整體式壓電三向車削測力儀的研制

張 軍，王尊豪，李新陽，任宗金，錢 敏

(大連理工大學機械工程學院，遼寧大連 116024)

0 引言

在現代機械制造技術中，車削加工是主要的加工方式之一，而切削力是描述車削過程的重要參數。切削力可以反映刀具磨損或破損、機床故障、顫振等切削狀態(tài)[1-3]，故準確獲取切削力的大小有利于監(jiān)控切削過程、提高切削效率、降低零件廢品率，且對研究切削原理、切削動力學、設計機床、夾具以及評價先進刀具也具有重要意義。

由于切削條件的復雜性和不確定性使得切削力動態(tài)分量的大小很難通過理論計算和仿真的方式準確獲取，因此，使用測力儀對切削力進行測量是準確獲取切削力大小的常用且可靠的方法[4]。

近年來，國內外研究人員就車削力的準確測量開展了大量的研究工作，并基于不同測量機理研制了多種不同形式的車削測力儀，其中以應變式[5-7]和壓電式[8-10]為主。壓電式測力儀具有靜剛度高、固有頻率高、穩(wěn)定性好以及靜、動態(tài)特性良好等優(yōu)點，且不存在結構剛度與靈敏度相互制約的問題，因此適合車削力等動態(tài)力的測量。

目前壓電式車削測力儀以平臺式[11]和刀桿式[12]為主，但平臺式測力儀體積大、造價高、不宜安裝，而刀桿式測力儀雖結構簡單，但其以刀桿為結構基礎進行改造，適用性受限且不易密封。針對上述問題，同時為滿足三維動態(tài)車削力的測量要求，本文以壓電石英三向傳感器為基礎，研制了一種帶有雙彈性環(huán)結構的整體式壓電三向車削測力儀，其具有體積小、結構簡潔、易于密封和裝夾、易換刀以及適用性強等優(yōu)點。

1 測力儀結構設計

針對平臺式與刀桿式測力儀的不足之處，同時結合2種測力儀的優(yōu)點，本文設計了一種新型的壓電車削測力儀結構，如圖1所示。該測力儀由測力儀體、2個壓電石英三向傳感器以及若干預緊和密封零件組成。該形式的測力儀結構簡潔、尺寸較小，既容易裝夾又方便換刀，實際應用時使用刀架夾持測力儀底部即可實現該測力儀在機床上的安裝，使用螺栓連接的方式實現刀具的安裝及更換。此外，為在標定實驗中模擬測力儀實際受力狀態(tài)，設計了一個模擬刀桿充當加載塊。

圖1 新型車削測力儀結構預想

考慮到測力儀的結構穩(wěn)定性、密封及引線，采用2個壓電傳感器對裝的形式裝入測力儀體中并預緊，通過測力儀體底部的引線孔將傳感器的信號線引出。

為了保證壓電測力儀的測試性能，必須要保證其具有良好的密封及防護。為此提出了2種結構方案，按照結構形式將其分別命名為整體式測力儀和組合式測力儀。

整體式測力儀如圖2所示，采用了一種雙彈性環(huán)結構，傳感器內置于彈性環(huán)中，并利用預緊螺栓實現傳感器的預緊，使用密封板、螺紋堵以及密封堵實現測力儀的密封與防護。

(a)爆炸視圖 (b)裝配圖圖2 整體式測力儀

組合式測力儀如圖3所示，采用分體式的測力儀體，傳感器內置于測力儀體的凹槽中，同樣使用預緊螺栓實現傳感器的預緊，使用密封圈、螺紋堵以及密封堵實現測力儀的密封與防護。顯然，該形式測力儀的密封性受預緊力影響。

(a)爆炸視圖 (b)裝配圖圖3 組合式測力儀

經分析，得出2種方案的優(yōu)劣如表1所示。

表1 2種方案對比

由于動態(tài)車削力的測量對車削測力儀的固有頻率以及密封性有著嚴格的要求，因此采用整體式測力儀結構方案。

整體式測力儀實物圖如圖4所示，其整體尺寸為130 mm×74.5 mm×30 mm。由于壓電傳感器的切向力的測量能力依賴于預緊提供的正壓力，且預緊起著消除傳感器內外間隙、提升測力儀整體剛度的作用，因此傳感器的預緊對壓電測力儀來說很重要。根據三向量程為1 500 N的測量要求，利用預緊螺栓對每個傳感器施加20 000 N的預緊力。

圖4 整體式車削測力儀

2 車削力測量原理

測力儀的測量原理如下：切削過程中產生的車削力將從刀尖傳遞至測力儀內部的壓電石英傳感器，傳感器受進給(X向)力作用時其內部石英晶片的拉壓效應作用，受主切削(Z向)力和徑向(Y向)力作用時其內部石英晶片的剪切效應作用，故傳感器將產生與所受車削力三分量成比例的三路電荷輸出，并輸入至高精度壓電測試系統轉化為數字信號以便存儲和分析。

本文采用的高精度壓電測試系統的組成如圖5所示。由于傳感器產生的電荷信號很微弱且不易保持住，故須使用高阻抗、高增益的電荷放大器將測力儀的電荷輸出轉化為電壓信號，然后使用高精度數據采集卡DT9804實現電壓信號的采集及A/D轉換，最終將信號輸入至計算機中，并利用DEWEsoft軟件顯示和處理數據。

圖5 壓電測試系統

3 測力儀的性能評估

3.1 測力儀的靜態(tài)性能

為評估測力儀的靜態(tài)性能，需要對測力儀進行靜態(tài)標定以獲取其各項性能指標。本文將采用一套高精度標定系統[13]對研制的測力儀進行靜態(tài)標定。該系統包括高剛度標定平臺、力源發(fā)生器、標準力傳感器、電荷放大器、數據采集卡、計算機及DEWEsoft軟件等，如圖6所示。

圖6 高精度標定系統

實驗時采用階梯加載的方式沿測力儀3個特征方向分別反復加載3次，以測力儀量程的20%為一個階梯，測力儀3個方向的標定點均為300 N、600 N、900 N、1 200 N和1 500 N，加載力值由標準力傳感器實時獲取并在計算機軟件中顯示。使用線性最小二乘法將加載力值和輸出的電壓信號進行擬合，可得測力儀3個特征方向的輸出特性直線，如圖7所示。

根據文獻[14]中公式計算得出測力儀的各項靜態(tài)性能指標如表2所示。

表2 測力儀靜態(tài)性能指標

由圖7和表2可知，測力儀靜態(tài)特性良好，各向非線性誤差和重復性誤差均小于1%，向間干擾均小于5%，可滿足CIRP標準的壓電測力儀靜態(tài)性能指標要求[4]。

(a)X向輸出特性

3.2 測力儀的動態(tài)性能

車削力包括靜態(tài)分量和動態(tài)分量2部分，故車削力的準確測量要求測力儀具有良好的時間響應和頻率響應，即具有高的固有頻率。在圖6所示的標定系統的基礎上，采用錘擊法獲取測力儀的固有頻率。實驗時將測力儀放置在軟基上，利用DEWEsoft軟件對測力儀受沖擊力產生的輸出信號進行FFT變換，得到測力儀X、Y、Z方向的一階固有頻率分別為5 110.47 Hz、6 412.50 Hz和6 721.74 Hz，可滿足CIRP標準的壓電測力儀固有頻率要求[4]。

4 結束語

本文研制出的新型測力儀可彌補現有壓電式車削測力儀結構上的不足，具有結構簡潔、尺寸小、容易裝夾、方便換刀等優(yōu)點。實驗結果表明，該測力儀具有優(yōu)良的靜、動態(tài)性能，各向非線性誤差和重復性誤差均小于1%，向間干擾均小于5%，三向固有頻率均大于5 000 Hz，滿足了壓電式車削測力儀的性能指標要求，可實現動態(tài)車削力的準確測量。