高靈敏度測(cè)力儀及傳感器布置形式研究

張 軍，李新陽(yáng)，任宗金，錢 敏

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116024)

0 引言

在零件加工過(guò)程中，刀具磨損、刀具破損、振動(dòng)、切削溫度等因素，都會(huì)造成額外功耗或破壞加工表面的完整性甚至打斷整個(gè)加工過(guò)程[1-2]。

切削力是加工過(guò)程中的重要參數(shù)[3-5]。利用測(cè)力儀來(lái)對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控廣泛應(yīng)用于各類機(jī)床以及各種加工類別中[6-8]。受到測(cè)力儀可測(cè)量零件尺寸限制，以及靈敏度小等因素降低了其使用范圍。因此設(shè)計(jì)一種具有高靈敏度、良好靜態(tài)性能以及試用范圍廣的測(cè)力儀具有重要意義。

由于壓電石英力傳感器具有剛度高、線性好、溫度穩(wěn)定性好，并具有較高的固有頻率，相比于應(yīng)變式，壓電式更適合高動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)量[9-10]。G. Totis等研制了一種盤型測(cè)力儀[11]，由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)只適用于中心對(duì)稱的工件加工；R. Transchel等[12]研制了一種用于微加工中力測(cè)量的測(cè)力儀，適合微小件微小力測(cè)量；錢敏等[13]研制了一種通過(guò)分割電極的方式來(lái)測(cè)量軸向力、軸向扭矩以及單個(gè)側(cè)向力；張軍等[14]研制了一種應(yīng)用于深小孔鉆削的測(cè)力儀，可測(cè)量鉆削過(guò)程中的軸向力與扭矩；李小鵬等[15]研制了一種整體式切削測(cè)力儀，能夠測(cè)得三向動(dòng)態(tài)切削力，但由于整體結(jié)構(gòu)靈敏度較??；韓麗麗等[16]根據(jù)“力矩可在平面上移動(dòng)，大小不變”的原理，研制出一種無(wú)定心測(cè)力儀，可測(cè)量面域內(nèi)軸向力與扭矩。綜上，少有文章設(shè)計(jì)一種高靈敏度測(cè)力儀，能夠同時(shí)測(cè)量加工過(guò)程中三向力以及能夠測(cè)得在工件上任一點(diǎn)加工時(shí)的切削力。

針對(duì)上述問(wèn)題，基于2種切型壓電晶片各自的特點(diǎn)，提出了2種傳感器布置形式的測(cè)力儀結(jié)構(gòu)，并基于此布置方式設(shè)計(jì)了2種測(cè)力儀結(jié)構(gòu)形式。建立了其輸入與輸出之間的理論輸出模型，進(jìn)行正交標(biāo)定來(lái)確定其靜態(tài)性能，以及對(duì)工作臺(tái)上面域內(nèi)不同點(diǎn)輸出一致性進(jìn)行探究。

1 原理以及理論模型建立

1.1 測(cè)量原理

石英晶體可以分為2大切族，其中xy(x0)切型為拉壓效應(yīng)，yx(y0)切型為剪切效應(yīng)。傳統(tǒng)的用于鉆削或銑削測(cè)力儀的傳感器采用x0型晶片的拉壓效應(yīng)測(cè)量法向力，采用y0型晶片的剪切效應(yīng)來(lái)測(cè)量切向力以及扭矩。y0切型的石英晶片靈敏度是x0的2倍，合理利用該特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出高靈敏度的測(cè)力儀。

基于上述特點(diǎn)，提出一種新型傳感器布置方式——豎直布置，即利用其剪切效應(yīng)來(lái)測(cè)量主向力，提高了主向靈敏度。

根據(jù)對(duì)稱與解耦的要求，測(cè)力儀采用4個(gè)三向力傳感器?；趥鞲衅鲾?shù)量及工作臺(tái)形狀，并對(duì)4個(gè)傳感器采用2種空間布置形式，如圖1所示的菱形和矩形布置。

圖1 2種傳感器布置形式

1.2 輸出模型的建立

提出輸出模型假設(shè)：測(cè)力儀的工作臺(tái)和側(cè)面支撐架部分為剛性體；傳感器視為彈性體,剛度與靈敏度均相同；主向力通過(guò)杠桿原理作用在4個(gè)傳感器上；菱形布置的側(cè)向力傳感器軸向與剪切剛性大小分配，矩形布置的側(cè)向力則平均分配在4個(gè)傳感器上；4個(gè)傳感器預(yù)緊力大小相同。

豎直布置后，傳感器自身坐標(biāo)系，與測(cè)力儀坐標(biāo)系方向不同，定義各向力表達(dá)如下：Fx、Fy、Fz分別為測(cè)力儀三向合力；Fxi、Fyi、Fzi為第i號(hào)傳感器的三向力，其中Fxi、Fyi為剪切效應(yīng)方向，F(xiàn)zi為拉壓效應(yīng)方向。

1.2.1 菱形布置輸出模型

圖2為菱形布置結(jié)構(gòu)模型示意圖。此種布置形式下，Z向力由4個(gè)傳感器中y0型晶片的剪切效應(yīng)測(cè)量，X向力由1、3號(hào)傳感器剪切效應(yīng)及2、4號(hào)傳感器的拉壓效應(yīng)共同測(cè)量。Y向則由2、4號(hào)傳感器的剪切效應(yīng)以及1、3號(hào)傳感器的拉壓效應(yīng)測(cè)得。

圖2 菱形布置模型

當(dāng)一個(gè)空間力作用在工作臺(tái)上表面任意位置時(shí)，力的偏移以及偏角會(huì)產(chǎn)生附加力矩，導(dǎo)致每個(gè)傳感器輸出產(chǎn)生很大差異。但力矩作用產(chǎn)生的是大小相同方向相反的一對(duì)力，最終測(cè)力儀總和輸出與在中心點(diǎn)加載處模型相同。

由此作用力的公式可以表示為

Fx=Fx1-Fx3+Fz4-Fz2
Fy=Fx2-Fx4+Fz1-Fz3
Fz=-Fy1-Fy2-Fy3-Fy4

(1)

作用在工作臺(tái)上的合力可以表示為

(2)

1.2.2 矩形布置輸出模型

圖3為矩形布置結(jié)構(gòu)模型示意圖。該種布置形式下，Z向力由各傳感器中y0型晶片的剪切效應(yīng)測(cè)量，X向力由各傳感器拉壓效應(yīng)測(cè)得，Y向則由各傳感器的剪切效應(yīng)測(cè)得。

圖3 傳感器矩形布置測(cè)力儀

作用力的公式可以表示為：

Fx=Fz1-Fz2+Fz3-Fz4
Fy=Fx1-Fx2+Fx3-Fx4
Fz=Fy1+Fy2+Fy3+Fy4

(3)

通過(guò)2種布置形式下的傳感器輸出表達(dá)式，可以得出，當(dāng)力作用在工作臺(tái)的不同位置時(shí)，各個(gè)傳感器所受力不同，但測(cè)力儀每個(gè)方向各傳感器代數(shù)和不變。2種布置形式的測(cè)力儀3個(gè)方向的力的輸出均能夠測(cè)量出不同位置切削時(shí)的矢量力。

2 測(cè)力儀標(biāo)定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了減少干擾因素，設(shè)計(jì)出一套能夠同時(shí)可以組裝成2種布置形式的零件，如圖4所示。中央工作臺(tái)懸空，外側(cè)支撐板支撐結(jié)構(gòu)，每個(gè)傳感器安裝在準(zhǔn)確的位置且施加相同的預(yù)緊力。

圖4 矩形布置與菱形布置結(jié)構(gòu)圖

2.2 實(shí)驗(yàn)規(guī)劃

測(cè)力儀靜態(tài)性能包括中心點(diǎn)加載標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和多加載點(diǎn)加載標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。加載點(diǎn)位置示意圖如圖5所示，其中加載點(diǎn)1為3個(gè)方向的中心點(diǎn)。

(a)主向加載點(diǎn)示意圖

通過(guò)中心點(diǎn)標(biāo)定來(lái)獲得測(cè)力儀輸出電壓值與輸入力之間的關(guān)系，同時(shí)獲得該測(cè)力儀的線性度、重復(fù)性。通過(guò)對(duì)比不同加載點(diǎn)的輸出電壓值來(lái)獲得測(cè)力儀的面域內(nèi)輸出一致性。

在加載時(shí)，主向采用500 N的標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，側(cè)向采用200 N的標(biāo)準(zhǔn)力傳感器，分別采用5個(gè)階梯進(jìn)行加載，每個(gè)點(diǎn)加載5次，對(duì)其中3次數(shù)據(jù)取平均值進(jìn)行處理。

標(biāo)定系統(tǒng)主要由力加載裝置、電荷放大器(12臺(tái)LN5862)、數(shù)據(jù)采集卡(DT9800)、計(jì)算機(jī)及軟件(Dewesoft6)等組成，如圖6所示。

圖6 測(cè)力儀標(biāo)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 菱形布置實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)菱形布置的三向正交標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理得到測(cè)力儀性能如表1所示。

表1 菱形布置正交標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)中心點(diǎn)實(shí)驗(yàn)看出菱形布置的測(cè)力儀的三向靈敏度較高，線性誤差與重復(fù)性誤差均<1%，性能良好。

對(duì)測(cè)力儀進(jìn)行多加載點(diǎn)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柱狀圖進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。圖中不同顏色對(duì)應(yīng)不同加載點(diǎn)的輸出電壓值，曲線值對(duì)應(yīng)不同加載在該力值下的輸出最大誤差值。

(a)X方向不同加載點(diǎn)輸出

可以看出，該種布置下的測(cè)力儀能夠測(cè)量作用在工作臺(tái)上的矢量力。多加載點(diǎn)加載最大輸出誤差在滿量程加載時(shí)，其中側(cè)向輸出誤差<1.6%，而主向輸出誤差<6%。側(cè)向誤差較小，主向誤差較大。

對(duì)于主向誤差較大進(jìn)行分析，該誤差主要由于菱形布置結(jié)構(gòu)中零部件較多，裝配時(shí)容易產(chǎn)生裝配誤差，包括4個(gè)支撐板高度不同或者在預(yù)緊時(shí)單個(gè)支撐板產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，難以保證測(cè)力儀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的安裝在標(biāo)定臺(tái)上，并且零件較多導(dǎo)致調(diào)整困難，使得面域內(nèi)輸出一致性較差。

3.2 矩形布置實(shí)驗(yàn)

矩形布置中心正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出矩形布置的測(cè)力儀的三向靈敏度較高，并且線性誤差與重復(fù)性誤差均<1%，性能良好,滿足測(cè)試要求。

表2 矩形布置正交標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

與菱形布置實(shí)驗(yàn)相同，在確定靜態(tài)性能滿足要求之后，對(duì)矩形布置同樣進(jìn)行多加載點(diǎn)實(shí)驗(yàn).將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柱狀圖進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。

從圖8中可以看出，矩形布置下的測(cè)力儀同樣能夠測(cè)得作用在工作臺(tái)上的矢量力。多加載點(diǎn)加載最大輸出誤差同樣在滿量程加載時(shí)，其中側(cè)向輸出誤差<1.5%，而主向輸出誤差<1.6%。3個(gè)方向內(nèi)面域內(nèi)不同點(diǎn)加載輸出誤差較小，一致性較好，滿足測(cè)試要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種傳感器豎直布置方式的高靈敏度測(cè)力儀，用于測(cè)量銑削和鉆削過(guò)程中的動(dòng)態(tài)矢量力，并研究了傳感器的布置形式。首先其數(shù)學(xué)模型顯示2種測(cè)力儀結(jié)構(gòu)理論上能夠?qū)崿F(xiàn)力的測(cè)量，并且2種布置方式均能夠測(cè)量作用在工作臺(tái)上任一點(diǎn)的矢量力。從靜態(tài)標(biāo)定結(jié)果可以得出2種布置方式均具有較高靈敏度，并且靜態(tài)性能良好，線性度和重復(fù)性小。面域內(nèi)多加載點(diǎn)加載結(jié)果顯示2種測(cè)力儀均能夠測(cè)得空間矢量力。矩形布置的3個(gè)方向面域內(nèi)多加載點(diǎn)輸出誤差均小于1.6%，誤差小，滿足測(cè)試要求。菱形布置的側(cè)向多加載點(diǎn)輸出誤差小于1.5%，而主向輸出誤差小于6%。由于菱形結(jié)構(gòu)所需零件較多，較難達(dá)到裝配要求，導(dǎo)致誤差的產(chǎn)生。需設(shè)計(jì)專門的安裝結(jié)構(gòu)或新型安裝方法對(duì)其裝配誤差進(jìn)行約束，使得其性能達(dá)到使用要求。

(a)X方向不同加載點(diǎn)輸出