[发明专利]一种基于压电陶瓷传感器的超精密切削准静态力检测方法

说明书

本发明涉及超精密切削技术领域，特指一种基于压电陶瓷传感器的超精密切削准静态力检测方法，包括压电陶瓷力感知单元，其受到所述单点金刚石刀具的作用力并产生电荷信号至外部的后处理模块，后处理模块包括：前置电荷放大电路，低通滤波电路，ADC模块，DSP信号处理器和计算机；计算机，基于每一时刻动态变化力f_i的求解，通过对前i时刻动态变化力的累加，得到第i时刻作用在压电陶瓷力传感器上的实际作用力F_i；本发明从压电陶瓷电荷泄漏效应原理出发，基于对压电陶瓷力传感器电荷泄漏的动态补偿，来实现基于压电陶瓷力传感器的准静态力检测功能。

技术领域

本发明涉及超精密切削技术领域，特指一种基于压电陶瓷传感器的超精密切削准静态力检测系统。

背景技术

超精密切削技术，采用纳米机定位精度的超精密车床和刃口锋利、硬度高、耐磨性好的金刚石作为刀具，通过精确控制刀具与工件之间相对运动轨迹来形成几何表面，获得纳米级表面粗糙度和亚微米级形状精度微纳结构表面。该技术是制造具有微纳米精细结构或高精度形貌的光学元件的重要手段，广泛应用在航空航天、国防军工、信息通讯、生命科学和材料科学等领域，是超精密加工领域中的重要分支。

针对工件的加工尺寸极端化、加工面形复杂化、加工结构精细化的发展趋势，以及跨尺度微纳结构表面(微纳米精细结构在大尺寸范围内根据一定几何规律大规模分布而形成的一类具有特定功能的表面)的市场前景，需要对跨尺度加工的超长时、高动态过程进行有效的在线检测。

切削力可以反映加工状态的有效信息，因此，常通过实时检测切削力的变化来在线检测超精密切削加工状态。

(1)传统的超精密切削力检测方法，主要是通过商用的测力计来实现的，而现有的商用测力计，存在结构灵巧性差问题，难以集成在超精密切削装置上进行高动态、高灵敏的切削力检测。

(2)压电陶瓷基于正压电效应可用作力传感器，且具有结构灵巧、灵敏度高等优点，常被集成在超精密切削刀具/工件端来检测加工过程中的切削力。然而压电陶瓷具有严重的电荷泄漏问题，常用来检测交变的动态力过程(力交变过程会对压电陶瓷不断充电来弥补电荷泄漏的问题)，而难以用来检测静态力或准静态力。而切削加工过程是一个集动态、准静态于一体的过程，只能用来检测动态力而无法检测准静态力的压电陶瓷力传感器，故难以满足完整的超精密切削状态检测需求。

如图1(a)所示，当对压电陶瓷力传感器加载准静态力时，压电陶瓷产生微弱极化电荷，经电荷放大器放大，输出为脉冲电压，而由于电荷放大器中反馈电阻、反馈电容组成的回路的放电效果，导致该脉冲电压无法保持而会迅速衰减；反之，当卸载准静态力，压电陶瓷产生反向微弱极化电荷，经电荷放大器放大，输出为反向脉冲电压，而由于电荷放大器中反馈电阻、反馈电容组成的回路的放电效果，导致该脉冲电压无法保持而会迅速衰减。而理想的准静态力加载、卸载的输出结果如图1(b)所示，当加载准静态力时，输出电压会发生变化并保持，直到该准静态力卸载为止。因此，压电陶瓷力传感器囿于电荷泄漏问题，难以对准静态力进行长时、稳定的检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于电荷泄漏动态补偿的方法，实现基于压电陶瓷传感器的超精密切削准静态力检测系统。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于压电陶瓷传感器的超精密切削准静态力检测系统，包括

压电陶瓷力感知单元，其设置在超精密切削系统的加工端，并用于装载单点金刚石刀具；

所述压电陶瓷力感知单元受到所述单点金刚石刀具的作用力并产生电荷信号至外部的后处理模块，所述后处理模块包括：

前置电荷放大电路，用于放大压电陶瓷力感知单元检测到的信号；

低通滤波电路，用于对前置电荷放大电路的输出信号进行过滤；