[发明专利]一种数控车削加工动态切削力的测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种数控车削加工动态切削力的测量装置及方法。该装置包括刀杆、固定刀座、刀片、防滑垫、数据处理模块、力传感器、激振杆、限位弹簧、弹簧底座和数据总线；刀杆内部设置有数据处理模块、力传感器、激振杆、限位弹簧和弹簧底座；所述力传感器包括力敏元件、转换元件和PCB电路板；PCB电路板上集成有滤波器、放大器和电源供电模块。刀杆内部设置的激振杆和刀片通过联动销孔和联动插销连接在一起，在切削过程中，将刀片所受力实时传递至激振杆上，激振杆可以实时获取切削过程中刀片的真实受力情况。力传感器集成内嵌于刀杆内部，位于激振杆的四周，可以有效地防止外力对力传感器产生影响，同时也可以精确地对激振杆进行数据测量。

技术领域

本发明属于动态切削力测试领域，具体是一种数控车削加工动态切削力的测量装置及方法。

背景技术

切削力是合理设计和使用机床、刀具、夹具的重要依据。数控车削加工过程中受到的动态切削力直接影响刀具磨破损、耐用度、切削热、加工零件的表面质量和切削振动等，甚至会影响数控车削加工工艺系统的切削稳定性。在实际加工过程中，为优化加工工艺参数、在线监测刀具磨破损及机床振动，需要实时测量动态切削力。切削力的经验计算公式为：

式1)中，F_c为主切削力；C_Fc为系数；a_P为背吃刀量；f为进给量；v_c为切削速度；X_Fc、y_Fc、n_Fc为指数；K_Fc为修正系数，这五个参数均可以通过查表来获得。

对于切削力的测量方法主要有直接测量法和间接测量法。

直接测量法主要是利用测力仪进行测量，测量原理为利用某些非金属材料(例如石英晶体、压电陶瓷等)的压电效应来进行测量，这些非金属材料受力时其表面将产生电荷，再利用电荷放大器将电荷转换成相应的电压参数输出即可实现切削力的测量。这种测量方式的优点是测量的灵敏度高，测量的精度较高，使用可靠性好。但是测力仪的价格都比较昂贵，而且测力仪和加工工件的安装、调试技术复杂，一般需要附加连接机构，进而会影响机床本身的结构。这种方法普遍适用于测量动态切削力和瞬时切削力。

间接测量法则是利用电功率法来进行测量，通过查阅功率表，然后利用公式P_c＝P_e*η_c和公式来计算切削力F_c，式中P_c为机床电动机功率；P_e为总切削功率；η_c为机床传递效率，一般为0.75～0.85。这种方法的优点是测量方便、快捷，但是不够精确，受到的干扰因素也比较多，只能粗略估算切削力的大小。

申请号为201510601021.3的文献公开了一种数控车床车刀加工切削力检测装置，该装置包括信号检测装置、中心控制系统、驱动执行装置、信号线、检测传感器、限位开关和控制驱动单元。其中，信号检测装置通过信号线与中心控制系统连接，驱动执行装置通过信号线与中心控制系统连接，信号检测装置的信号经中心控制系统处理后，发送控制信号给驱动执行装置。该装置的实时性较差，由于机床加工过程中切削力会出现波动，测量结果易出现较大的误差。

申请号为201310552292.5的文献公开了一种三向切削力测量装置，该装置包括八角环刀架、车刀、XYZ轴位移传感器和刀杆。其中，车刀利用螺钉固定在刀杆左端的刀槽内，刀杆右端固定在八角环刀架的矩形凹槽内，Z、Y、X轴位移传感器由上至下依次固定在八角环刀架的通孔内。该装置安装以及调试技术比较复杂，并且易受机床其他因素影响。

申请号为201811211237.9的文献公开了一种嵌入薄膜传感器的一体式车削力测量刀具系统，虽然能解决车削力测量技术测量精度低等问题，但是由于主要测量结构薄膜传感器等嵌入在刀杆外侧，容易受外力影响导致测量数据出现误差。