一种宽频带切削力测量装置的制作方法

本发明涉及切削力测量技术领域，具体涉及一种宽频带切削力测量装置。

背景技术：

目前在国内外切削力传感器市场上使用最广的是压电式和应变式切削力传感器。压电式切削力传感器具有刚度大、灵敏度好、动态特性好的优点，尤其适合于测量高频切削力信号，但是由于压电材料存在电荷泄漏的缺陷，使传感器对于低频和偏静态切削力信号的测量精度受到影响，同时由于压电材料加工要求高、易受潮湿环境影响、封装成本高、需要配备高阻抗电荷放大器等原因，导致压电式切削力传感器存在体积大、成本高、不易维护等缺点。应变式切削力传感器具有结构灵活、稳定性好、可靠性高等优点，但是由于传感器灵敏度和刚度之间相互制约的原因导致应变式切削力传感器为获得一定的测量灵敏度而不得不牺牲传感器的一部分刚度，使传感器的固有频率无法获得较大提高，因此应变式切削力传感器的动态性能不如压电式切削力传感器好，对于高频切削力信号的测量精度不高。

在制造装备高度自动化和智能化的趋势下，高精度智能机床迫切需要通过切削力测量实现切削状态监测和加工过程控制，进而达到提高产品质量和加工效率的目的。在智能化加工过程中，同一个零件需要在同一台机床上完成多个步骤的切削加工，不同加工步骤所采用的切削转速、进给速度、切削深度等参数均存不相同，导致切削力的变化快慢也存在很大差异，因此切削力传感器对低频和高频切削力信号应该同时具有准确的测量能力，设计和研发简洁实用、性能优良并具有宽频带测量能力的切削力传感器具有重要的实用价值和应用前景。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种宽频带切削力测量装置，能够同时满足高精度数控机床切削加工过程中对低频段和高频段切削力信号的准确测量，具有可靠性高、实用性强的优点。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种宽频带切削力测量装置，包括刀柄6，刀柄6的前端从上向下依次装有刀片3、刀垫4，刀片3、刀垫4通过压板2及刀片紧固螺钉1固定在刀柄6上，刀垫4中嵌入有三轴振动加速度传感器5，刀柄6前端粘贴有由电阻应变片8连接组成的惠斯通测量电桥，三轴振动加速度传感器5、惠斯通测量电桥的输出端和切削力信号预处理与采集设备12的输入端连接，切削力信号预处理与采集设备12的输出端和上位机系统13的输入端连接。

所述的刀垫4内嵌入的三轴振动加速度传感器5和外界进行隔离封装，三轴振动加速度传感器5为基于mems技术或基于石英谐振原理的微型化高灵敏度加速度传感器，对加速度信号尤其高频信号具有准确的测量能力。

所述的刀垫4内设有安装三轴振动加速度传感器5的带台阶方形凹槽15和加速度传感器导线孔道16，三轴振动加速度传感器5上面涂覆一层硅胶17，在硅胶17的表面沉积一层金属铝18，通过金属盖板19将三轴振动加速度传感器5进一步密封在带台阶方形凹槽15内，并且金属盖板19与金属铝层之间预留空气间隙20。

所述的刀柄6内部加工有导线通孔10，导线通孔10的末端加工出内螺纹14，内螺纹14和蛇皮管11一端连接，蛇皮管11用于保护导线的信号传输不受外界干扰和破坏；三轴振动加速度传感器5、惠斯通测量电桥的信号均通过安装在导线通孔10内的导线进行传输。

所述的刀柄6前端的四个侧面设有带台阶的凹槽7，凹槽7内按照三维切削力测量需求粘贴有由12片电阻应变片8连接组成的惠斯通测量电桥，凹槽7的顶部连接有封装盖板9，电阻应变片8是半导体压阻式电阻应变片或金属电阻应变片。

所述的刀柄6前端在分别位于前面、后面、上面和下面的四个尺寸完全相同的凹槽7内一共粘贴有12片电阻应变片8并组成三组惠斯通测量电桥分别测量x、y和z方向的低频切削力分量，电阻应变片8采用m-bond610粘接剂粘贴在凹槽7内，电阻应变片8表面涂覆一层硅胶17作为保护层；电阻应变片8采用对称分布的规律，电阻应变片8的基片和栅丝朝向刀柄6的长度方向，同一组电阻应变片8根据刀柄6受力分析结果分布在刀柄6表面应力对称位置上，所有电阻应变片8的初始电阻值均为r，z方向测量电路中另外采用三个定值电阻，每个定值电阻的阻值均为4r。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、本发明能够同时满足对低频段和高频段切削力信号的准确测量，解决了传统应变式切削力传感器和压电式切削力传感器不能同时满足对低频和高频切削力信号准确测量的缺陷。

2、本发明的宽频带切削力测量装置结构简单、工作原理清晰、实用性强、可靠性高、加工方便、成本合理；本发明摒弃了以往应变式切削力传感器借助复杂的弹性变形元件进行切削力测量的方法，直接在刀杆表面靠近车刀头部的位置封装电阻应变片8，使测力装置具有足够的刚度，同时具有良好的灵敏度，克服了传统应变式切削力传感器灵敏度和刚度之间的矛盾。

3、本发明的宽频带切削力测量装置体积小、重量轻，无需对机床部件进行改动、与系机床系统具有良好的兼容性，在实际使用中具有良好的互换性和通用性。

4、本发明采用基于mems技术或石英谐振原理的三轴振动加速度传感器5进行高频切削力信号的测量，不仅避免了传统压电式切削力传感器需要配备价格昂贵的高性能阻抗放大器的缺点，而且具有良好的抗干扰能力，尤其是基于石英谐振原理的三轴振动加速度传感器直接输出数字信号，能够完全屏蔽外界电磁干扰。

5、本发明的宽频带切削力测量装置无需复杂的结构和电路设计就可以满足三维切削力分量解耦测量，各个切削力分量之间无相互干扰。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明三轴振动加速度传感器在刀垫中的封装结构示意图。

图3为本发明电阻应变片在刀柄表面凹槽内粘贴和测量电路组合示意图。

图4为本发明的工作原理示意图。

图5为本发明二阶单自由度振动系统模型示意图。

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详细说明：

参照图1，一种宽频带切削力测量装置，包括刀柄6，刀柄6的前端从上向下依次装有刀片3、刀垫4，刀片3、刀垫4通过压板2及刀片紧固螺钉1固定在刀柄6上，刀垫4中嵌入有三轴振动加速度传感器5，刀柄6前端粘贴有由电阻应变片8连接组成的惠斯通测量电桥，三轴振动加速度传感器5、惠斯通测量电桥的输出端和切削力信号预处理与采集设备12的输入端连接，切削力信号预处理与采集设备12的输出端和上位机系统13的输入端连接。

所述的刀垫4内嵌入的三轴振动加速度传感器5和外界进行隔离封装，使加速度传感器具有防腐、隔热、抗电磁干扰的能力；三轴振动加速度传感器5为基于mems技术或基于石英谐振原理的微型化高灵敏度加速度传感器，对加速度信号尤其高频加速度信号具有准确的测量能力。

参照图1和图2，所述的刀垫4内设有安装三轴振动加速度传感器5的带台阶方形凹槽15和加速度传感器导线孔道16，三轴振动加速度传感器5上面涂覆一层硅胶17用以隔绝外界水汽、粉尘，在硅胶的表面沉积一层金属铝18，作为隔绝外界电磁干扰的金属层，通过金属盖板19将三轴振动加速度传感器5进一步密封在带台阶方形凹槽15内，并且金属盖板19与金属铝层之间预留空气间隙20，起到阻隔热传导的效果。

所述的刀柄6内部加工有导线通孔10，导线通孔10的末端加工出内螺纹14，内螺纹14和蛇皮管11一端连接，蛇皮管11用于保护导线的信号传输不受外界干扰和破坏；三轴振动加速度传感器5、惠斯通测量电桥的信号均通过安装在导线通孔10内的导线进行传输。

所述的刀柄6前端的四个侧面设有带台阶的凹槽7，凹槽7内按照三维切削力测量需求粘贴有由12片电阻应变片8连接组成的惠斯通测量电桥，凹槽7的顶部连接有封装盖板9，电阻应变片8是半导体压阻式电阻应变片或金属电阻应变片。

参照图3，所述的刀柄6前端分别位于前面、后面、上面和下面的四个尺寸完全相同的凹槽7内一共粘贴有12片电阻应变片8并组成三组惠斯通测量电桥分别测量x、y和z方向的低频切削力分量，电阻应变片8采用m-bond610粘接剂粘贴在凹槽7内，电阻应变片8表面涂覆一层硅胶17作为保护层；电阻应变片8采用对称分布的规律，图中所示a、d、s分别为一个面上的3片电阻应变片8之间的定位尺寸，电阻应变片8的基片和栅丝朝向刀柄6的长度方向，同一组电阻应变片8根据刀柄6受力分析结果分布在刀柄6表面应力对称位置上，所有电阻应变片8的初始电阻值均为r，z方向测量电路中另外采用三个定值电阻，每个定值电阻的阻值均为4r。

所述的电阻应变片8采用电补偿法组合成三组惠斯通测量电桥，每一组测量电桥能够实现相应方向的三维切削力分量的单独测量，具体原理为：①当z方向切削力作用于车刀时，刀柄6发生压缩变形，根据材料力学基本原理可知在刀柄6表面将产生压应力，由于各个测量电桥中电阻应变片8处于应力对称位置，因此各个测量电桥中电阻值变化相同，z方向切削分力的测量电桥由于桥臂阻值变化不平衡而产生输出，而x和y方向切削分力的测量电桥仍然保持平衡，不会产生输出；②当y方向切削力作用于车刀时，刀柄6发生弯曲变形，根据材料力学原理可知y方向测量电路中电阻r10和r11受到拉应力影响电阻值增大δr，而电阻r7和r8受到压应力影响电阻值减小δr，导致y方向测量电桥产生输出，如公式(1)所示；而此时x方向测量电桥中电阻r1、r2、r4、r5由于对称分布的原因，r2和r4受到压应力影响电阻值减小δr，r1和r5受到拉应力影响电阻值增大δr，测量电桥不产生信号输出，如公式(2)所示；z方向测量电桥中电阻r9受压应力影响电阻值减小δr，电阻r12受拉应力影响电阻值增大δr，电阻r3和r6位于中性层上，电阻值不变化，因此桥臂总电阻值不发生变化，z方向测量电桥不会产生信号输出；③同理，可分析得到：当x方向切削力作用于车刀时，x方向测量电桥产生信号输出，而y和z方向测量电桥不会产生信号输出；因此上述三组惠斯通测量电桥能够实现三维切削力分量的单独测量而不会受到其他方向切削力的影响，满足三维切削力分量解耦测量的要求。

所述的信号预处理与采集设备12为第一级信号处理单元，负责对加速度传感器和惠斯通测量电桥的输出信号进行初步放大、滤波、a/d转换、信号采集。

所述的上位机系统13负责对采集到的加速度信号和惠斯通测量电桥信号进行存储、运算和显示。

本发明的工作原理为：在切削加工过程中，当切削力作用于刀片3时，位于刀垫4内部的三轴振动加速度传感器5测量由高频切削力引起的刀具悬伸部分的振动加速度并输出x、y和z三个方向的加速度信号；封装于刀杆前端带台阶的凹槽7内的电阻应变片8分别构成三组测量电桥用于测量x、y和z三个方向的低频切削力信号；所有加速度信号和低频切削力信号通过切削力信号预处理与采集设备12进行放大、滤波和采集，并传输到上位机系统13上进行处理、显示和存储；处理后各个方向的信号按照fi＝fi1+fi0进行几何相加得到最终的切削力信号，其中i分别表示x、y和z三个方向，fi为x、y和z方向的切削力，fi1为x、y和z方向的高频切削力，fi0为x、y和z方向的低频切削力。

参照图4，实际切削加工过程中，切削力信号是由不同频率成分的信号组成的，具体划分为低频成分和高频成分，本发明宽频带切削力测量装置中采用惠斯通测量电桥和三轴振动加速度传感器5分别实现对切削力信号中的低频和高频成分的测量。其中，切削力信号中的低频成分引起刀柄6发生弯曲或压缩变形，该变形被粘贴于刀柄6表面带台阶的凹槽7内的电阻应变片8感知并通过测量电桥转换为与低频切削力信号对应的电信号；切削力信号中的高频成分引起切削刀具悬伸部分产生受迫振动，以x方向切削力分量为例进行分析，将刀具悬伸部分在沿x方向的切削力高频成分作用下的运动模型简化为一个含有质量块m、弹簧k和阻尼c的二阶单自由度振动系统，如图5所示，根据牛顿第二定律，该系统的微分方程可以表示为：

公式(3)中：——测量装置悬伸部分沿x方向的加速度；——测量装置悬伸部分沿x方向的速度；x——测量装置悬伸部分沿x方向的位移；fx——x方向切削力分量。通过三轴振动加速度传感器5测量获得刀具悬伸部分的振动加速度，并通过积分进一步获得刀具悬伸部分的速度和位移，带入公式(3)即可获得切削力信号中的高频成分。

由于通过惠斯通测量电桥和三轴振动加速度传感器5测量得到的切削力信号低频和高频成分信号之间没有明确的成分界限，即电阻应变片电桥电路测量的低频成分与三轴振动加速度传感器5测量得到的高频成分之间可能存在相同频率成分的重复信号，因此不能简单将两部分测量得到的信号直接相加，在这之前需要对信号进行滤波处理以消除两部分信号中的重复部分。滤波在上位机系统13中进行，对惠斯通测量电桥的输出信号进行低通滤波，对加速度信号进行高通滤波，同一方向的切削力信号低通和高通滤波截止频率相同，不同方向的切削力信号滤波截止频率可以不同。以x方向切削力信号滤波处理为例，设置x方向惠斯通测量电桥信号低通滤波截止频率为fx，保留频率低于fx的信号；加速度信号高通滤波截止频率为fx，保留频率高于或等于fx的信号。设滤波处理后获得的低频切削力信号为fx0，加速度信号为根据公式(3)计算获得高频切削力信号为fx1，则x方向的切削力信号为fx＝fx0+fx1。y和z方向的切削力信号也采取上述处理方法，不再赘述。

上位机系统13将处理后的x、y和z方向的切削力信号在软件界面实时显示，对于上述提及的各个方向的所有处理前和处理后的信号在上位机系统13内进行存储，以备查询、调用和其他研究用途。