一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于超精密切削、切削力测量和光学零件切削加工等技术领域，设及一种 快速刀具伺服车削的=向切削力测量方法及装置。
【背景技术】
[0002] 复杂光学自由曲面的制造是精密制造的重要研究内容，例如非回转对称光学自由 曲面的制造。非回转对称光学自由曲面是一种没有任何对称轴的光学自由曲面，具有该曲 面的光学元件广泛应用在民用和军事领域中，极大地改善了光学系统的性能。加工具有非 回转对称光学自由曲面的零件的一项关键的技术是快速刀具伺服，该项技术是在车床溜板 上安装具备快速高频响应能力的刀具微进给伺服机构，具有精度高，效率高，成本低等优 点。快速刀具伺服除了可W实现非回转对称光学自由曲面的高效、精密加工之外，还可W实 现误差补偿，加工微阵列光学元件等。
[0003] 快速刀具伺服技术可用于实现刀具相对于工件的快速往复进给，消除机床重复性 误差。研究快速刀具伺服加工的切削力具有重要的意义:第一，快速刀具伺服加工的切削力 可W有效反映快速刀具伺服机构的加工过程，有助于监测刀具磨损情况;第二，切削力的大 小和方向对于快速高频进给加工质量有着至关重要的影响，准确测量切削力有助于掲示快 速刀具伺服的切削加工机理；第=，有助于预测已加工表面的表面质量，评估材料的切削 性;第四，为快速刀具伺服基于切削力的主动控制打下基础。因此在快速刀具伺服中集成切 削力测量系统是十分必要的，而现有的具有切削力测量功能的快速刀具伺服机构只能测量 单向切削力，且W测量Z向切削力为主，目前主要有两种技术方案:一种将压力传感器置于 快速刀具伺服机构的近刀具端，另一种将压力传感器置于快速刀具伺服机构的驱动器的后 方。其中，后一种方案所测出的切削力含有的驱动力成分较大，导致切削力测量的准确性较 前一种方案的低。运两种布局方案均无法将=向切削力全部测出，而且在切削力测量方向 会受到压电叠堆驱动力的干扰，导致压力传感器的测量值中含有压电叠堆的驱动力成分， 所W无法准确地测出全部的快速刀具伺服加工的切削力。而目前用于测量普通车削切削力 的=向测力仪存在体积较大，响应频率较低等问题，同时在设计时也没有考虑在弹性基础 上测量切削力的问题，所W用于测量普通车削切削力的S向测力仪不适用于快速刀具伺服 车削切削力的嵌入式精密测量。
[0004] 综上所述，为了克服运些不足之处，提高快速刀具伺服切削力测量的准确性和全 面性，本发明提出了一种快速刀具伺服车削的=向切削力测量方法，并设计了一种具有= 向切削力测量功能的快速刀具伺服机构，其主要构成包括:基体、压电叠堆、电容位移传感 器、=个压力传感器、T形杠杆式刀架、金刚石车刀等，其中压电叠堆的驱动方向沿Z向，=个 压力传感器的测量方向均为Y向，压电叠堆的驱动方向和压力传感器的测量方向垂直，所 W，压电叠堆的驱动力不会干扰=个压力传感器的切削力的测量。并将其切削力测量系统 做了参数优化设计，通过对切削力测量系统做动力学分析，可得出了 XYZS向切削力真值与 对应的实测值的关系式，将所测的实测值代入关系式中，即求得出=向切削力真值。实现本 发明的方法及装置具有切削力测量全面、准确性较高、避免压电叠堆驱动力对切削力测量 的干扰等优点。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种快速刀具伺服车削的=向切削力测量方法及装置，W解决目前具 有切削力测量功能的快速刀具伺服装置的不能同时测量=向切削力、所测量的切削力测量 值含有驱动力成分等问题。
[0006] 本发明采取的技术方案是：
[0007] -种快速刀具伺服车削的S向切削力测量方法，包括下列步骤：
[0008] (1)将=个完全相同的压力传感器沿Y向立着安装在快速刀具伺服机构的微动平 台上，其中压力传感器一和压力传感器二安装在前端，压力传感器=安装在微动平台的内 部，=个压力传感器成等腰=角形分布，压力传感器一和压力传感器二位于该等腰=角形 的底边上，压力传感器=位于顶点；
[0009] (2)用T形杠杆式刀架压紧运=个压力传感器，金刚石车刀安装在杠杆式刀架上， 并与杠杆式刀架紧密结合在一起，=个压力传感器、T形杠杆式刀架、金刚石车刀和微动平 台共同组成快速刀具伺服机构的切削力测量系统；
[0010] (3)将具有切削力测量系统的快速刀具伺服装置安装在车床的溜板上，车床主轴 带动工件作旋转运动，快速刀具伺服装置驱动金刚石车刀对工件进行往复切削，从而在金 刚石车刀上产生切削力Fe,其分力为Z向切削力真值Fcz、Y向切削力真值Fcy、X向切削力真值 Fcx ；
[0011] (4)金刚石车刀和T形杠杆式刀架的整体将在分力Fez的作用下绕Tez点振动，经过 动力学分析，可求得Z向切削力测量值与Z向切削力真值Fcz的关系，其中Z向切削力测量值由 压力传感器=给出；
[0012] (5)金刚石车刀和T形杠杆式刀架的整体将在分力Fey的作用下绕Tey点振动，经过 动力学分析，可求得Y向切削力测量值与Y向切削力真值Fcy的关系，其中Y向切削力测量值由 压力传感器一和压力传感器二给出；
[0013] (6)金刚石车刀和T形杠杆式刀架的整体将在分力Fex的作用下绕Tex点振动，经过 动力学分析，采用差动算法，可求得X向切削力测量值与X向切削力真值Fcx的关系，其中X向 切削力测量值由压力传感器一和压力传感器二给出。
[0014] 本发明所述步骤(4)中动力学分析具体如下：
[001引设Fcz为Z向切削力真值，Fcy为Y向切削力真值，Fs3为压力传感器立的测量值，Fp为Z 向压电叠堆的驱动力，Mi为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在Fcz的作用下的运动质量， Ms为压力传感器的运动质量，Zsz(t)是压力传感器；在抗3作用下的压缩量，Cl是金刚石车刀 紧定螺钉的螺栓连接阻尼，Cs是压力传感器的阻尼，Fpre和F'pre是金刚石车刀紧定螺钉的预 紧力，ki为金刚石车刀紧定螺钉的螺栓连接刚度Ab为柔性转台的扭转刚度，ks为压力传感 器的刚度，Tez点为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在Fez的作用下的扭转点，位于单向 直圆型柔性较链一、单向直圆型柔性较链=和单向直圆型柔性较链四的扭转处，Tw点为金 刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在Fcy的作用下的扭转点，位于双向直圆型柔性较链的扭 转处，Oz点为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在Fez的作用下的运动部分的质屯、，La为Oz 点到Tcy点的Z向距罔，Lb为Oz点到Tcz点的Z向距罔，Lc为金刚石车刀的刀尖到Tcy点或Tcz点的Y 向距离，当切削力测量系统受到Z向切削力真值的作用时，金刚石车刀与T形杠杆式刀架的 整体会绕Tcz点摆动，因为金刚石车刀紧定螺钉距离Tcy点和Tcz点的距离相等，所W压力传感 器S所受的预紧力为l/2FVe，则测量Z向切削力所需的动力学方程为：
…
[0017] 其中:M'z为阻尼力扭矩，M"z为惯性力扭矩，
(Ia)
[0020] 压力传感器S的测量值Fs3为：
[0021] Fs3 = ksZsz(t) (2)
[0022] 由于压电驱动的微动平台是欠阻尼的，所WCi和Cs可W忽略，贝化CZ与压力传感器 S的测量值Fs3的关系为：
(3)
[0024]其中F" Z为惯性力：
(扣）。
[0026] 本发明所述步骤(5)中动力学分析具体如下：
[0027] 当切削力测量系统受到Y向切削力真值的作用时，金刚石车刀、T形刀座及Y向运动 块组成的整体会在Y向直板型柔性较链的引导下绕Tcy点摆动，设Fcy为Y向切削力真值，Fsy为 压力传感器一或压力传感器二对应于Y向切削力的测量值，Fsl为压力传感器一的总测量值， Fs2为压力传感器二的总测量值，M2为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在Fcy的作用下的 运动质量，Ms为压力传感器一或二的运动质量，Oy为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在 Fcy的作用下的运动部分的质屯、，Ld为Oy点到Tcy点的Z向距离，Le为Oy点到Tcz点的Z向距离，k2 是Y向直板型柔性较链的刚度，C2是Y向直板型柔性较链的阻尼，Oy距压力传感器一中屯、线的 Z向距离与距压力传感器二中屯、线的Z向距离相等，均为Lf,且整个切削力测量系统是对称 的，所W压力传感器一与压力传感器二的压缩量在Fcy的作用下相同，均为Zsy(t);
[0028] 测量Y向切削力需要的动力学方程为：
[0030]其中:M'y为阻尼力扭矩，M"y为惯性力扭矩， (4)
[0033]压力传感器一或压力传感器二的测量值Fsv为：
(5)
[00对同理，忽略阻尼力成分，将Fcy用Fsy表示为：
[0037]其中的惯性力F"y为：
[0039] 本发明所述步骤(6)中动力学分析具体如下：
[0040] X向的切削力真值采用差动算法来测得，设Fcx为X向切削力真值，且方向向左，则压 力传感器二受拉，压力传感器一受压，且变形量相同，Fsx为压力传感器一或压力传感器二对 应于X向切削力的测量值，M3为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在Fcx的作用下的运动质 量，Tcx为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在Fcx的作用下的扭转点，位于单向直圆型柔 性较链二的扭转处，O