[发明专利]一种压电式四维切削测力平台

说明书

技术领域

本发明一种压电式四维切削测力平台属于传感测控技术领域，特别涉及切削过程中三个方向正交力及扭矩的检测。

背景技术

切削加工是机械制造中最主要的加工方法，随着机床和刀具的不断发展，切削加工的精度、效率和自动化程度不断提高，应用范围也日益扩大，从而大大促进了现代机械制造业的发展。切削力和扭矩的测量不仅有利于研究切削机理、计算功率消耗、优化切削用量和刀具几何参数，更重要的是可以通过切削力的变化来监控切削过程，反映刀具磨损或破损、切削用量的合理性、机床故障、颤振等切削状态，以便及时控制切削过程，提高切削效率，降低零件废品率，同时对于优化刀具几何参数等，都具有非常重要的意义。

以往的压电式测力平台难以同时测量和检测切削过程中的扭矩和三个方向正交力。应用面单一，仅能用于一种或某几种相近形式的切削加工。而且对于扭矩的测量，其传感器多采用分割电极的形式，必须进行大量复杂的解耦运算，工艺相对复杂，扭矩测量精度不高。

发明内容

本发明要解决的技术难题是要克服现有传感器应用面窄、以及扭矩测量精度不高等性能方面存在的缺欠。针对各种切削加工的受力特点及多样性，结合石英晶体的压电效应，发明了一种压电式四维切削测力平台。该压电式四维切削测力平台以分布在同一圆周上呈菱形分布的四个传感器为核心，实现了对任一切削过程中的三个方向正交力及扭矩进行同时测量，具有灵敏度高，线性度、重复性好，横向干扰小，测量精度高的良好特性。此压电式四维切削测力平台对于测量钻、磨、铣、车、铇具有通用性，应用面宽。

本发明采用的技术方案是：一种压电式四维切削测力平台由底座1、中板2、上板3、引线输出插头4、引线5、隔热板6、大环形密封圈8、小环形密封圈9、四个压电石英传感器10、防护垫11以及连接螺钉组成。夹在底座1与中板2之间呈菱形分布的四个压电石英传感器10均布于同一水平面的同一圆周上，四个压电石英传感器10通过四个第二连接螺钉12与底座1和中板2刚性连接在一起；中板2与上板3通过四个连接螺钉7连接在一起；中板2与上板3之间为一隔热板6；底座1和中板2通过大环形密封圈8和小环形密封圈9进行密封，用防护垫11对测力平台底座上的第二连接螺钉12进行密封；测力平台中间通孔p为钻削中工件的钻孔空间；导线5由导线输出插头4引出。

底座1为一中间带圆孔的矩形阶梯式结构，底座1的上表面采用台阶式结构。上表面a外侧开有安装大环形密封圈8的方形密封槽b，上表面a内侧开有安装小环形密封圈9的圆形密封槽b′；上表面a中部开有一个圆环形槽c，四个压电石英传感器10均布于圆环形槽c底面；底座1下表面为平面，第二连接螺钉12分别通过均布于底座1下表面的四个第二阶梯孔e；底座1左固定端d上开有左上可调整安装孔f、左下可调整安装孔f′，底座1右固定端d′上开有右上可调整安装孔f″、右下可调整安装孔f″′，对整个测力平台进行固定；底座1前侧开有一第三螺纹孔g，安装引线输出插头4。

中板2为一中间带圆孔的方形阶梯式结构。中板2的上表面为方形平面。下表面h为一圆柱形凸台结构，其上均布四个第一阶梯孔i和四个第二螺纹孔j。第二连接螺钉12分别通过四个第二螺纹孔j，第一连接螺钉7分别通过四个第一阶梯孔i。

上板3为一中间带圆孔的方形平板式结构。上表面k为方形平面，其上均布八个固定被测加工工件的工件固定螺纹孔m；下表面l同样是方形平面，其上均布四个第一螺纹孔n，第一连接螺钉7分别通过四个第一螺纹孔n。

四个压电石英传感器10分别由1对xy型单元晶组和3对yx型单元晶组构成，单元晶组自上而下依次为测量法向分力F_Z的xy型单元晶组o，测量扭矩力(F_M、F_M′、F_M″、F_M″′)的yx型单元晶组o′，测量切向分力F_Y的yx型单元晶组o″，测量切向分力F_X的yx型单元晶组o″′。每对单元晶组将两片石英晶片对装，即在电路上为并联结构，信号通过夹在两片石英晶片间的电极片13引出，且引出信号为负电荷，每对单元晶组的上下两面均通过相互连接的导线和电极片14接地。