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1 引 言
切削力是伴隨加工過(guò)程中所出現(xiàn)的現(xiàn)象之一.由于它蘊(yùn)涵著豐富的實(shí)時(shí)加工狀態(tài)信息,已作為傳感信號(hào)不同程度地應(yīng)用于各種加工過(guò)程在線檢測(cè)與實(shí)時(shí)控制中,據(jù)此辨識(shí)加工狀態(tài),是目前自動(dòng)化加工領(lǐng)域中一個(gè)的重要的努力方向。但難予直接利用,因而開(kāi)發(fā)適用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)而不影響原有加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的通用測(cè)力傳感器,已成為該項(xiàng)研究的一個(gè)關(guān)鍵。
作者研制出的微型通用測(cè)力傳感器,可同時(shí)測(cè)量車(chē)削中雙向切削分力,經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的信號(hào)建模處理后,達(dá)到了預(yù)定識(shí)別刀具狀態(tài)的要求。
2、測(cè)量原理
在各種傳感器中,我們選用應(yīng)變測(cè)力傳感方式,取其能綜合獲得較高的靜態(tài)測(cè)量精度和一定頻寬的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍,也有較好的剛性和靈敏度,信號(hào)傳輸無(wú)特殊要求,成本低。
加工中的切削力作用在刀尖上,使粘貼在刀桿上、構(gòu)成全橋電路的四個(gè)電阻應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)變形£t,導(dǎo)致各電阻應(yīng)變片阻值的變化Ri→Ri+△Ri,使電橋輸出電壓信號(hào)
當(dāng)各橋臂應(yīng)變片靈敏度k相同時(shí),則
(1)
上述信號(hào)再經(jīng)相應(yīng)電路技術(shù)處理后,獲得正比于切削力的輸出信號(hào)Vi.
3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本傳感器的設(shè)計(jì)是按照國(guó)際生產(chǎn)工程協(xié)會(huì)CIRP提出的對(duì)一般車(chē)削測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)要求[2]設(shè)計(jì)的,也即:①測(cè)力傳感器輸出與切削力成正比的信號(hào),有足夠高的精度(誤差<1%~5 %),向間干擾?。s<2%),②測(cè)力傳感器各測(cè)試方向都有足夠的靈敏度和足夠高的剛度(約>108 N/m數(shù)量級(jí));③測(cè)力傳感器有足夠高的固有頻率(≥2.5kHz),④制造工藝不過(guò)分復(fù)雜和困難,且安裝方便,具有通用性.
為不改動(dòng)數(shù)控機(jī)床現(xiàn)有結(jié)構(gòu),并能最大程度地保證測(cè)力傳感器良好工作狀態(tài),我們采用了,在通用刀桿上以不明顯降低剛度且又滿足正常切削要求的前提下,挖一小坑,將微應(yīng)變片按特定方向貼于其內(nèi)表面上來(lái)感受雙向切削分力引起的剪應(yīng)變,提取力的信號(hào),再以環(huán)氧樹(shù)脂密填坑穴,防水、防潮,由此設(shè)計(jì)制作了一種微型內(nèi)藏式測(cè)力傳感器.
4感應(yīng)分析與計(jì)算
作用在刀尖位置處的切削力可按空間直角座標(biāo)分解為三個(gè)方向的分力,即豎直分力Fz、橫向水平分力Fx和縱向水平分力Fy,如圖2所示,刀桿在Fz、Fx和Fy,的作用下產(chǎn)生組合受力變形.將Fz、Fx和Fy平移到開(kāi)口槽形截面彎曲中心O處,附加X(jué)Y和ZY平面內(nèi)的兩個(gè)彎矩Mz、Mx和一個(gè)軸向扭矩My.則平移后的Fz、Fx引起槽形截面的純剪切變形,Fy引起Y軸向壓縮變形,Mz、Mx引起XY和ZY平面內(nèi)的純彎曲變形,My引起沿Y軸純扭轉(zhuǎn)變形(這里在微小變形下;略去了翹曲影響).
為了測(cè)量雙向切削分力Fz、Fx,首先考察槽形截面上由平移后的Fz和Fx及My
(圖3(a))聯(lián)合作用下產(chǎn)生的剪切應(yīng)力分布,得到如圖3(b),(c),(d)所示的剪應(yīng)力分布
圖,其中:
(1)對(duì)應(yīng)Fz。此時(shí)腹板(CD)上的剪應(yīng)力呈Z軸對(duì)稱(chēng)直線分布,且應(yīng)力方向相反,在腹板上對(duì)稱(chēng)中心(x=O)處的剪應(yīng)力r=O。此時(shí)兩冀板(AC和BD)上的剪應(yīng)力呈Z軸對(duì)稱(chēng)拋物線分自i且應(yīng)力力‘向相同,其中,在一Y軸位置(z一o)處,剪應(yīng)力為最大值
式中:G——材料的剪切彈性模量。
即:切削分力Fz正比于剪應(yīng)變y1。
(2)對(duì)應(yīng)Fx此時(shí)兩翼板上的剪應(yīng)力呈Z軸對(duì)稱(chēng)直線分布,且應(yīng)力方向相反.此時(shí)腹板上的剪應(yīng)力為拋物線分布,且相對(duì)于Z軸是對(duì)稱(chēng)的.其中,在腹板對(duì)稱(chēng)中心(x=O)處,剪應(yīng)力為最大值
即:切削分力Fx正比于剪應(yīng)變y2。
(3)對(duì)應(yīng)My.此時(shí)槽形截面上剪應(yīng)力相對(duì)于壁厚中線曼方向?qū)ΨQ(chēng)線性分布,最大剪應(yīng) 力發(fā)生在內(nèi)、外表面上
綜合上面槽形截面在剪切和扭轉(zhuǎn)作用下的剪應(yīng)力分布規(guī)律,根據(jù)它們的正負(fù)特性,利用電阻應(yīng)變片組成的全橋電路的加強(qiáng)或抵消作用進(jìn)行疊加,使得兩翼板內(nèi)表面與X軸的兩個(gè)交點(diǎn)處所測(cè)量的剪應(yīng)力不反映Fx和My,而只反映豎直切削分力Fz,并呈正比例關(guān)系,即由式
(2)所表達(dá),腹板內(nèi)、外表面與z軸的兩個(gè)交點(diǎn)處所測(cè)量的剪應(yīng)力不反映Fz和My,而只反映縱向水平切削分力Fx,且呈正比例關(guān)系,即由式(3)所表達(dá),同時(shí),一由于這幾個(gè)位置上感知的有用剪應(yīng)力也處于最大值,所以,選擇這些部位測(cè)量的靈敏度也最高.
事實(shí)上,刀桿在組合受力狀態(tài)下,槽形截面上既有剪應(yīng)力,也存在正應(yīng)力.因此,還必須通過(guò)對(duì)微應(yīng)變片的恰當(dāng)布置,使截面上的正應(yīng)力不從電橋輸出端反映出來(lái),電橋上只輸出Fz和Fx作用下所產(chǎn)生的剪應(yīng)變引起的電壓變化.另一方面,由于剪應(yīng)是角應(yīng)變,不能用應(yīng)變片直接測(cè)出,而是借助于測(cè)點(diǎn)處與構(gòu)件軸線成45°和135 °布片來(lái)間接獲得[3],即剪應(yīng)變γ=ε45-ε135據(jù)此:
(1)對(duì)應(yīng)測(cè)量Fz:在,刃桿槽形截面兩翼板內(nèi)表面與X軸的兩個(gè)交點(diǎn)處分別按45°和135 °布置相同的電阻應(yīng)變片,構(gòu)成全橋電路的四個(gè)臂,結(jié)合(1)式和(2)式,根據(jù)對(duì)稱(chēng)性,則兩處Fz作用的下剪應(yīng)力
故此時(shí)使電橋上產(chǎn)生的電壓輸出信號(hào)只正比于Fz.
(2)對(duì)應(yīng)測(cè)量Fx,在刀桿槽形截面腹板內(nèi),外表面與Z軸的兩個(gè)交點(diǎn)也處分別按45°和135°布置四個(gè)相同的電阻應(yīng)變片組成全橋電路.由于此時(shí)兩處Fz作用下的剪應(yīng)力為零,My作用下產(chǎn)生的剪應(yīng)力為
故此時(shí)使電橋上產(chǎn)生的電壓輸出信號(hào)正比于Fx.
最后,由于溫度的影響,使測(cè)點(diǎn)處ε45和ε135產(chǎn)生相等的變化,根據(jù)剪應(yīng)變γ=ε45-ε145,故測(cè)量結(jié)果受溫度因素的影響也最?。?/span>
5 性能測(cè)定與結(jié)論
圖4(a)、(b)為對(duì)所設(shè)汁的測(cè)力傳感器進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)標(biāo)定的試驗(yàn)曲線,其中,測(cè)力傳感器的信號(hào)輸出與輸入之間有較好的線性,兩向靜態(tài)全程線性度誤差小于1%。動(dòng)態(tài)頻率響應(yīng)兩向相似,測(cè)量頻寬范圍約可達(dá)0~1000Hz.其它測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)附表.
由上表可見(jiàn),內(nèi)藏式測(cè)力傳感器已基本滿足國(guó)際生產(chǎn)工程協(xié)會(huì)CIRP推薦的項(xiàng)目,經(jīng)大量切削實(shí)驗(yàn)考證,它能適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的使用要求,具有推廣應(yīng)用價(jià)值。上述動(dòng)態(tài)性能只是實(shí)測(cè)的結(jié)果,致于信息傳遞引起的影響,尚待研究,
在測(cè)力傳感構(gòu)的設(shè)計(jì)與研制過(guò)程巾,得到西安礦業(yè)學(xué)院孫蒲軍同志的幫助,并承蒙濟(jì)南第一機(jī)床廠的協(xié)助,在此表示感謝,
參考文獻(xiàn)
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