專利名稱：一種壓電式四維切削測(cè)力平臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一種壓電式四維切削測(cè)力平臺(tái)屬于傳感測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域，特別涉 及切削過程中三個(gè)方向正交力及扭矩的檢測(cè)。
背景技術(shù)：
切削加工是機(jī)械制造中最主要的加工方法，隨著機(jī)床和刀具的不斷發(fā) 展，切削加工的精度、效率和自動(dòng)化程度不斷提高，應(yīng)用范圍也日益擴(kuò)大， 從而大大促進(jìn)了現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展。切削力和扭矩的測(cè)量不僅有利于 研究切削機(jī)理、計(jì)算功率消耗、優(yōu)化切削用量和刀具幾何參數(shù)，更重要的 是可以通過切削力的變化來監(jiān)控切削過程，反映刀具磨損或破損、切削用 量的合理性、機(jī)床故障、顫振等切削狀態(tài)，以便及時(shí)控制切削過程，提高 切削效率，降低零件廢品率，同時(shí)對(duì)于優(yōu)化刀具幾何參數(shù)等，都具有非常 重要的意義。
以往的壓電式測(cè)力平臺(tái)難以同時(shí)測(cè)量和檢測(cè)切削過程中的扭矩和三個(gè) 方向正交力。應(yīng)用面單一，僅能用于一種或某幾種相近形式的切削加工。 而且對(duì)于扭矩的測(cè)量，其傳感器多采用分割電極的形式，必須進(jìn)行大量復(fù) 雜的解耦運(yùn)算，工藝相對(duì)復(fù)雜，扭矩測(cè)量精度不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是要克服現(xiàn)有傳感器應(yīng)用面窄、以及扭矩測(cè) 量精度不高等性能方面存在的缺欠。針對(duì)各種切削加工的受力特點(diǎn)及多樣 性，結(jié)合石英晶體的壓電效應(yīng)，發(fā)明了一種壓電式四維切削測(cè)力平臺(tái)。該 壓電式四維切削測(cè)力平臺(tái)以分布在同一圓周上呈菱形分布的四個(gè)傳感器為 核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)任一切削過程中的三個(gè)方向正交力及扭矩進(jìn)行同時(shí)測(cè)量， 具有靈敏度高，線性度、重復(fù)性好，橫向干擾小，測(cè)量精度高的良好特性。 此壓電式四維切削測(cè)力平臺(tái)對(duì)于測(cè)量鉆、磨、銑、車、銫具有通用性，應(yīng) 用面寬。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種壓電式四維切削測(cè)力平臺(tái)由底座l、中
板2、上板3、引線輸出插頭4、引線5、隔熱板6、大環(huán)形密封圈8、小環(huán)形 密封圈9、四個(gè)壓電石英傳感器IO、防護(hù)墊ll以及連接螺釘組成。夾在底座1與中板2之間呈菱形分布的四個(gè)壓電石英傳感器10均布于同一水平面的同 一圓周上，并通過四個(gè)連接螺釘12與底座1與中板2剛性連接在一起；中板2 與上板3通過四個(gè)連接螺釘7連接在一起；中板2與上板3之間為一隔熱板6; 底座1和中板2通過大環(huán)形密封圈8和小環(huán)形密封圈9進(jìn)行密封，測(cè)力平臺(tái)底 座連接螺釘12通過防護(hù)墊11進(jìn)行密封；測(cè)力平臺(tái)中間通孔p為鉆削中工件的 鉆孔空間；導(dǎo)線5由導(dǎo)線輸出插頭4引出。
底座l為一中間帶圓孔的矩形階梯式結(jié)構(gòu)，底座l的上表面采用臺(tái)階式 結(jié)構(gòu)。上表面a外側(cè)開有安裝大環(huán)形密封圈8的方形密封槽b，上表面a內(nèi)側(cè)開 有安裝小環(huán)形密封圈9的圓形密封槽b';上表面a中部開有一個(gè)圓環(huán)形槽c， 四個(gè)壓電石英傳感器10均布于圓環(huán)形槽c底面；底座l下表面為平面，連接 螺釘12分別通過均布于底座l下表面的四個(gè)階梯孔e;底座l左固定端d上開 有左上可調(diào)整安裝孔f、左下可調(diào)整安裝孔f'，底座l右固定端d'上開有右上 可調(diào)整安裝孔f"、右下可調(diào)整安裝孔f"'，對(duì)整個(gè)測(cè)力平臺(tái)進(jìn)行固定；底座l 前側(cè)開有一螺紋孔g，安裝引線輸出插頭4。
中板2為一中間帶圓孔的方形階梯式結(jié)構(gòu)。中板2的上表面為方形平面。 下表面h為一圓柱形凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，其上均布四個(gè)階梯孔i和四個(gè)螺紋 Lj。連接 螺釘12分別通過四個(gè)螺紋 Lj，連接螺釘7分別通過四個(gè)階梯孔i。
上板3為一中間帶圓孔的方形平板式結(jié)構(gòu)。上表面k為方形平面，其上 均布八個(gè)固定被測(cè)加工工件的工件固定螺紋孔m;下表面l同樣是方形平面， 其上均布四個(gè)螺紋孔n，連接螺釘7分別通過四個(gè)螺紋孔n。
四個(gè)壓電石英傳感器10分別由1對(duì)xy型單元晶組和3對(duì)yx型單元晶 組構(gòu)成，單元晶組自上而下依次為測(cè)量法向分力Fz的xy型單元晶組o，測(cè) 量扭矩力(Fm、 Fm'、 Fm"、 Fm"')的yx型單元晶組o'，測(cè)量切向分力Fy 的yx型單元晶組o"，測(cè)量切向分力Fx的yx型單元晶組o"'。每對(duì)單元晶組 將兩片石英晶片對(duì)裝，即在電路上為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，信號(hào)通過夾在兩片石英晶 片間的電極片13引出，且引出信號(hào)為負(fù)電荷，每對(duì)單元晶組的上下兩面均 通過相互連接的導(dǎo)線和電極片14接地。
四個(gè)連接螺釘7以0。線為基準(zhǔn)線，其位置角度分別45。 、 135° 、 225 ° 、 315° ;上板3上表面k上八個(gè)工件固定螺紋孔m以0。線為基準(zhǔn)線，其位 置角度分別為22.5° 、 67.5° 、 102.5° 、 157.5° 、 202.5° 、 247.5° 、 292.5° 、 337.5° ;四個(gè)壓電石英傳感器10以0°線為基準(zhǔn)線，其位置角度分別為 0° 、 90° 、 180° 、 270° 。
本發(fā)明的顯著效果是本發(fā)明是針對(duì)用壓電石英力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量切 削過程中三個(gè)方向正交力及扭矩，可以分別用于鉆削、銑削、磨削、車削 中。采用分布在同一圓周上的四個(gè)壓電傳感器測(cè)量扭矩，測(cè)力范圍大，不 需經(jīng)過復(fù)雜計(jì)算，便可測(cè)得扭矩的大小。測(cè)力平臺(tái)具有良好的特性，其靈 敏度高，線性度、重復(fù)性好，橫向干擾小，測(cè)量精度比較高。


圖1為壓電式四維切削測(cè)力平臺(tái)三維圖，圖2為測(cè)力平臺(tái)裝配圖的俯 視圖，圖3為圖2的A-A剖視圖，圖4為測(cè)力平臺(tái)底座的俯視圖，圖5為 圖4的B-B剖視圖，圖6為測(cè)力平臺(tái)中板的俯視圖，圖7為圖6的C-C剖 視圖，圖8為測(cè)力平臺(tái)上板的俯視圖，圖9為圖8的D-D剖視圖。
其中l(wèi)-底座，2-中板，3-上板，4-導(dǎo)線輸出插頭，5-導(dǎo)線，6-隔熱板， 7-連接螺釘，8-外側(cè)密封圈，9-內(nèi)側(cè)密封圈，10-壓電石英傳感器，11-防護(hù) 墊，12-連接螺釘；a-底座1上表面，b-外側(cè)方形密封槽，b'-內(nèi)側(cè)圓形密封 槽，c-圓環(huán)形石英晶組安裝槽，d-底座l左端，d'-底座l右端，e-連接底座 l和中板2的階梯孔，f-左上可調(diào)整安裝孔、f'-左下可調(diào)整安裝孔，f"-右上 可調(diào)整安裝孔、f "'-右下可調(diào)整安裝孔，g-引線輸出插頭螺紋孔，h-中板2 下表面，i-連接中板2和上板3階梯孔，j-連接底座1和中板2螺紋孔，k-上板3上表面，l-上板3下表面，m-固定工件螺紋孔，n-連接中板2和上板 3螺紋孔，p-鉆削孔。
圖IO測(cè)力平臺(tái)四組壓電石英傳感器的分布圖，圖11為壓電石英傳感 器的晶組組合結(jié)構(gòu)圖。其中13-引出信號(hào)電極片，14-相互連接的接地導(dǎo)線 和電極片；o-測(cè)量法向分力的xy型單元晶組，o'-測(cè)量扭矩的yx型單元晶組， o"-測(cè)量切向分力的yx型單元晶組，o"'-測(cè)量切向分力的yx型單元晶組。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，如附圖1-11所 示，裝配時(shí)采用四個(gè)連接螺釘12分別通過四個(gè)階梯孔e和四個(gè)螺紋孔j將 底座l、中板2與四個(gè)壓電石英傳感器10剛性連接在一起，同時(shí)四個(gè)連接螺釘12對(duì)四個(gè)壓電石英傳感器進(jìn)行預(yù)緊，以獲得足夠的預(yù)緊力。采用四個(gè) 連接螺釘7分別通過四個(gè)階梯孔i和四個(gè)螺紋孔n將中板2與上板3剛性連 接在一起。采用4個(gè)螺釘分別通過右上可調(diào)整安裝孔f、右下可調(diào)整安裝孔 f、左上可調(diào)整安裝孔f'以及左下可調(diào)整安裝孔f〃將壓電式四維切削測(cè)力平 臺(tái)固定到一個(gè)基座上。
當(dāng)有外力和扭矩作用在傳感器上時(shí)，外力可分解為切向分力Fx、 FY， 法向分力Fz三個(gè)方向的分力，外力的切向分力Fx、 Fy依靠中板2下表面h、 底座l圓環(huán)形槽c底面以及四個(gè)壓電石英傳感器之間的摩擦力作用到四個(gè)壓 電石英傳感器的下面兩組具有剪切效應(yīng)的yx型單元晶組(o"、 o"')上，兩 組單元晶組的石英晶體表面便會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，電荷通過夾在兩片石英 晶片間的電極片引出；外力的法向分力Fz依靠整個(gè)殼體作用到四個(gè)壓電石 英傳感器上面一組具有縱向效應(yīng)的xy型單元晶組o上，單元晶組的石英晶體 表面便會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，電荷通過夾在兩片石英晶片間的電極片引出； 扭矩依靠中板2下表面h、底座1圓環(huán)形槽c底面以及四個(gè)壓電石英傳感器之 間的摩擦力作用到四個(gè)壓電石英傳感器的yx型單元晶組o'上，單元晶組的石 英晶體表面便會(huì)產(chǎn)生電荷，產(chǎn)生的四組電荷通過夾在兩片石英晶片間的電 極片引出。各電極片引出的電荷通過電荷放大器進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換成電壓 信號(hào)輸出，經(jīng)過A/D數(shù)據(jù)采集卡將模擬信號(hào)變成計(jì)算機(jī)接受的數(shù)字信號(hào)，輸 入計(jì)算機(jī)，經(jīng)計(jì)算機(jī)采集、處理、運(yùn)算后得出所測(cè)三個(gè)方向正交力Fx、 FY、 Fz及扭矩力(FM、 FM'、 Fm"、 Fm"')的大小，最后由終端顯示、存儲(chǔ)、分 析、記錄、打印等。扭矩的獲得采用"力X力臂"法，在特定的力臂下， 根據(jù)測(cè)得力(FM、 Fm'、 Fm"、 Fm"')與扭矩的線性關(guān)系，不需經(jīng)過復(fù)雜計(jì) 算，便可以直接得出。
該壓電式四維切削測(cè)力平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任一切削過程中的三個(gè)方向正 交力及扭矩的測(cè)量，因此對(duì)于測(cè)量鉆、磨、銑、車、銫具有通用性，運(yùn)用 面寬，具有靈敏度高，線性度、重復(fù)性好，橫向干擾小，測(cè)量精度高的良 好特性。
權(quán)利要求
1.一種壓電式四維切削測(cè)力平臺(tái)，其特征在于，測(cè)力平臺(tái)由底座(1)、中板(2)、上板(3)、引線輸出插頭(4)、引線(5)、隔熱板(6)、大環(huán)形密封圈(8)、小環(huán)形密封圈(9)、四個(gè)壓電石英傳感器(10)、防護(hù)墊(11)以及連接螺釘組成；夾在底座(1)與中板(2)之間呈菱形分布的四個(gè)壓電石英傳感器(10)均布于同一水平面的同一圓周上，并通過四個(gè)連接螺釘(12)與底座(1)與中板(2)剛性連接在一起，中板(2)與上板(3)通過四個(gè)連接螺釘(7)連接在一起，中板(2)與上板(3)之間為一隔熱板(6)，底座(1)和中板(2)通過大環(huán)形密封圈(8)和小環(huán)形密封圈(9)進(jìn)行密封，測(cè)力平臺(tái)底座連接螺釘(12)通過防護(hù)墊(11)進(jìn)行密封，測(cè)力平臺(tái)中間通孔(p)為鉆削中工件的鉆孔空間，導(dǎo)線(5)由導(dǎo)線輸出插頭(4)引出；底座(1)為一中間帶圓孔的矩形階梯式結(jié)構(gòu)，底座(1)的上表面采用臺(tái)階式結(jié)構(gòu)，上表面(a)外側(cè)開有安裝大環(huán)形密封圈8的方形密封槽(b)，上表面(a)內(nèi)側(cè)開有安裝小環(huán)形密封圈(9)的圓形密封槽(b′)，上表面(a)中部開有一個(gè)圓環(huán)形槽(c)，四個(gè)壓電石英傳感器(10)均布于圓環(huán)形槽(c)底面，底座(1)下表面為平面，連接螺釘(12)分別通過均布于底座(1)下表面的四個(gè)階梯孔(e)；底座(1)左固定端(d)上開有左上可調(diào)整安裝孔(f)、左下可調(diào)整安裝孔(f′)，底座(1)右固定端(d′)上開有右上可調(diào)整安裝孔(f″)、右下可調(diào)整安裝孔(f″′)，對(duì)整個(gè)測(cè)力平臺(tái)進(jìn)行固定，底座(1)前側(cè)開有一螺紋孔(g)，安裝引線輸出插頭(4)；中板(2)為一中間帶圓孔的方形階梯式結(jié)構(gòu)，中板(2)的上表面為方形平面，下表面(h)為一圓柱形凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，其上均布四個(gè)階梯孔(i)和四個(gè)螺紋孔(j)，連接螺釘(12)分別通過四個(gè)螺紋孔(j)，連接螺釘(7)分別通過四個(gè)階梯孔(i)；上板(3)為一中間帶圓孔的方形平板式結(jié)構(gòu)，上表面(k)為方形平面，其上均布八個(gè)固定被測(cè)加工工件的工件固定螺紋孔(m)，下表面(l)同樣是方形平面，其上均布四個(gè)螺紋孔(n)，連接螺釘(7)分別通過四個(gè)螺紋孔(n)；四個(gè)壓電石英傳感器(10)分別由1對(duì)xy型單元晶組和3對(duì)yx型單元晶組構(gòu)成，單元晶組自上而下依次為測(cè)量法向分力FZ的xy型單元晶組(o)，測(cè)量扭矩力(FM、FM′、FM″、FM″′)的yx型單元晶組(o′)，測(cè)量切向分力FY的yx型單元晶組(o″)，測(cè)量切向分力FX的yx型單元晶組(o″′)。每對(duì)單元晶組將兩片石英晶片對(duì)裝，即在電路上為并聯(lián)結(jié)構(gòu)，信號(hào)通過夾在兩片石英晶片間的電極片(13)引出，且引出信號(hào)為負(fù)電荷，每對(duì)單元晶組的上下兩面均通過相互連接的導(dǎo)線和電極片(14)接地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種壓電式四維切削測(cè)力平臺(tái)，其特征是，四個(gè)連接螺釘 (7)以0°線為基準(zhǔn)線，其位置角度分別45。 、 135° 、 225° 、 315° ;上板(3) 上表面(k)上八個(gè)工件固定螺紋孔(m)以0°線為基準(zhǔn)線，其位置角度分別為 22.5° 、 67.5° 、 102.5° 、 157.5° 、 202,5° 、 247.5° 、 292.5° 、 337.5° ;四 個(gè)壓電石英傳感器(10)以0°線為基準(zhǔn)線，其位置角度分別為O。、卯° 、 180 ° 、 270。。
全文摘要
本發(fā)明一種壓電式四維切削測(cè)力平臺(tái)屬于傳感測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及切削過程中三個(gè)方向正交力及扭矩的檢測(cè)。測(cè)力平臺(tái)由底座、中板、上板、引線輸出插頭、引線、隔熱板、密封圈、四個(gè)壓電石英傳感器、防護(hù)墊以及連接螺釘組成；夾在底座與中板之間呈菱形分布的四個(gè)壓電石英傳感器均布于同一水平面的同一圓周上。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)任一切削過程中的三個(gè)方向正交力及扭矩進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，具有靈敏度高，線性度、重復(fù)性好，橫向干擾小，測(cè)量精度高的良好特性。此壓電式四維切削測(cè)力平臺(tái)對(duì)于測(cè)量鉆、磨、銑、車、铇具有通用性，應(yīng)用面寬。
文檔編號(hào)B23Q17/09GK101524818SQ20091001119
公開日2009年9月9日 申請(qǐng)日期2009年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月15日
發(fā)明者軍 張, 曲國杰, 敏 錢 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)