[发明专利]具有微小三向切削力测量系统的智能刀具

说明书

技术领域

本发明属于超精密切削加工及其切削力测量和实时监测领域，具体涉及为具有三向切削力测量系统的智能刀具。

背景技术

切削力作为加工过程中最稳定和最可靠的信息来源，其大小和动态变化反应了切削过程中刀具与工件的相互作用的状况和工件表面形成过程。大量研究结果表明，切削状态的每个微小变化都能通过切削力的变化反应出来，检测切削力是目前国内外研究与应用最多的监控加工过程方法之一。通过监测加工过程切削力的实时变化，经过时序分析或其相关的数据信号处理，就可以用来进行切削过程相关科学问题的研究，如切削机理研究、工艺参数分析、材料切削性能研究等；优化加工过程工艺参数，提高加工质量；进行新型刀具设计和刀具涂层开发以及刀具切削性能评价；进行切削过程实时监测、刀具磨损和破坏的评估和预警以及实现自适应加工。

目前，在超精密切削加工的机理分析、工艺参数分析、精密刀具设计和研发、切削过程实时监测、大表面质量一致性加工控制、恒力切削以及自适应加工等研究中，微小的切削力测量最可靠而实用的办法依然是利用现有测力仪进行测量，但是由于现有设备复杂，价格昂贵，系统设备体积较大，不利于安装，在使用时需要或多或少地要改变机床的原有部件，影响机床的整体特性，特别是对超精密数控机床刚度和精度产生的负面影响更大，并且在精密切削加工中，并受限于自身的动态特性和灵敏度大小，已经很难满足准确的测量精密加工中微小切削力的要求，制约了超精密加工领域的相关科学研究和切削过程的实时监测以及自适应智能加工发展和产业化。

发明内容

本发明的目的是提供具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，以解决在超精密加工过程中针对微小切削力的测量设备和仪器存在成本高，体积大，安装空间受限，工业化实用性不足以及无法满足超精密加工应用对测量精度和灵敏度的要求，制约了切削过程实时监测和自适应智能加工等问题。

本发明的智能刀具通过集成在智能刀具刀杆中的微小三向切削力测量系统，融合微小三向切削力测量系统和刀具于一体，实现精密切削过程中微小三向切削力的自主实时监测。微小三向切削力测量系统通过四组相同应变感知单元对在三向切削力作用下产生的相应应变或位移等物理量进行感知，获取相对应的感知信号，并通过对感知的信号进行标定解偶，实现微小三向切削力的准确求解。本发明可满足超精密加工过程切削过程实时监测、大表面质量一致性加工控制、恒力切削、自适应智能加工以及超精密切削机理分析、工艺参数分析、精密刀具设计和研究的需要。

实现上述目的，本发明的具体技术方案：

具有微小三向切削力测量系统的智能刀具，所述的智能刀具包括刀杆及切削刀片，所述的智能刀具还包括微小三向切削力测量系统、密封盖以及信号接口端；刀杆由刀头、刀杆主体以及连接刀头和刀杆主体的过渡段三部分组成；切削刀片固定装在刀头上，切削刀片的上表面与刀杆主体中心面重合设置，切削刀片的刀尖位于刀杆主体的中心线上；刀杆主体的前端设有感知测量段，感知测量段设有测力凹腔；微小三向切削力测量系统固接安装于感知测量段的测力凹腔中，微小三向切削力测量系统通过与感知测量段固接的密封盖密封于测力凹腔内；刀杆主体的后端沿轴向设有长孔，感知测量段设有与长孔连通的导线孔；信号接口端位于刀杆主体的长孔后端部。

所述的感知测量段由两个封装段和位于两个封装段之间的四棱柱结构段组成，从而形成刀杆周侧面上的测力凹腔，四棱柱结构段及两个封装段的中心线均与刀杆主体的中心线重合，两个封装段位于相同侧的外侧面与密封盖固接，四棱柱结构段的四个外侧面各设有一个与长孔连通的导线孔。

所述的微小三向切削力测量系统包括四个感知单元，两个封装段位于同一外侧面的中心处横跨配对固定一个感知单元，感知单元与四棱柱结构段间形成中空间隔腔。 

所述的感知单元为单个传感器或至少两个传感器组成的传感阵列。

所述的封装段的四个外侧面中心处分别加工有一个感知单元安装凹槽，每个感知单元匹配安装在两个封装段位于同一侧面的两个感知单元安装凹槽内。