[发明专利]一种基于传感器十字形不等距布置的压电钻削测力仪

说明书

本发明属于传感测控技术领域，提供了一种基于传感器十字形不等距布置的压电钻削测力仪，主要由工作台、压电传感器、长支撑板架、短支撑板架和底板组成。短支撑架采用前后对称、长支撑架采用左右对称结构，工作台为长方体，压电传感器采用四周竖直布置，通过预紧螺栓安装在工作台和支撑架之间。该测力仪利用传感器的全剪切效应代替传统的拉压效应测量钻削的轴向力，具有高灵敏度、高精度和高固有频率，适用于硬脆材料深小孔钻削力小量程轴向力、径向力和扭矩的动态测量。

技术领域

本发明属于传感测控技术领域，涉及一种钻削加工的压电测力装置。本装置对钻削过程中轴向力、径向力和扭矩精确测量，相比传统的测力仪，利用传感器的剪切效应提高了钻削轴向动态小力值的测量精度。

背景技术

钻削测力仪是现代自动切削加工技术实现状态监控、自适应控制和监测加工质量，提高孔加工精度的有效方法。对于硬脆材料的深小孔加工，切削力较小且变化复杂，刀具磨损严重，工件表面质量难以控制，为提高刀具寿命和工件表面质量，需要对切削过程刀具所受力进行测量，对加工过程及时监控，遇突发情况能及时退刀。对于钻削加工来说，扭矩和轴向力的大小直接影响钻孔效率，径向力的产生则会影响孔的加工质量。因此，在对钻削力进行研究时，应同时测量轴向力、径向力和扭矩，以便较全面地反映钻削过程中钻削力的分布情况。

目前国内的钻削测力仪的研究，从测量原理上分主要有应变式和压电式。应变式测力仪具有灵敏度高，精度高，具有良好的静态特性，但是钻削加工作用力的变化快，应变式测力仪动态特性差，不适合动态力的测量。

压电石英力传感器具有刚度高、线性好、温度稳定性好，所设计的压电测力仪在一定附加质量下具有较高的固有频率，适合钻削动态力的测量。

国内外之前所研究的测力仪，其压电传感器的布置方式有单点布置、两点布置和多点布置，传感器均布置在同一水平面内，它们所测量的轴向力与晶组平面垂直，轴向力的测量是通过压电传感器的拉压效应，相比压电石英传感器的剪切效应，灵敏度较低，不太适合小力值的测量。

本发明是一种基于传感器十字形不等距布置的压电钻削测力仪，轴向力、径向力测量量程分别为±40N、±10N，测量力矩为±2N·m传感器是采用四点竖直布置，轴向力和晶组方向平行，轴向力的测量采用是传感器的剪切效应，径向力的测量是传感器的拉压效应，提高了测力仪的灵敏度，适合动态小量程力的测量。

发明内容

本发明解决了钻削加工的小量程轴向力、径向力和扭矩的动态测量，相比传统的测力仪，利用传感器灵敏度较高的全剪切测量轴向力，提高了测量精度。传感器采用四周竖直布置，结构前后、左右对称，实现了四个传感器施加预紧力互不干扰，消除四个传感器灵敏度的差异性。

本发明的技术方案：

一种基于传感器十字形不等距布置的压电钻削测力仪，包括工作台1、压电传感器2、长支撑板架3、短支撑板架4、螺栓5和底板6；

所述的工作台1，为长方体结构；其侧面设有四个螺纹孔a，用于安装和定位四个传感器2；工作台1的上表面的四个角设有阶梯孔b，阶梯孔b在装配时起固定和定位作用；压电钻削测力仪加预紧力时，工作台1通过阶梯孔b固定在底板6上，工作台1的各边采用倒边角；工作台1上表面有16个螺纹孔c，用来安装标定块，便于钻削力的测量；

所述的压电传感器2，内部由三对晶组构成，压电传感器2通过螺栓5一端固定在工作台1，另一端对应固定长支撑板架3和短支撑板架4上；压电传感器2受力后将力信号转化为电信号，其外面的三个引线作为信号输出端，四个压电传感器2引线的指向是逆时针方向，且采用竖直布置；

所述的长支撑板架3，其顶面有均匀布置的四个阶梯孔d，其侧面设有一个阶梯孔f；在对压电钻削测力仪进行标定实验过程中，将长支撑板架3固定在底板6上，螺栓5通过阶梯孔f连接压电传感器2和工作台1；