專利名稱：一種旋轉(zhuǎn)式三維壓電測力刀柄裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于壓電式傳感器中的測力裝置領(lǐng)域，特別涉及一種直接測量銑削、鉆削等機械加工過程中刀具所受的軸向力、切向力和扭矩的裝置。
背景技術(shù)：
目前，機械加工中切削力的測量主要有兩種方法:應(yīng)變式和壓電式。應(yīng)變式中以應(yīng)變片為靈敏元件的測力儀，具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、性能穩(wěn)定可靠、使用方便等優(yōu)點，一般是通過應(yīng)變片在受力后發(fā)生形變導(dǎo)致電阻值發(fā)生變化的原理來測力的，在力信號測量方面使用廣泛。但由于只有當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變時，通常是幾十到兩萬微應(yīng)變，其阻值才能發(fā)生變化，所以應(yīng)變式測力儀靈敏度越高則剛度越低。應(yīng)變式測力儀靜態(tài)性能好，一般適用于靜態(tài)測力，但固有頻率不高，不適宜動態(tài)力測量。壓電式測力儀是根據(jù)壓電材料的壓電效應(yīng)原理來測量的，同時具有很高的靈敏度和剛度，測量范圍寬，線性及穩(wěn)定性高，動態(tài)特性好，適于測量加工過程中的動態(tài)切削力。傳統(tǒng)的用于測量切削力的多維壓電式測力儀通常是盤式結(jié)構(gòu)或平臺結(jié)構(gòu)，安裝在工件與工作臺之間，體積和質(zhì)量較大，給運輸和安裝造成了不便。并且安裝在工件與工作臺之間的壓電式測力儀，動態(tài)響應(yīng)受工件質(zhì)量和幾何影響較大，對于較大的工件，測力儀要承受工件自身重量，而且在加工過程中，工件自重不斷發(fā)生變化，會影響測力信號的準(zhǔn)確性，因此，盤式或臺式測力儀會限制工件的尺寸。另外，測力儀安裝在工作臺上容易受到切削液和切屑的損害，要特別注意做好測力儀的防護。切削力是機械零件加工過程中的重要參數(shù)，能否準(zhǔn)確測量動態(tài)切削力直接影響著實時切削力控制的準(zhǔn)確性，進而影響零件的加工精度，隨著精密零件的需求日益增加，迫切需要設(shè)計一種能準(zhǔn)確測量動態(tài)切削力的測力儀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明一種旋轉(zhuǎn)式三維壓電測力刀柄裝置，克服傳統(tǒng)壓電式測力儀安裝在機床工作臺與工件之間，測量切削力和扭矩時受工件自重變化影響較大且切削液和切屑會損害測力儀的缺點。該測力刀柄利用深溝球軸承的內(nèi)外圈可以相對轉(zhuǎn)動且內(nèi)外圈與鋼球始終保持接觸的特點，使用三個輕型深溝球軸承作為壓電傳感器的電荷信號傳輸工具，分別傳輸軸向力、切向力和扭矩信號，解決了壓電傳感器安裝在機床主軸上時信號的無線傳輸問題，實現(xiàn)了測力儀對銑削、鉆削等機械加工過程中刀具所受的軸向力、切向力和扭矩的直接測量，安裝后免受切削液和切屑的損害。本發(fā)明一種旋轉(zhuǎn)式三維壓電測力刀柄裝置所采用的技術(shù)方案是:一種旋轉(zhuǎn)式三維壓電測力刀柄裝置由可換式銑刀刀柄上端1、壓電傳感器部分、信號傳輸部分、刀柄下端24組成；壓電傳感器部分由傳感器上殼體3、三維壓電石英測量晶組27、絕緣套筒17、預(yù)緊螺釘25、傳感器下殼體26、扭矩信號內(nèi)引線28、切向力信號內(nèi)引線30、軸向力信號內(nèi)引線32組成；三維壓電石英測量晶組27粘在傳感器下殼體26的內(nèi)腔凸臺中心上，絕緣套筒17緊貼在傳感器下殼體26的內(nèi)腔表面，焊接在三維壓電石英測量晶組27上的帶有絕緣外皮的扭矩信號內(nèi)引線28、切向力信號內(nèi)引線30和軸向力信號內(nèi)引線32分別穿過絕緣套筒17、傳感器下殼體26、絕緣內(nèi)環(huán)19的側(cè)壁孔，絕緣內(nèi)環(huán)19緊貼傳感器下殼體26的外壁并固定在傳感器下殼體26的下端突出部位上，傳感器上殼體3壓在三維壓電石英測量晶組27上，通過預(yù)緊螺釘25與三維壓電石英測量晶組27和傳感器下殼體26連接；信號傳輸部分中，扭矩信號內(nèi)引線28焊接在下輕型深溝球軸承16的內(nèi)圈上，下輕型深溝球軸承16裝在絕緣內(nèi)環(huán)19的外側(cè)；下絕緣定位環(huán)15套在絕緣內(nèi)環(huán)19的外側(cè)并壓在下輕型深溝球軸承16的內(nèi)圈上；切向力信號內(nèi)引線30焊接在中輕型深溝球軸承14的內(nèi)圈上，中輕型深溝球軸承14裝在下絕緣定位環(huán)15上；上絕緣定位環(huán)13套在絕緣內(nèi)環(huán)19的外側(cè)，裝在中輕型深溝球軸承14的內(nèi)圈上；軸向力信號內(nèi)引線32焊接在上輕型深溝球軸承12的內(nèi)圈上，上輕型深溝球軸承12裝在上絕緣定位環(huán)13上；裝在傳感器上殼體3上的絕緣定位盤6通過四個十字槽圓柱頭螺釘5壓在上輕型深溝球軸承12的內(nèi)圈上；軸向力信號外引線33焊接在上輕型深溝球軸承12的外圈上，切向力信號外引線31焊接在中輕型深溝球軸承14的外圈上，扭矩信號外引線29焊接在下輕型深溝球軸承16的外圈上；上角接觸球軸承4的外圈小端靠裝在上端定位外殼7的孔內(nèi)，上角接觸球軸承4外圈大端向下安裝在傳感器上殼體3上，且卡在傳感器上殼體3的軸肩上；絕緣外環(huán)11與外壁筒9底端對齊、孔對齊，安裝在外壁筒9內(nèi)，軸向力信號外引線33、切向力信號外引線31和扭矩信號外引線29分別穿過絕緣外環(huán)11和外壁筒9的上、中、下三個孔，絕緣外環(huán)11緊貼上輕型深溝球軸承12、中輕型深溝球軸承14、下輕型深溝球軸承16的外圈且絕緣外環(huán)11的底端突出部位卡住下輕型深溝球軸承16的外圈，外壁筒9通過螺栓8和螺母10與上端定位外殼7連接；下角接觸球軸承21的外圈小端靠裝在下端定位外殼20的孔內(nèi)，下角接觸球軸承21的外圈大端向上安裝在傳感器下殼體26上,卡在傳感器下殼體26的軸肩上,下端定位外殼20通過螺釘18與外壁筒9連接；銑刀刀柄上端I通過螺紋與壓電傳感器的傳感器上殼體3連接，銑刀刀柄上端I的底端卡在上角接觸球軸承4的內(nèi)圈上，兩個尾部有螺紋的上定位銷2擰在銑刀刀柄上端I與傳感器上殼體3連接部位的螺紋孔中，定位套23套在傳感器下殼體26上頂住下角接觸球軸承21的內(nèi)圈，刀柄下端24通過螺紋與壓電傳感器的傳感器下殼體26連接，刀柄下端24的軸肩頂住定位套23，兩個尾部有螺紋的下定位銷22擰在從定位套23的外壁一側(cè)的螺紋孔中。本發(fā)明的顯著效果是:設(shè)計發(fā)明的一種旋轉(zhuǎn)式三維壓電測力刀柄裝置，利用三個輕型深溝球軸承分別作為壓電傳感器的軸向力、切向力和扭矩信號的輸出途徑，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)動軸上壓電傳感器信號的無線傳輸，使得測力儀可以安裝在機床的旋轉(zhuǎn)主軸上，直接測量加工過程中刀具所受的切削力和扭矩，所測信號不受工件自重影響，提高了測量準(zhǔn)確性，安裝時可以忽略切屑和切削液的損害。


附圖1為壓電式三維旋轉(zhuǎn)測力刀柄裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中:1_銑刀刀柄上端，2-上定位銷，3-傳感器上殼體，4-上角接觸球軸承，5-十字槽圓柱頭螺釘，6-絕緣定位盤，7-上端定位外殼，8-螺栓，9-外壁筒，10-螺母，11-絕緣外環(huán)，12-上輕型深溝球軸承，13-上絕緣定位環(huán)，14-中輕型深溝球軸承，15-下絕緣定位環(huán)，16-下輕型深溝球軸承，17-絕緣套筒，18-螺釘，19-絕緣內(nèi)環(huán)，20-下端定位外殼，21-下角接觸球軸承，22-下定位銷，23-定位套，24-刀柄下端，25-預(yù)緊螺釘，26-傳感器下殼體，27-三維壓電石英測量晶組，28-扭矩信號內(nèi)引線，29-扭矩信號外引線，30-切向力信號內(nèi)引線，31-切向力信號外引線，32-軸向力信號內(nèi)引線，33-軸向力信號外引線，A-弧形凹槽。
具體實施例方式結(jié)合附圖1和技術(shù)方案詳細說明本發(fā)明的實施。銑削零件并測量銑削過程中的切削力和扭矩時，將旋轉(zhuǎn)式三維壓電測力刀柄裝置的銑刀刀柄上端I的內(nèi)螺紋與拉絲螺紋連接，使銑刀刀柄上端I的弧形凹槽A對準(zhǔn)機床主軸末端的定位塊來進行定位。刀柄下端24和刀具夾頭配合用來夾緊刀具。加工時，主軸旋轉(zhuǎn)帶動銑刀刀柄上端I轉(zhuǎn)動，與之連接的傳感器部分包括傳感器上殼體3、三維壓電石英測量晶組27、扭矩信號內(nèi)引線28、切向力信號內(nèi)引線30、軸向力信號內(nèi)引線32、絕緣套筒17、預(yù)緊螺釘25、傳感器下殼體26 —起轉(zhuǎn)動，進而帶動刀柄下端24以及與之相連刀具開始轉(zhuǎn)動。因為上角接觸球軸承4和下角接觸球軸承21的內(nèi)圈分別與傳感器上殼體3和傳感器下殼體26都是過盈配合，所以上角接觸球軸承4和下角接觸球軸承21的內(nèi)圈隨傳感器一起轉(zhuǎn)動。絕緣內(nèi)環(huán)19粘貼在傳感器上殼體3和傳感器下殼體26的外表面，上輕型深溝球軸承12的內(nèi)圈、上絕緣定位環(huán)13、中輕型深溝球軸承14的內(nèi)圈、下絕緣定位環(huán)15、下輕型深溝球軸承16的內(nèi)圈粘貼在絕緣內(nèi)環(huán)19的外表面，且有傳感器下殼體26的底端突出部位和絕緣定位盤6及十字槽圓柱頭螺釘5的雙向定位，這些零部件隨著傳感器部分一起轉(zhuǎn)動。測量時，刀具切削工件時受到工件的反作用切削力和扭矩，通過力的傳遞以及預(yù)緊螺釘25連接傳感器上殼體3、三維壓電石英測量晶組27和傳感器下殼體26產(chǎn)生的預(yù)緊力使三維壓電石英測量晶組27受到力和扭矩，發(fā)生壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷。軸向力電荷信號由軸向力信號內(nèi)引線32引出到上輕型深溝球軸承12的內(nèi)圈上，經(jīng)過上輕型深溝球軸承12中間的鋼球傳輸?shù)缴陷p型深溝球軸承12的外圈，通過軸向力信號外引線33引出到第一臺電荷放大器中，經(jīng)電荷放大器放大后傳送到多功能數(shù)據(jù)采集模塊中；切向力電荷信號由切向力信號內(nèi)引線30引出到中輕型深溝球軸承14的內(nèi)圈上，經(jīng)過中輕型深溝球軸承14中間的鋼球傳輸?shù)街休p型深溝球軸承14的外圈，通過切向力信號外引線31引出到第二臺電荷放大器中，經(jīng)電荷放大器放大后傳送到多功能數(shù)據(jù)采集模塊中；扭矩電荷信號由扭矩信號內(nèi)引線28引出到下輕型深溝球軸承16的內(nèi)圈上，經(jīng)過下輕型深溝球軸承16中間的鋼球傳輸?shù)较螺p型深溝球軸承16的外圈，通過扭矩信號外引線29引出到第三臺電荷放大器中，經(jīng)電荷放大器放大后傳送到多功能數(shù)據(jù)采集模塊中。放大后的軸向力、切向力和扭矩三路信號經(jīng)過多功能數(shù)據(jù)采集模塊的計算和Α/D轉(zhuǎn)換后，被輸送到計算機上的與該多功能數(shù)據(jù)采集模塊對應(yīng)的軟件中進行顯示、分析、處理和保存。附圖1中的銑刀刀柄上端I是可換式結(jié)構(gòu)，用可換式鉆刀刀柄將銑刀刀柄上端I換掉，則此旋轉(zhuǎn)式三維壓電測力刀柄裝置可用于鉆床上測量鉆削過程中的切削力和扭矩。該旋轉(zhuǎn)式三維壓電測力刀柄裝置可以對轉(zhuǎn)動著的刀具所受的軸向力、切向力和扭矩直接進行測量，不受工件自重變化的影響，測量更準(zhǔn)確，減少了切屑和切削液等對測力儀的損害。此裝置適用于精密零件加工過程中切削力的監(jiān)控環(huán)節(jié)中，提高切削自動化水平。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)式三維壓電測力刀柄裝置，其特征是，該裝置由可換式銑刀刀柄上端(I)、壓電傳感器部分、信號傳輸部分、刀柄下端(24)組成； 壓電傳感器部分由傳感器上殼體(3)、三維壓電石英測量晶組(27)、絕緣套筒(17)、預(yù)緊螺釘(25)、傳感器下殼體(26)、扭矩信號內(nèi)引線(28)、切向力信號內(nèi)引線(30)、軸向力信號內(nèi)引線(32)組成；三維壓電石英測量晶組(27)粘在傳感器下殼體(26)的內(nèi)腔凸臺中心上，絕緣套筒(17)緊貼在傳感器下殼體(26)的內(nèi)腔表面，焊接在三維壓電石英測量晶組(27)上的帶有絕緣外皮的扭矩信號內(nèi)引線(28)、切向力信號內(nèi)引線(30)和軸向力信號內(nèi)引線(32)分別穿過絕緣套筒(17)、傳感器下殼體(26)、絕緣內(nèi)環(huán)(19)的側(cè)壁孔，絕緣內(nèi)環(huán)(19)緊貼傳感器下殼體(26)的外壁并固定在傳感器下殼體(26)的下端突出部位上，傳感器上殼體(3 )壓在三維壓電石英測量晶組(27 )上，通過預(yù)緊螺釘(25 )與三維壓電石英測量晶組(27)和傳感器下殼體(26)連接； 信號傳輸部分中，扭矩信號內(nèi)引線(28)焊接在下輕型深溝球軸承(16)的內(nèi)圈上，下輕型深溝球軸承(16)裝在絕緣內(nèi)環(huán)(19)的外側(cè)；下絕緣定位環(huán)(15)套在絕緣內(nèi)環(huán)(19)的外側(cè)并壓在下輕型深溝球軸承(16)的內(nèi)圈上；切向力信號內(nèi)引線(30)焊接在中輕型深溝球軸承(14)的內(nèi)圈上，中輕型深溝球軸承(14)裝在下絕緣定位環(huán)(15)上；上絕緣定位環(huán)(13)套在絕緣內(nèi)環(huán)(19)的外側(cè)，裝在中輕型深溝球軸承(14)的內(nèi)圈上；軸向力信號內(nèi)引線(32)焊接在上輕型深溝球軸承(12)的內(nèi)圈上，上輕型深溝球軸承(12)裝在上絕緣定位環(huán)(13)上；裝在傳感器上殼體(3)上的絕緣定位盤(6)通過四個十字槽圓柱頭螺釘(5)壓在上輕型深溝球軸承(12)的內(nèi)圈上；軸向力信號外引線(33)焊接在上輕型深溝球軸承(12)的外圈上，切向力信號外引線(31)焊接在中輕型深溝球軸承(14)的外圈上，扭矩信號外引線(29)焊接在下輕型深溝球軸承(16)的外圈上；上角接觸球軸承(4)的外圈小端靠裝在上端定位外殼(7)的孔內(nèi)，上角接觸球軸承(4)外圈大端向下安裝在傳感器上殼體(3)上，且卡在傳感器上殼體(3)的軸肩上；絕緣外環(huán)(11)與外壁筒(9)底端對齊、孔對齊，安裝在外壁筒(9)內(nèi)，軸向力信號外引線(33)、切向力信號外引線(31)和扭矩信號外引線(29)分別穿過絕緣外環(huán)(11)和外壁筒(9 )的上、中、下三個孔，絕緣外環(huán)(11)緊貼上輕型深溝球軸承(12)、中輕型深溝球軸承(14)、下輕型深溝球軸承(16)的外圈且絕緣外環(huán)(11)的底端突出部位卡住下輕型深溝球軸承(16)的外圈，外壁筒(9)通過螺栓(8)和螺母(10)與上端定位外殼(7)連接；下角接觸球軸承(21)的外圈小端靠裝在下端定位外殼(20)的孔內(nèi)，下角接觸球軸承(21)的外圈大端向上安裝在傳感器下殼體(26)上,卡在傳感器下殼體(26)的軸肩上，下端定位外殼(20 )通過螺釘(18 )與外壁筒(9 )連接； 銑刀刀柄上端(I)通過螺紋與壓電傳感器的傳感器上殼體(3)連接，銑刀刀柄上端(I)的底端卡在上角接觸球軸承(4)的內(nèi)圈上，兩個尾部有螺紋的上定位銷(2)擰在銑刀刀柄上端(I)與傳感器上殼體(3 )連接部位的螺紋孔中，定位套(23 )套在傳感器下殼體(26 )上頂住下角接觸球軸承(21)的內(nèi)圈，刀柄下端(24)通過螺紋與壓電傳感器的傳感器下殼體(26)連接，刀柄下端(24)的軸肩頂住定位套(23)，兩個尾部有螺紋的下定位銷(22)擰在從定位套(23)的外壁一側(cè)的螺紋孔中。
全文摘要
本發(fā)明的一種旋轉(zhuǎn)式三維壓電測力刀柄裝置屬于壓電式傳感器中的測力裝置領(lǐng)域，特別涉及一種直接測量銑削、鉆削等機械加工過程中刀具所受的軸向力、切向力和扭矩的裝置。該裝置由可換式銑刀刀柄上端、壓電傳感器部分、信號傳輸部分、刀柄下端組成。壓電傳感器部分由傳感器上殼體、三維壓電石英測量晶組、絕緣套筒、傳感器下殼體、切向力、軸向力、扭矩信號內(nèi)引線等組成。本發(fā)明用三個軸承分別作為壓電傳感器的軸向力、切向力和扭矩信號的輸出途徑，解決了壓電傳感器安裝在機床主軸上時，信號的無線傳輸問題。本裝置測量準(zhǔn)確，減少了切屑和切削液對測力儀的損害，適用于精密零件加工中，對切削力的監(jiān)控，提高切削自動化水平。
文檔編號B23Q17/09GK103203661SQ201310088738
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者任宗金, 賈振元, 尚永艷, 高翼飛, 高勝南, 盧曉紅 申請人:大連理工大學(xué)