非接觸式車削測力儀設計與開發(fā)

呼 燁，徐明旭，張 富，曹 晉

（1.吉林大學 機械科學與工程學院，吉林 長春 130025；2.長春理工大學 光電信息學院，吉林 長春 130022）

在切削加工中，切削力是一個非常重要的參數(shù)。切削力信號含有豐富的刀具磨損信息，反映刀具的磨損情況最為直接，與刀具磨損的相關性好，信號處理的實時性強，因此可利用它作為特征量來實時在線監(jiān)測刀具磨損［1－3］。切削力還是設計和合理使用機床、刀具、夾具的重要依據(jù)［4－7］。因此設計一種高精度的切削力測量裝置很必要的。目前，我校機械制造實驗室用于測量車削力的裝置為八角環(huán)應變片式測力儀，其結構簡單、制造容易、成本低廉，可進行多個方向上分力的測量［8］，因此在切削力測量方面得到了廣泛的應用［9－11］。然而長期以來，人們對八角環(huán)應變式測力儀應變片的布片方式一直存在不同的看法，這主要是由于單個八角環(huán)和測力儀上的耳環(huán)的變形規(guī)律有一定的差異［8，12］。同時，應變片粘貼時不可避免地存在定位誤差，造成的測量誤差無法通過標定來消除。

本文針對八角環(huán)應變片式測力儀存在的不足，提出一種非接觸式切削力測力儀，以消除因貼片位置不準確造成的測量誤差。利用3個電容式位移傳感器取代應變片來測量八角環(huán)刀架在x、y、z3個方向上的變形，進而較精確計算3個方向切削力的大小。

1 八角環(huán)刀架的力學模型分析

1.1 八角環(huán)刀架的力學模型

本文以傳統(tǒng)的八角環(huán)刀架為力學模型，對其分別施加x、y、z3個方向上的力Fx、Fy和Fz，來研究八角環(huán)刀架的變形規(guī)律。為了便于分析，首先對八角環(huán)測力刀架的幾何模型進行了簡化處理（見圖1），過程如下：

（1）去掉刀架的壓緊螺栓，把車刀直接與八角環(huán)刀架粘結于一體；（2）八角環(huán)刀架后端面全約束；（3）對車刀進行剛化處理。

圖1 八角環(huán)測力刀架簡化模型

1.2 力學模型分析

刀架材料為45鋼，車刀為硬質合金，在刀尖處分別施加Fx＝1 500N、Fy＝1 500N、Fz＝2 500N，利用ANSYS軟件求解有限元模型，可以得到八角環(huán)刀架的應變分布，如圖2所示。

圖2 八角環(huán)刀架的應變分布

由圖2（a）可以看出，在刀尖處施加力Fx時，八角環(huán)刀架左側耳環(huán)受拉應力，右側耳環(huán)受壓應力，這樣八角環(huán)刀架前端沿x方向向右產生了位移，而八角環(huán)刀架前端的中間部分在y方向上未產生位移。由圖2（b）可以看出，在刀尖處施加Fy力時，所有耳環(huán)承受y方向上的壓力，使得八角環(huán)刀架前端只在y方向向后端產生了位移。圖2（c）可以看出，在刀尖處施加Fz力時，八角環(huán)刀架的上部耳環(huán)承受拉應力，下部耳環(huán)承受壓應力，即上部耳環(huán)產生拉變形，下部耳環(huán)產生壓變形。

2 位移傳感器安裝位置確定

在實際車削加工過程中，由于刀尖處承受的切削力的方向無法確定，很難直接測量到切削力的大小，為此將切削力分解為Fx、Fy和Fz3個分力，如圖3所示。傳統(tǒng)八角環(huán)應變片式測力儀通過對各面的應變進行適當?shù)慕M合，以抵消其他各分力的影響，實現(xiàn)各分力之間的解耦。本文根據(jù)八角環(huán)刀架的有限元分析結果，來確定位移傳感器的安裝位置，實現(xiàn)各分力之間的解耦。

根據(jù)上述八角環(huán)刀架力學模型的分析結果可知，當?shù)都獬惺芰x時，八角環(huán)刀架的一側耳環(huán)受拉，另一側耳環(huán)受壓，則在兩側耳環(huán)之間存在一個受力為零的平面M（見圖4），在平面M刀架材料未發(fā)生受力變形。同理，當?shù)都獾都獬惺芰z時，八角環(huán)刀架的上部耳環(huán)受拉，下部耳環(huán)受壓，耳環(huán)之間存在一個受力為零的平面N，在平面N刀架材料未發(fā)生受力變形。因此，將x、y、z軸位移傳感器安裝于平面M內，同時y軸位移傳感器軸線位于平面M與平面N的交線上。

圖3 車削加工切削力分解

圖4 位移傳感器安裝位置

3 測量原理分析

本文所述測力儀是根據(jù)八角環(huán)刀架受力時在x、y、z方向上的微位移來測量Fx、Fy、Fz的大小，減小了維間干擾，其具體分析如下：

在測量進給力Fx時，主切削力Fz及背向力Fy不會對x軸位移傳感器產生干擾，這是因為x軸位移傳感器是通過測量八角環(huán)刀架的前端與固定端之間沿x軸方向上的位移變化來測量進給力Fx大小的，且主切削力Fz使得八角環(huán)刀架產生彎曲變形，背向力Fy使得八角環(huán)刀架的前端向八角環(huán)刀架的固定端移動，即主切削力Fz和背向力Fy均不會使八角環(huán)刀架的前端和固定端在x軸方向上發(fā)生相對位移變化。

如圖5（a）所示，在測量背向力Fy時，進給力Fx也不會對y軸位移傳感器產生干擾，y軸位移傳感器是通過測量八角環(huán)刀架的前端與固定端之間沿y軸方向上的位移變化來測量背向力Fy大小的；由于y軸位移傳感器軸線在平面N內，主切削力Fz也不會對y軸位移傳感器產生干擾。同時，與八角環(huán)應變片測力儀相比，該測力儀消除了因平衡梁變形產生的測量誤差，刀架平衡梁變形如圖5（b）所示。

在測量主切削力Fz時，z軸位移傳感器是通過測量八角環(huán)刀架的前端與固定端之間沿y軸方向上的位移變化來測量主切削力Fz的，進給力Fx使得八角環(huán)刀架前端相對于固定端在x方向上產生位移，因此不會對z軸位移傳感器產生干擾；由于背向力Fy的作用會使得八角環(huán)刀架的前端與固定端之間沿y軸方向上的位移發(fā)生變化，即對z軸位移傳感器測量產生干擾。設z軸位移傳感器所測量到的變形量Δ為

圖5 八角環(huán)應變片式測力儀示意圖

式中：Δz為主切削力Fz作用于車刀刀尖部位使得八角環(huán)刀架所產生的變形量；Δy為背向力Fy作用于車刀刀尖部位使得八角環(huán)刀架所產生的變形量；K為影響因子。

得到主切削力Fz所產生的變形量為

4 總結

本文對傳統(tǒng)八角環(huán)應變片式測力儀進行了改進設計，通過對八角環(huán)刀架進行有限元分析，得出了八角環(huán)刀架的受力變形特點。根據(jù)受力變形特點，對位移傳感器的安裝進行確定。該切削測力儀可以準確測量三維切削力，并實現(xiàn)了維間解耦，消除了傳統(tǒng)應變片式測力儀中的平衡梁誤差，提高了測量精度，為刀具的磨損信息采集提供了數(shù)據(jù)基礎，為工藝參數(shù)的選擇提供了必要的信息。通過在本科生實驗教學中使用表明，該測力儀減小了傳統(tǒng)切削力存在的零點漂移，有利于學生對切削力原理的理解，取得了良好的教學效果。

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