装置形成的感应电荷数据以得到对应的拉刀力数值。

2.根据权利要求1所述的拉刀力实时测量装置，其特征在于，所述拉刀力实时测量装置包括：

用于与所述拉刀机构连接的挤压元件，所述挤压元件将所述拉刀机构产生的拉刀力转换为施加于所述压电装置的压力，以使所述压电装置产生感应电荷。

3.根据权利要求1或2所述的拉刀力实时测量装置，其特征在于，所述切削机床具有主轴，所述拉刀机构设置在所述主轴内，所述主轴具有锥形孔；

所述拉刀力实时测量装置包括用于与所述压电装置固定连接的定位元件，所述定位元件具有与所述主轴锥形孔相适配的锥形形状。

4.根据权利要求3所述的拉刀力实时测量装置，其特征在于，所述压电装置包括

与所述拉刀机构关联的用于产生电荷的力传感器转子；以及

与所述力传感器转子相适配的用于产生感应电荷的力传感器定子；

所述数据采集装置采集所述力传感器定子所产生的感应电荷以形成感应电荷数据。

5.根据权利要求4所述的拉刀力实时测量装置，其特征在于，还包括：

用于与所述拉刀机构连接的连接件；

所述力传感器转子和所述定位元件套设于所述连接件上；

所述挤压元件为与所述力传感器转子连接的法兰盘；

所述连接螺钉通过所述法兰盘的中心孔与所述连接件固定连接。

6.根据权利要求4所述的拉刀力实时测量装置，其特征在于：所述切削机床具有主轴箱，所述力传感器转子和所述拉刀机构设置于所述主轴箱内，所述力传感器定子设置于所述主轴箱上。

7.根据权利要求5所述的拉刀力实时测量装置，其特征在于：所述法兰盘与所述连接螺钉之间设置用于减小摩擦的蝶形弹簧。