拉刀力实时测量装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明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及方法。
【背景技术】
[0002]目前，根据国际和国内标准，在具有自动换刀功能的金属切肩机床上，切肩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。
[0003]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。
[0004]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。
【发明内容】
[0005]鉴于现有技术中存在的问题，本发明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。
[0006]在本发明的一些实施方式中，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。
[0007]本发明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。
[0008]在本发明的一些实施方式中，所述切肩机床具有主轴，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。
[0009]在本发明的实施方式中，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。
[0010]在本发明的一些实施方式中，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。
[0011]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。
[0012]在本发明的一些实施方式中，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。
[0013]在本发明的一些实施方式中，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，使得本发明的结构更为紧凑，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。
[0014]在本发明的一些实施方式中，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。
[0015]本发明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:
[0016]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；
[0017]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
[0018]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。
[0019]在本发明的一些实施方式中，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。
[0020]在本发明的一些实施方式中，所述切肩机床具有主轴，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:
[0021]将所述压电装置与所述定位元件固定连接；
[0022]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。
[0023]本发明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宄中，为更好的提升机床性能提供数据基础。
【附图说明】
[0024]图1为本发明一实施方式的拉刀力实时测量装置的结构示意图；
[0025]图2为发明一实施方式的拉刀力实时测量装置的安装示意图；
[0026]图3为本发明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；
[0027]图4为发明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；
[0028]图5为发明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】
[0029]如图1所示，本发明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。
[0030]刀具适配器2套装于约束加力杆I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I的端部具有凸台101。约束加力杆I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I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