三向切削力測(cè)量裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了三向切削力測(cè)量裝置，旨在克服現(xiàn)有切削力測(cè)量裝置在各個(gè)方向之間相互干擾和貼片位置不精確的問(wèn)題。三向切削力測(cè)量裝置包括八角環(huán)刀架（1）、車(chē)刀（2）、Z軸位移傳感器（3）、Y軸位移傳感器（4）、X軸位移傳感器（5）與刀桿（7）。車(chē)刀（2）利用螺釘固定在刀桿（7）左端的刀槽內(nèi)，刀桿（7）右端固定在八角環(huán)刀架（1）的矩形凹槽內(nèi)，Z軸位移傳感器（3）、Y軸位移傳感器（4）與X軸位移傳感器（5）由上至下地依次固定在八角環(huán)刀架（1）上的Z傳感器通孔、Y傳感器通孔與X傳感器通孔內(nèi)。Z軸位移傳感器（3）、Y軸位移傳感器（4）與X軸位移傳感器（5）的回轉(zhuǎn)軸線平行。并同處八角環(huán)刀架（1）的對(duì)稱(chēng)面M內(nèi)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】三向切削力測(cè)量裝置【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種車(chē)削加工過(guò)程中切削力測(cè)量裝置，更具體地說(shuō)，它涉及一種三個(gè)獨(dú)立方向的三向切削力測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在切削加工中，切削力是一個(gè)非常重要的參數(shù)。切削力信號(hào)含有豐富的刀具磨損信息，它反映刀具的磨損情況最為直接，與刀具磨損的相關(guān)性好，信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性強(qiáng)，因此可利用它作為特征量來(lái)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)刀具的磨損情況。切削力還是設(shè)計(jì)和合理使用機(jī)床、刀具、夾具的重要依據(jù)。
[0003]目前，用于測(cè)量車(chē)削力最常見(jiàn)的裝置是八角環(huán)電阻應(yīng)變片式測(cè)力儀，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、成本低廉，可以進(jìn)行多個(gè)方向上分力的測(cè)量，所以得到了廣泛的應(yīng)用。八角環(huán)電阻應(yīng)變片式測(cè)力儀根據(jù)單個(gè)八角環(huán)受力變形規(guī)律制作而成，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行了簡(jiǎn)化，做成雙層八角環(huán)結(jié)構(gòu)，但由于單個(gè)八角環(huán)和實(shí)際測(cè)力儀上的耳環(huán)的變形規(guī)律有一定的差異，所以八角環(huán)上的理論貼片位置并不一定就是測(cè)力儀耳環(huán)上的對(duì)應(yīng)位置，測(cè)力儀的測(cè)量精度就不高，被測(cè)的各個(gè)分力之間的相互影響較大。另外電阻應(yīng)變片的一致性很難保證，應(yīng)變片的粘貼固定也相當(dāng)繁瑣，成功率和一致性很難保證，同時(shí)存在零點(diǎn)漂移問(wèn)題、蠕變問(wèn)題、現(xiàn)行修正和標(biāo)定問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服了現(xiàn)有切削力測(cè)量裝置在各個(gè)方向之間相互干擾和貼片位置不精確的問(wèn)題，提供了一種三向切削力測(cè)量裝置。
[0005]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:所述的三向切削力測(cè)量裝置包括八角環(huán)刀架、車(chē)刀、Z軸位移傳感器、Y軸位移傳感器、X軸位移傳感器與刀桿。
[0006]車(chē)刀利用螺釘固定在刀桿左端的刀槽內(nèi)，刀桿右端固定在八角環(huán)刀架上的凹槽內(nèi)，Z軸位移傳感器、Y軸位移傳感器與X軸位移傳感器由上至下地依次固定在八角環(huán)刀架上的三個(gè)傳感器通孔內(nèi)。
[0007]技術(shù)方案中所述的八角環(huán)刀架為一個(gè)多棱柱式等橫截面的左右對(duì)稱(chēng)的空心殼體件，八角環(huán)刀架的前半部分為前端，八角環(huán)刀架的后半部分為固定端，前端與固定端連成一體，八角環(huán)刀架即前端與固定端的左右端設(shè)置有對(duì)稱(chēng)地圓柱形通孔，兩圓柱形通孔由一個(gè)長(zhǎng)方體形通孔連通，兩圓柱形通孔的左右側(cè)壁上設(shè)置有和兩圓柱形通孔連通的矩形通孔，前端的前端面上設(shè)置有安裝刀桿的凹槽，固定端的前端面上由上至下地設(shè)置有三個(gè)安裝Z軸位移傳感器、Y軸位移傳感器與X軸位移傳感器的傳感器通孔即Z傳感器通孔、Y傳感器通孔與X傳感器通孔。
[0008]技術(shù)方案中所述的矩形凹槽位于八角環(huán)刀架的前端的幾何中心處。
[0009]技術(shù)方案中所述的Z傳感器 通孔、Y傳感器通孔與X傳感器通孔的回轉(zhuǎn)軸線相互平行，并同處于八角環(huán)刀架的左右對(duì)稱(chēng)面M上，Y傳感器通孔的回轉(zhuǎn)軸線處于八角環(huán)刀架的中性層即中性面N內(nèi)。
[0010]技術(shù)方案中所述的Z軸位移傳感器、Y軸位移傳感器與X軸位移傳感器的回轉(zhuǎn)軸線相互平行，并同處于八角環(huán)刀架的左右對(duì)稱(chēng)面M內(nèi)，對(duì)稱(chēng)面M為八角環(huán)刀架幾何對(duì)稱(chēng)面即YOZ平面；Y軸位移傳感器的回轉(zhuǎn)軸線位于八角環(huán)刀架的中性面N內(nèi)，中性面N平行于XOY面，且經(jīng)過(guò)八角環(huán)刀架的中性層。
[0011]技術(shù)方案中所述的Z軸位移傳感器位于中性面N的上方，X軸位移傳感器位于中性面N的下方。
[0012]技術(shù)方案中所述的車(chē)刀的刀尖位于八角環(huán)刀架的左右對(duì)稱(chēng)面M內(nèi)，即車(chē)刀的刀尖位于YOZ平面內(nèi)。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比本實(shí)用新型的有益效果是:
[0014]1.本實(shí)用新型所述的三向切削力測(cè)量裝置不同于以往的測(cè)量裝置，本實(shí)用新型是提出了 一種利用電容式位移傳感器測(cè)量切削力的裝置，避免了因電阻應(yīng)變片貼片位置不精確產(chǎn)生的誤差及維間干擾，提高了測(cè)量精度，實(shí)現(xiàn)了維間解耦；
[0015]2.本實(shí)用新型所述的三向切削力測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明:
[0017]圖1為車(chē)削加工過(guò)程中刀尖受力的軸測(cè)投影圖；
[0018]圖2為本實(shí)用新型所述的三向切削力測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)組成的軸測(cè)投影圖；
[0019]圖3為本實(shí)用新型所述的三向切削力測(cè)量裝置中所采用的八角環(huán)刀架結(jié)構(gòu)的軸測(cè)投影圖；
[0020]圖4為本實(shí)用新型所述的三向切削力測(cè)量裝置中所采用的八角環(huán)刀架結(jié)構(gòu)的俯視圖；
[0021]圖中:1.八角環(huán)刀架，2.車(chē)刀，3.Z軸位移傳感器，4.Y軸位移傳感器，5.X軸位移傳感器，6.前端,7.刀桿,8.固定端。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)的描述:
[0023]本實(shí)用新型針對(duì)目前切削力測(cè)量裝置在各個(gè)方向之間相互干擾和貼片位置不精確的問(wèn)題，提出了一種機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高的三向切削力測(cè)量裝置，利用三個(gè)非接觸的電容式位移傳感器即Z軸位移傳感器3、Y軸位移傳感器4與X軸位移傳感器5測(cè)量八角環(huán)刀架I在Ζ、Υ、Χ三個(gè)方向上的變形，進(jìn)而較精確計(jì)算三向切削力的大小。該三向切削力測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，同時(shí)該三向切削力測(cè)量裝置采用非接觸測(cè)量方式，很大程度上降低了三個(gè)方向上切削力之間的相互干擾，提高了三向切削力測(cè)量裝置的各向精度。
[0024]參閱圖2，本實(shí)用新型所述的一種三向切削力測(cè)量裝置包括有八角環(huán)刀架1、車(chē)刀
2、Z軸位移傳感器3、Y軸位移傳感器4、X軸位移傳感器5、刀桿7。
[0025]所述的八角環(huán)刀架I為一個(gè)多(12)棱柱式等橫截面的左右對(duì)稱(chēng)的空心殼體件。八角環(huán)刀架I的前半部分為前端6,八角環(huán)刀架I的后半部分為固定端8,前端6與固定端8連成一體，八角環(huán)刀架I的左、右兩端即前端6與固定端8的左、右端設(shè)置有左右對(duì)稱(chēng)的圓柱形通孔，兩圓柱形通孔之間由一個(gè)長(zhǎng)方體形通孔連通，兩圓柱形通孔的左右側(cè)壁(即左端圓柱形通孔的左側(cè)壁與右端圓柱形通孔的右側(cè)壁)上設(shè)置有和兩圓柱形通孔(即左端圓柱形通孔與右端圓柱形通孔)連通的兩矩形通孔(左端矩形通孔與右端矩形通孔)，前端6的前端面上設(shè)置有安裝刀桿7的矩形凹槽，矩形凹槽的左右對(duì)稱(chēng)面與八角環(huán)刀架I左右對(duì)稱(chēng)面共面，車(chē)刀2的刀尖位于矩形凹槽與八角環(huán)刀架I的左右對(duì)稱(chēng)面內(nèi)，固定端8的前端面上由上至下地設(shè)置有三個(gè)安裝Z軸位移傳感器3、Y軸位移傳感器4與X軸位移傳感器5的傳感器通孔即Z傳感器通孔、Y傳感器通孔與X傳感器通孔。Z傳感器通孔、Y傳感器通孔與X傳感器通孔的回轉(zhuǎn)軸線相互平行，并同處于八角環(huán)刀架I的左右對(duì)稱(chēng)面M內(nèi)，左右對(duì)稱(chēng)面M平行于YOZ坐標(biāo)面；Y傳感器通孔的回轉(zhuǎn)軸線處于八角環(huán)刀架I的中性層即中性面N內(nèi)，中性面N平行于XOY坐標(biāo)面。
[0026]所述的刀桿7的一端設(shè)置有用于安裝車(chē)刀的刀槽，桿7可以為單獨(dú)的零件，也可以與八角環(huán)刀架I做成一體。
[0027]所述的Z軸位移傳感器3、Υ軸位移傳感器4、Χ軸位移傳感器5均為非接觸的電容式傳感器，均采用型號(hào)為ZCS1100的傳感器，所述非接觸的電容式位移傳感器是指?jìng)鞲衅髋c被測(cè)量目標(biāo)為非接觸的，在本實(shí)用新型中具體指Z軸位移傳感器3、Y軸位移傳感器4、X軸位移傳感器5與刀架I的前端6為非接觸的，并通過(guò)測(cè)量前端6與后端8之間的位移變化來(lái)獲得測(cè)量數(shù)據(jù)。Z軸位移傳感器3、Y軸位移傳感器4、Χ軸位移傳感器5分別固定安裝于Z傳感器通孔、Y傳感器通孔與X傳感器通孔內(nèi)。X軸位移傳感器5用于測(cè)量進(jìn)給力Fx，Y軸位移傳感器4用于測(cè)量背向力Fy，Z軸位移傳感器3用于測(cè)量主切削力Fz，降低了三向力之間的相互干擾，實(shí)現(xiàn)維間解耦。
[0028]車(chē)刀2利用螺釘固定在刀桿7左端的上刀槽內(nèi)，刀桿7右端(尾端)固定在八角環(huán)刀架I左端的矩形凹槽內(nèi)，該矩形凹槽位于八角環(huán)刀架I的前端6的幾何中心，車(chē)刀2的刀尖位于八角環(huán)刀架I的左右對(duì)稱(chēng)面M內(nèi)，即車(chē)刀2的刀尖位于YOZ平面內(nèi)。Z軸位移傳感器
3、Y軸位移傳感器4、Χ軸位移傳感器5由上至下地依次固定安裝在八角環(huán)刀架I的Z傳感器通孔、Y傳感器通孔與X傳感器通孔內(nèi)，Z軸位移傳感器3、Y軸位移傳感器4與X軸位移傳感器5的回轉(zhuǎn)軸線相互平行，并同處于八角環(huán)刀架I的左右對(duì)稱(chēng)面M內(nèi)，對(duì)稱(chēng)面M為八角環(huán)刀架I幾何對(duì)稱(chēng)面即YOZ平面；Υ軸位移傳感器4的回轉(zhuǎn)軸線位于八角環(huán)刀架I的中性面N內(nèi)，中性面N平行于XOY面，且經(jīng)過(guò)八角環(huán)刀架I的中性層；Ζ軸位移傳感器3位于中性面N的上方，X軸位移傳感器5位于中性面N的下方。八角環(huán)刀架I的中性層，是指車(chē)刀2刀尖承受Z向力時(shí)，八角環(huán)刀架I上層材料受拉伸長(zhǎng)，下層材料受壓縮短，在伸長(zhǎng)層與縮短層之間存在的一個(gè)長(zhǎng)度保持不變的纖維層。
[0029]參閱圖1，當(dāng)進(jìn)行車(chē)削加工時(shí)，車(chē)刀2上所受的力可以分解成三個(gè)方向的分力，SP主切削力Fz,進(jìn)給力Fx及背向力Fy。
[0030]參閱圖2至圖4，在測(cè)量進(jìn)給力Fx時(shí)，主切削力Fz及背向力Fy不會(huì)對(duì)X軸位移傳感器5產(chǎn)生干擾，這是因?yàn)閄軸位移傳感器5是通過(guò)測(cè)量八角環(huán)刀架I的前端6與固定端8之間在X軸方向上的位移變化來(lái)測(cè)量進(jìn)給力Fx的大小的，根據(jù)八角環(huán)刀架I的受力變形規(guī)律，進(jìn)給力Fx只會(huì)使得八角環(huán)刀架I的前端6在X軸方向上產(chǎn)生位移變化，且主切削力Fz使得八角環(huán)刀架I產(chǎn)生彎曲變形，背向力Fy使得八角環(huán)刀架I的前端6向八角環(huán)刀架I的固定端8移動(dòng)，即主切削力Fz和背向力Fy均不會(huì)使八角環(huán)刀架I的前端6和固定端8在X軸方向上發(fā)生相對(duì)位移變化；在測(cè)量背向力Fy時(shí)，進(jìn)給力Fx不會(huì)對(duì)Y軸位移傳感器4產(chǎn)生干擾，Y軸位移傳感器4是通過(guò)測(cè)量八角環(huán)刀架I的前端6與固定端8之間沿Y軸方向上的位移變化來(lái)測(cè)量背向力Fy大小，由于Y軸位移傳感器4軸線在中性面N內(nèi)，主切削力Fz使得八角環(huán)刀架I的上層材料受拉伸長(zhǎng)，下層材料受壓縮短，Y軸位移傳感器4軸線位于伸長(zhǎng)層與縮短層之間的一個(gè)長(zhǎng)度保持不變的纖維層上，即主切削力Fz不會(huì)對(duì)Y軸位移傳感器4產(chǎn)生干擾；在測(cè)量主切削力Fz時(shí)，Z軸位移傳感器3是通過(guò)測(cè)量八角環(huán)刀架I的前端6與固定端8之間沿Y軸方向上的位移變化來(lái)測(cè)量主切削力Fz的，進(jìn)給力Fx使得八角環(huán)刀架I的前端6相對(duì)于固定端8在X軸方向上產(chǎn)生位移，因此不會(huì)對(duì)Z軸位移傳感器3產(chǎn)生干擾，而由于背向力Fy的作用會(huì)使得八角環(huán)刀架I的前端6與固定端8之間沿Y軸方向上的位移發(fā)生變化，即對(duì)Z軸位移傳感器3測(cè)量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾，設(shè)Z軸位移傳感器3所測(cè)量到的變形量為Λ = Δ Ζ-Κ Δ y，其中Λ Ζ、Λ y分別為主切削力Fz及背向力Fy作用于車(chē)刀2的刀尖部位使得八角環(huán)刀架I所產(chǎn)生的變形量，K為影響因子，所以消除背向力Fy對(duì)主切削力Fz產(chǎn)生的干擾后，得到主切削力Fz所引起的變形量Λ ζ= Δ +K Δ y。然后，將Z軸位移傳感器3、Y軸位移傳感器4與X軸位移傳感器5所采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換及計(jì)算機(jī)處理后，得到三向切削力的大小。
[0031]該測(cè)力裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，采用電容式位移傳感器，與傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片式結(jié)構(gòu)相比，該裝置的非線性度明顯降低。同時(shí)該測(cè)力裝置采用非接觸的測(cè)量方式，很大程度上降低了切削力在三個(gè)方向上的分力之間的相互干擾，提高了切削力測(cè)量裝置的各向精度。
[0032]三向切削力測(cè)量裝置的工作原理:
[0033]八角環(huán)刀架I的固定端8固定于車(chē)床的工作臺(tái)上，在進(jìn)行車(chē)削加工時(shí)，車(chē)削加工所產(chǎn)生的切削力作用于車(chē)刀2的刀尖部位，并通過(guò)刀桿7傳到八角環(huán)刀架I上，從而引起八角環(huán)刀架I發(fā)生變形,此時(shí),X軸位移傳感器5、Y軸位移傳感器4與Z軸位移傳感器3即可分別測(cè)量到八角環(huán)刀架I在X軸方向、Y軸方向變形量、Z軸方向及彎曲變形量，然后將三個(gè)傳感器所采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換及計(jì)算機(jī)處理后，得到Fx、Fy、Fz的大小，通過(guò)力的合成即可得到切削力的大小。
【權(quán)利要求】
1.一種三向切削力測(cè)量裝置，其特征在于，所述的三向切削力測(cè)量裝置包括八角環(huán)刀架(I)、車(chē)刀(2 )、Z軸位移傳感器(3 )、Y軸位移傳感器(4)、X軸位移傳感器(5 )與刀桿(7 ); 車(chē)刀(2 )利用螺釘固定在刀桿(7 )左端的刀槽內(nèi)，刀桿(7 )右端固定在八角環(huán)刀架(I)上的凹槽內(nèi)，Z軸位移傳感器(3)、Y軸位移傳感器(4)與X軸位移傳感器(5)由上至下地依次固定在八角環(huán)刀架(I)上的三個(gè)傳感器通孔內(nèi)。
2.按照權(quán)利要求1所述的三向切削力測(cè)量裝置，其特征在于，所述的八角環(huán)刀架(I)為一個(gè)多棱柱式等橫截面的左右對(duì)稱(chēng)的空心殼體件，八角環(huán)刀架(I)的前半部分為前端(6),八角環(huán)刀架(I)的后半部分為固定端(8),前端(6)與固定端(8)連成一體,八角環(huán)刀架(I)即前端(6)與固定端(8)的左右端設(shè)置有對(duì)稱(chēng)地圓柱形通孔，兩圓柱形通孔由一個(gè)長(zhǎng)方體形通孔連通，兩圓柱形通孔的左右側(cè)壁上設(shè)置有和兩圓柱形通孔連通的矩形通孔，前端(6)的前端面上設(shè)置有安裝刀桿(7)的矩形凹槽，固定端(8)的前端面上由上至下地設(shè)置有三個(gè)安裝Z軸位移傳感器(3)、Y軸位移傳感器(4)與X軸位移傳感器(5)的傳感器通孔即Z傳感器通孔、Y傳感器通孔與X傳感器通孔。
3.按照權(quán)利要求2所述的三向切削力測(cè)量裝置，其特征在于，所述的矩形凹槽位于八角環(huán)刀架(I)的前端(6)的幾何中心處。
4.按照權(quán)利要求2所述的三向切削力測(cè)量裝置，其特征在于，所述的Z傳感器通孔、Y傳感器通孔與X傳感器通孔的回轉(zhuǎn)軸線相互平行，并同處于八角環(huán)刀架(I)的左右對(duì)稱(chēng)面M上，Y傳感器通孔的回轉(zhuǎn)軸線處于八角環(huán)刀架(I)的中性層即中性面N內(nèi)。
5.按照權(quán)利要求1所述的三向切削力測(cè)量裝置，其特征在于，所述的Z軸位移傳感器(3)、Υ軸位移傳感器(4)與X軸位移傳感器(5)的回轉(zhuǎn)軸線相互平行，并同處于八角環(huán)刀架Cl)的左右對(duì)稱(chēng)面M內(nèi)，對(duì)稱(chēng)面M為八角環(huán)刀架(I)幾何對(duì)稱(chēng)面即YOZ平面；Υ軸位移傳感器(4)的回轉(zhuǎn)軸線位于八角環(huán)刀架(I)的中性面N內(nèi)，中性面N平行于XOY面，且經(jīng)過(guò)八角環(huán)刀架(I)的中性層。
6.按照權(quán)利要求1所述的三向切削力測(cè)量裝置，其特征在于，所述的Z軸位移傳感器(3)位于中性面N的上方，X軸位移傳感器(5)位于中性面N的下方。
7.按照權(quán)利要求1所述的三向切削力測(cè)量裝置，其特征在于，所述的車(chē)刀(2)的刀尖位于八角環(huán)刀架(I)的左右對(duì)稱(chēng)面M內(nèi)，即車(chē)刀(2)的刀尖位于YOZ平面內(nèi)。
【文檔編號(hào)】B23Q17/09GK203636509SQ201320704082
【公開(kāi)日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2013年11月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月10日
【發(fā)明者】呼燁, 徐明旭, 徐學(xué)正, 張富, 朱曉翠, 劉建春, 李賀 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)