[发明专利]压电石英刀杆式三向车削测力仪

说明书

本发明是属于测量金属与非金属切削时的切削力的仪器。

现有的压电式切削测力仪虽然动态性能较其它类型测力仪有很大提高，但是多数结构较复杂、体积较大、需要的压电式力传感器数量较多（例如瑞士Kistler公司9257A测力平台要用4个三向压电石英力传感器，9263A车削测力仪需要3个双向3个单向共6个压电石英力传感器），而且这种传感器工艺复杂、技术要求高、难于制作，成本很高，所以用该类传感器作成的测力仪成本也很高（如9257A测力系统86年售价为21590美元、当时折合人民币60450元）。由于多数测力仪质量较大，与实际刀具切削状态有较大差别，将引起动态测量误差。此外，虽有采用刀杆式结构的测力仪，但其刚度和固有频率较低（如EP-0203490（A））;还有的测力仪虽然结构简捷，但不能测量三向力（如JP-60-108255（A））。由于以上原因，目前的测力仪多在实验室中使用，难于应用在实际生产中。

本发明的目的在于研制一种体积小、重量轻、结构简捷、动态性能良好的压电式车削测力仪。整个测力仪如同一把普通外圆车刀，只由一个高刚度的弹性刀杆和一个三向压电石英力敏元件组成，使测力仪静态与动态性能都有很大提高，达到国际CIRP-TSCC（国际生产工程研究会-切削委员会）规定的“动态型切削测力仪”标准。此外，由于结构简单、省掉许多价格昂贵的压电力传感器，所以该测力仪成本也能大大降低。它适于在线精密测量动态与瞬态切削力，也能测量静态切削力。

本发明的具体实施步骤方法与工艺

本发明的基本构成是（1）测力仪体采用中间带有两个对称弹性半环和长槽的刀杆式结构。三向压电石英力敏元件通过弹性半环被夹紧在长槽内。当切削力作用在刀尖上时，便通过弹性半环和长槽两个平面作用在力敏元件上，再经力敏元件将力自动分解为F_x、F_y、F_z三个方向输出。测力仪体结构设计的关键是合理选择弹性半环的几何参数（外径R、内径r、厚度H），以保证足够的刚度、各向力传递的精确性以及较高的力-电转换效率。（2）用三向压电石英力敏元件代替了一般的压电石英力传感器，并将此力敏元件直接装入测力仪体内。力敏元件是根据石英正压电效应原理制成的，它是由6片不同切型石英晶片组成，其中测量F_x、F_z切削力的是分别用一对YO°切型的晶片，测量F_y切削力是用一对XO°切型晶片，6片叠加胶合后装入测力仪体长槽中，为使力敏元件获得约1500kgf的预紧力，长槽宽度相对于力敏元件厚度方向的过盈量一般取0.4～0.7mm。（3）力敏元件装入测力仪体后，要按各向间横向干扰最小原则（一般≤±5%），在长槽内对敏感元件的位置进行精确调试，直到横向干扰和线性达要求为止。

本发明的技术性能与应用效果：

经静态与动态标定后，该测力仪达到了CIRP-TSCC“动态型”切削测力仪标准。具体性能指标：量程各向为±200kgf，电荷灵敏度F_x，F_y，F_z各向分别为30，22，37pC/kgf，非线性各向均＜＜±1%（F·S），滞后与重复性均＜1%（F·S）各向横向干扰＜±5%（F·S），F_x，F_y，F_z各向固有频率分别为8KH_z、16KH_z、10KH_z，各向绝缘电阻＞10¹³Ω。

本测力仪可用来测量车削时的动态力、瞬态力和静态力，也可作为在线监测装置或自适应控制系统反馈元件。

附图说明：

附图-a在测力仪体〔1〕中借助于弹性半环把三向力敏元件〔12〕夹紧在长槽中，三向力敏元件〔12〕中F_x，F_y，F_z三个电极通过导线〔4〕引出体外，〔12〕用密封胶〔3〕、聚四氟乙烯塑料片〔10〕以及盖板〔5〕和〔9〕密封与保护，螺钉〔2〕是固定导线用的。测力仪前部是普通的机夹可转位刀头，螺钉〔6〕通过压板〔7〕将刀片〔8〕压紧在刀垫〔11〕和刀体〔1〕上。

附图-d不同切型的石英晶片〔14〕其间夹放电极〔15〕和〔16〕，〔15〕共点接地，〔16〕为引出F_x，F_y，F_z电极，〔14〕〔15〕〔16〕用导电胶粘结成一体。