本發(fā)明涉及精密測(cè)量，具體涉及一種基于壓電陶瓷傳感器的三分量回轉(zhuǎn)式測(cè)力計(jì)。

背景技術(shù)：

1、切削力是反映切削狀態(tài)的重要指標(biāo)，其變化能反映刀具磨損狀態(tài)的變化或者加工結(jié)構(gòu)表面缺陷的形成，所以切削力實(shí)時(shí)檢測(cè)在加工過(guò)程狀態(tài)和切削工具狀態(tài)的識(shí)別和監(jiān)測(cè)方面得到廣泛應(yīng)用，主要包括：（1）表征和優(yōu)化切削加工過(guò)程：通過(guò)金屬切削機(jī)理和切削力實(shí)時(shí)檢測(cè)相結(jié)合，通過(guò)加工過(guò)程切削力大小確定最佳的切削加工工藝；（2）監(jiān)控切削刀具的狀況：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)刀具磨損狀態(tài)，通過(guò)切削力大小預(yù)測(cè)刀具的磨損和故障情況，通過(guò)及時(shí)換刀來(lái)保證結(jié)構(gòu)加工精度；（3）檢測(cè)切削過(guò)程的振動(dòng)和顫動(dòng)：通過(guò)檢測(cè)振動(dòng)和顫動(dòng)，確保加工過(guò)程的穩(wěn)定性，提高加工質(zhì)量和效率。

2、銑削是使用旋轉(zhuǎn)的多刃刀具切削工件的高效率加工方法，其加工過(guò)程本質(zhì)上是一種基于切削力的材料去除過(guò)程，因此，切削力感知技術(shù)是實(shí)現(xiàn)銑削加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)的有效手段。目前，臺(tái)式測(cè)力計(jì)是應(yīng)用最廣泛的切削力測(cè)量手段，具有易于設(shè)計(jì)和制造的優(yōu)點(diǎn)，而且場(chǎng)景通用性較好，可面向車(chē)削、銑削、磨削、鉆削等多種切削加工應(yīng)用場(chǎng)景，但仍存在以下不足：（1）臺(tái)式測(cè)力計(jì)使用時(shí)需要將工件固定在測(cè)力儀頂部的有效測(cè)力面上，這直接限制了工件的尺寸和幾何形狀，無(wú)法滿足大尺寸零件銑削加工的力測(cè)量需求；（2）工件在加工過(guò)程中不斷變化的質(zhì)量將改變力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，從而影響了力測(cè)量精度；（3）臺(tái)式測(cè)力計(jì)使用時(shí)需要特殊的夾持裝置，這造成拆裝過(guò)程繁瑣，給制造過(guò)程智能化的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了困難。為了解決臺(tái)式測(cè)力技術(shù)在銑削加工過(guò)程中所面臨的挑戰(zhàn)和難題，一種有效的解決方案是將傳感器集成到主軸端，構(gòu)建主軸集成回轉(zhuǎn)式力測(cè)量系統(tǒng)，它將傳感器和信號(hào)處理系統(tǒng)集成在刀柄上，實(shí)現(xiàn)對(duì)切削過(guò)程參數(shù)信息的感知和測(cè)量，既具有無(wú)需改動(dòng)機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，又能滿足大尺寸工件加工的需求，可以有效解決以上難題和挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于壓電陶瓷傳感器的三分量回轉(zhuǎn)式測(cè)力計(jì)，解決當(dāng)下銑削加工過(guò)程中的切削力不可測(cè)的問(wèn)題。

2、本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、一種基于壓電陶瓷傳感器的三分量回轉(zhuǎn)式測(cè)力計(jì)，包括

4、三維力傳遞承載座，其用于承載刀具所受的切削力；三維力傳遞承載座的下端安裝有刀具；

5、側(cè)面力傳遞柔性機(jī)構(gòu)，其耦接于所述三維力傳遞承載座的側(cè)面；側(cè)面力傳遞柔性機(jī)構(gòu)包括x向力傳遞柔性機(jī)構(gòu)和y向力傳遞柔性機(jī)構(gòu)；在x向力傳遞柔性機(jī)構(gòu)和y向力傳遞柔性機(jī)構(gòu)的外端分別耦接有壓電力傳感器；x向力傳遞柔性機(jī)構(gòu)和y向力傳遞柔性機(jī)構(gòu)采用雙軸直圓型柔性鉸鏈，向?qū)?yīng)的壓電力傳感器傳遞力信號(hào)；

6、端部力傳遞柔性機(jī)構(gòu)，其設(shè)置于所述三維力傳遞承載座的頂面；端部力傳遞柔性機(jī)構(gòu)包括z向力傳遞柔性機(jī)構(gòu)；z向力傳遞柔性機(jī)構(gòu)的外端耦接有壓電力傳感器；z向力傳遞柔性機(jī)構(gòu)采用雙軸直圓型柔性鉸鏈或柔性球形鉸鏈向?qū)?yīng)的壓電力傳感器傳遞力信號(hào)；

7、外圍側(cè)板組件，其圍設(shè)在所述三維力傳遞承載座的周側(cè)；所述外圍側(cè)板組件包括x向的側(cè)板平臺(tái)和y向的側(cè)板平臺(tái)；所述x向的側(cè)板平臺(tái)用于耦接于所述x向力傳遞柔性機(jī)構(gòu)的外端；所述y向的側(cè)板平臺(tái)用于耦接于所述y向力傳遞柔性機(jī)構(gòu)的外端；外圍側(cè)板組件通過(guò)所述側(cè)面力傳遞柔性機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)所述三維力傳遞承載座；

8、轉(zhuǎn)接法蘭，設(shè)置于所述端部力傳遞柔性機(jī)構(gòu)的上方；轉(zhuǎn)接法蘭中部的上側(cè)直接或間接與機(jī)床主軸連接；轉(zhuǎn)接法蘭中部的下側(cè)直接或間接與所述三維力傳遞承載座連接，轉(zhuǎn)接法蘭在z軸方向上承接所述三維力傳遞承載座；所述外圍側(cè)板組件固定安裝在所述轉(zhuǎn)接法蘭的周側(cè)并隨轉(zhuǎn)接法蘭的轉(zhuǎn)動(dòng)。

9、優(yōu)選地，所述轉(zhuǎn)接法蘭上安裝有標(biāo)準(zhǔn)刀柄fmb連接件，標(biāo)準(zhǔn)刀柄fmb連接件上安裝有標(biāo)準(zhǔn)刀柄；標(biāo)準(zhǔn)刀柄用于安裝在動(dòng)力頭上。

10、優(yōu)選地，所述外圍側(cè)板組件和所述轉(zhuǎn)接法蘭上分別安裝有螺釘；所述外圍側(cè)板組件通過(guò)所述螺釘與x向力傳遞柔性機(jī)構(gòu)、y向力傳遞柔性機(jī)構(gòu)的所述雙軸直圓型柔性鉸鏈的外端旋接；

11、所述轉(zhuǎn)接法蘭通過(guò)螺釘與所述z向力傳遞柔性機(jī)構(gòu)的雙軸直圓型柔性鉸鏈的外端旋接；

12、雙軸直圓型柔性鉸鏈的外端還設(shè)置有所述的壓電力傳感器，通過(guò)所述螺釘可以調(diào)節(jié)所述雙軸直圓型柔性鉸鏈壓在所述壓電力傳感器上的預(yù)緊力。

13、優(yōu)選地，還包括：

14、五通道電荷放大器模塊，其輸入端分別耦接到五個(gè)所述壓電力傳感器，每個(gè)通道都獨(dú)立運(yùn)行，通過(guò)模塊對(duì)傳感器產(chǎn)生的極化電荷信號(hào)進(jìn)行放大，將微弱的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的電壓信號(hào)；

15、無(wú)線信號(hào)采集與傳輸模塊，其輸入端分別連接所述五通道電荷放大器的輸出模塊，定時(shí)采集輸出的放大后的電壓信號(hào)，并通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸發(fā)送采集到的五通道電壓信號(hào)；

16、上位機(jī)，其用于接收無(wú)線信號(hào)采集與傳輸模塊發(fā)送的電壓信號(hào)，并基于沿x向布置的兩個(gè)壓電力傳感器輸出的信號(hào)差分計(jì)算x向的動(dòng)態(tài)力，基于沿y向布置的兩個(gè)壓電力傳感器輸出的信號(hào)差分計(jì)算y向動(dòng)態(tài)力，基于沿z向布置的壓電力傳感器信號(hào)計(jì)算z向的動(dòng)態(tài)力，并將動(dòng)態(tài)力變化繪制成圖表實(shí)時(shí)顯示出來(lái)；

17、所述壓電力傳感器由壓電陶瓷和兩個(gè)絕緣氧化鋯墊片組成。

18、優(yōu)選地，所述五通道電荷放大器模塊內(nèi)置了五個(gè)獨(dú)立的放大通道，這些通道共同構(gòu)成集成型電荷放大系統(tǒng)，每個(gè)通道都可以獨(dú)立工作，各通道之間不產(chǎn)生串?dāng)_影響，其中每個(gè)放大器通道包括：

19、兩個(gè)主要放大器：第一級(jí)放大器q1和第二級(jí)放大器q2。第一級(jí)放大器q1采用±2.5v電壓供電，主要功能是將壓電力傳感器的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，其同相輸入端通過(guò)電阻rt與第二放大器q2的同相輸入端相連，其反相輸入端通過(guò)電阻rg和電容cg并聯(lián)組成的濾波單元接地以去除噪聲，其信號(hào)輸出端連接到五通道電荷放大器模塊的信號(hào)輸入端口。第二級(jí)放大器q2采用±2.5v電壓供電，主要功能是保證第一級(jí)放大器q1的信號(hào)穩(wěn)定性，其反相輸入端通過(guò)電阻rs連接到五通道電荷放大器模塊的信號(hào)輸入端口，其輸出端連接到五通道電荷放大器模塊的信號(hào)輸出端口以輸出的電壓信號(hào)，同時(shí)經(jīng)過(guò)電阻rf和電容cf并聯(lián)組成的負(fù)反饋單元連接到其自身的反相輸入端。

20、優(yōu)選地，選取lmp7715型號(hào)作為第一級(jí)放大器q1，選取lmp7721型號(hào)作為第二級(jí)放大器q2。

21、優(yōu)選地，所述無(wú)線信號(hào)采集與傳輸模塊集成了電壓信號(hào)采集模塊與無(wú)線傳輸模塊，電荷放大器輸出信號(hào)通過(guò)電壓信號(hào)采集模塊采集，并通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送給上位機(jī)，其中包括：

22、電壓信號(hào)采集模塊采用adc對(duì)五通道電荷放大器的輸出電壓進(jìn)行高頻定時(shí)采樣，將五通道模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)對(duì)應(yīng)接口將數(shù)字信號(hào)傳遞到無(wú)線傳輸模塊；

23、無(wú)線傳輸模塊接收adc發(fā)送傳遞的數(shù)字信號(hào)，隨后將接收到的數(shù)字信號(hào)通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)無(wú)線發(fā)送到上位機(jī)。

24、優(yōu)選地，所述電壓信號(hào)采集模塊的adc芯片的型號(hào)為ad7606，所述無(wú)線傳輸模塊的藍(lán)牙芯片的型號(hào)為esp32。

25、優(yōu)選地，所述x向力傳遞柔性機(jī)構(gòu)和y向力傳遞柔性機(jī)構(gòu)的切削力的合力，即徑向力，其計(jì)算公式如下所示：；其中，為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的x向切削力，為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的y向切削力。

26、優(yōu)選地，結(jié)合轉(zhuǎn)速將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的x向切削力和y向切削力轉(zhuǎn)化到固定的坐標(biāo)系中；

27、設(shè)定所述旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與固定坐標(biāo)系的夾角為，且其初始值為0；測(cè)力計(jì)的回轉(zhuǎn)速度為；當(dāng)前的時(shí)間為，則夾角的公式為：；根據(jù)夾角計(jì)算出固定坐標(biāo)系中的x向切削力和y向切削力，，?。

28、本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)突出且有益的技術(shù)效果是：

29、（1）與現(xiàn)有臺(tái)式三維測(cè)力計(jì)相比，本發(fā)明的所有機(jī)構(gòu)集成于主軸端，不受限于加工工件的尺寸，解決了銑削加工過(guò)程中力測(cè)量技術(shù)因臺(tái)式三維測(cè)力計(jì)測(cè)力面積有限而難以應(yīng)用到大尺寸零件制造加工中的問(wèn)題。

30、（2）與現(xiàn)有三分量回轉(zhuǎn)式測(cè)力計(jì)相比，本發(fā)明所述機(jī)構(gòu)具有更高的結(jié)構(gòu)剛度和系統(tǒng)頻響。

31、（3）與現(xiàn)有三分量回轉(zhuǎn)式測(cè)力計(jì)相比，本發(fā)明所述機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)中應(yīng)用了壓電陶瓷傳感器并設(shè)計(jì)了三維正交并聯(lián)解耦型柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了更高的力測(cè)量靈敏度，并降低了壓電式力測(cè)量方案的成本。

32、（4）與現(xiàn)有三分量回轉(zhuǎn)式測(cè)力計(jì)相比，本發(fā)明所述系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)特性指標(biāo)和較高的靈敏度，在x、y、z三個(gè)方向上的力測(cè)量靈敏度分別為26.9mv/n、27.9mv/n、18.5mv/n。