一種快速刀具伺服車削的三向切削力測(cè)量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于超精密切削、切削力測(cè)量和光學(xué)零件切削加工等技術(shù)領(lǐng)域，涉及 一種快速刀具伺服車削的三向切削力測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)雜光學(xué)自由曲面的制造是精密制造的重要研究?jī)?nèi)容，例如非回轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)自由 曲面的制造。非回轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)自由曲面是一種沒(méi)有任何對(duì)稱軸的光學(xué)自由曲面，具有該曲 面的光學(xué)元件廣泛應(yīng)用在民用和軍事領(lǐng)域中，極大地改善了光學(xué)系統(tǒng)的性能。加工具有非 回轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)自由曲面的零件的一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)是快速刀具伺服，該項(xiàng)技術(shù)是在車床溜板 上安裝具備快速高頻響應(yīng)能力的刀具微進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)，具有精度高，效率高，成本低等優(yōu) 點(diǎn)。快速刀具伺服除了可以實(shí)現(xiàn)非回轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)自由曲面的高效、精密加工之外，還可以實(shí) 現(xiàn)誤差補(bǔ)償，加工微陣列光學(xué)元件等。
[0003] 快速刀具伺服技術(shù)可用于實(shí)現(xiàn)刀具相對(duì)于工件的快速往復(fù)進(jìn)給，消除機(jī)床重復(fù)性 誤差。研究快速刀具伺服加工的切削力具有重要的意義:第一，快速刀具伺服加工的切削力 可以有效反映快速刀具伺服機(jī)構(gòu)的加工過(guò)程，有助于監(jiān)測(cè)刀具磨損情況;第二，切削力的大 小和方向?qū)τ诳焖俑哳l進(jìn)給加工質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，準(zhǔn)確測(cè)量切削力有助于揭示快 速刀具伺服的切削加工機(jī)理；第三，有助于預(yù)測(cè)已加工表面的表面質(zhì)量，評(píng)估材料的切削 性;第四，為快速刀具伺服基于切削力的主動(dòng)控制打下基礎(chǔ)。因此在快速刀具伺服中集成切 削力測(cè)量系統(tǒng)是十分必要的，而現(xiàn)有的具有切削力測(cè)量功能的快速刀具伺服機(jī)構(gòu)只能測(cè)量 單向切削力，且以測(cè)量Z向切削力為主，目前主要有兩種技術(shù)方案:一種將壓力傳感器置于 快速刀具伺服機(jī)構(gòu)的近刀具端，另一種將壓力傳感器置于快速刀具伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器的后 方。其中，后一種方案所測(cè)出的切削力含有的驅(qū)動(dòng)力成分較大，導(dǎo)致切削力測(cè)量的準(zhǔn)確性較 前一種方案的低。這兩種布局方案均無(wú)法將三向切削力全部測(cè)出，而且在切削力測(cè)量方向 會(huì)受到壓電疊堆驅(qū)動(dòng)力的干擾，導(dǎo)致壓力傳感器的測(cè)量值中含有壓電疊堆的驅(qū)動(dòng)力成分， 所以無(wú)法準(zhǔn)確地測(cè)出全部的快速刀具伺服加工的切削力。而目前用于測(cè)量普通車削切削力 的三向測(cè)力儀存在體積較大，響應(yīng)頻率較低等問(wèn)題，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)也沒(méi)有考慮在彈性基礎(chǔ) 上測(cè)量切削力的問(wèn)題，所以用于測(cè)量普通車削切削力的三向測(cè)力儀不適用于快速刀具伺服 車削切削力的嵌入式精密測(cè)量。
[0004] 綜上所述，為了克服這些不足之處，提高快速刀具伺服切削力測(cè)量的準(zhǔn)確性和全 面性，本實(shí)用新型提出了一種快速刀具伺服車削的三向切削力測(cè)量方法，并設(shè)計(jì)了一種具 有三向切削力測(cè)量功能的快速刀具伺服機(jī)構(gòu)，其主要構(gòu)成包括:基體、壓電疊堆、電容位移 傳感器、三個(gè)壓力傳感器、T形杠桿式刀架、金剛石車刀等，其中壓電疊堆的驅(qū)動(dòng)方向沿Z向， 三個(gè)壓力傳感器的測(cè)量方向均為Y向，壓電疊堆的驅(qū)動(dòng)方向和壓力傳感器的測(cè)量方向垂直， 所以，壓電疊堆的驅(qū)動(dòng)力不會(huì)干擾三個(gè)壓力傳感器的切削力的測(cè)量。并將其切削力測(cè)量系 統(tǒng)做了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)切削力測(cè)量系統(tǒng)做動(dòng)力學(xué)分析，可得出了 XYZ三向切削力真值 與對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值的關(guān)系式，將所測(cè)的實(shí)測(cè)值代入關(guān)系式中，即求得出三向切削力真值。實(shí)現(xiàn) 本實(shí)用新型的方法及裝置具有切削力測(cè)量全面、準(zhǔn)確性較高、避免壓電疊堆驅(qū)動(dòng)力對(duì)切削 力測(cè)量的干擾等優(yōu)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實(shí)用新型提供一種快速刀具伺服車削的三向切削力測(cè)量裝置，以解決目前具有 切削力測(cè)量功能的快速刀具伺服裝置的不能同時(shí)測(cè)量三向切削力、所測(cè)量的切削力測(cè)量值 含有驅(qū)動(dòng)力成分等問(wèn)題。
[0006] 本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案是:底座安裝在機(jī)床的溜板上，基體以底座后方的凸 起部分為定位面安裝在底座上，電容位移傳感器固定架安裝在底座上，電容位移傳感器固 定安裝在電容位移傳感器固定架上，Z向預(yù)緊塊通過(guò)Z向直板型柔性鉸鏈與基體連為一體， 移動(dòng)平臺(tái)通過(guò)Z向直圓型柔性鉸鏈與基體連為一體，壓電疊堆預(yù)緊螺釘通過(guò)推動(dòng)Z向預(yù)緊塊 將Z向壓電疊堆預(yù)緊在Z向預(yù)緊塊與移動(dòng)平臺(tái)之間，金剛石車刀緊定螺釘將金剛石車刀安裝 在T形杠桿式刀架上，壓力傳感器一、壓力傳感器二、壓力傳感器三安裝在移動(dòng)平臺(tái)和T形杠 桿式刀架之間。
[0007] 本實(shí)用新型所述T形杠桿式刀架的結(jié)構(gòu)是：T形刀座上具有定位金剛石車刀的塊 體，單向直圓型柔性鉸鏈一與單向直圓型柔性鉸鏈二垂直布置，單向直圓型柔性鉸鏈一通 過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)一與單向直圓型柔性鉸鏈二連為一體，T形刀座分別通過(guò)單向直圓型柔性鉸鏈一、轉(zhuǎn) 臺(tái)一、單向直圓型柔性鉸鏈二、Y向運(yùn)動(dòng)塊、Y向直板型柔性鉸鏈與T形杠桿式刀架底座連為 一體，轉(zhuǎn)臺(tái)二通過(guò)單向直圓型柔性鉸鏈三與T形刀座的前端連為一體，轉(zhuǎn)臺(tái)三通過(guò)單向直圓 型柔性鉸鏈四與T形刀座的前端連為一體，轉(zhuǎn)臺(tái)四通過(guò)雙向直圓型柔性鉸鏈與T形刀座的后 端連為一體，轉(zhuǎn)臺(tái)二、轉(zhuǎn)臺(tái)三與轉(zhuǎn)臺(tái)四呈等腰三角形分布，其中轉(zhuǎn)臺(tái)四位于該等腰三角形的 頂點(diǎn)。
[0008] 本實(shí)用新型T形杠桿式刀架底座以移動(dòng)平臺(tái)前端突出部分的上表面為定位面安裝 在移動(dòng)平臺(tái)上，Z向壓電疊堆通過(guò)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)，帶動(dòng)T形杠桿式刀架、金剛石車刀及三個(gè)壓 力傳感器一起做Z向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，金剛石車刀緊定螺釘貫穿金剛石車刀和T形杠桿式刀架且連 接于移動(dòng)平臺(tái)上，金剛石車刀緊定螺釘一方面將金剛石車刀固定在T形杠桿式刀架上，一方 面起到預(yù)緊壓力傳感器一、壓力傳感器二、壓力傳感器三的作用，以提高三向切削力測(cè)量的 準(zhǔn)確性，轉(zhuǎn)臺(tái)二、轉(zhuǎn)臺(tái)三與轉(zhuǎn)臺(tái)四用于分別壓緊壓力傳感器一、壓力傳感器二和壓力傳感器 三，壓力傳感器一、壓力傳感器二和壓力傳感器三成等腰三角形分布，壓力傳感器一和壓力 傳感器二分別位于該等腰三角形的底邊上的兩端，壓力傳感器三位于該等腰三角形的頂 點(diǎn)，金剛石車刀緊定螺釘位于該等腰三角形的底邊上的中線上，金剛石車刀的刀尖距離壓 力傳感器一和壓力傳感器二的X向距離相等，且在Y向投影到等腰三角形底邊的中點(diǎn)。
[0009] 本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)及有益效果:本實(shí)用新型采用三個(gè)壓力傳感器的等腰三角形布 置形式，通過(guò)建立動(dòng)力學(xué)模型，求得了 XYZ三向切削力真值與實(shí)測(cè)值的表達(dá)式，在快速刀具 伺服裝置中集成了切削力測(cè)量系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)了三向切削力的測(cè)量;三個(gè)壓力傳感器均為Y 向布置，而壓電疊堆為Z向布置，壓力傳感器的測(cè)量方向與壓電疊堆的驅(qū)動(dòng)方向相互垂直， 所以切削力的測(cè)量不受壓電疊堆驅(qū)動(dòng)力的影響；為以后的快速刀具伺服系統(tǒng)的基于三向切 削力的主動(dòng)控制打下基礎(chǔ)。
【附圖說(shuō)明】

[00?0]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0011] 圖2是本實(shí)用新型的剖視圖；
[0012] 圖3是本實(shí)用新型的俯視圖；
[0013]圖4是本實(shí)用新型的正視圖；
[0014]圖5是本實(shí)用新型的切削力測(cè)量系統(tǒng)的示意圖；
[0015]圖6是Z向切削力真值Fra作用于切削力測(cè)量系統(tǒng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)部分示意圖；
[0016]圖7是Y向切削力真值Fcy作用于切削力測(cè)量系統(tǒng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)部分示意圖；
[0017]圖8是X向切削力真值Frat作用于切削力測(cè)量系統(tǒng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)部分示意圖；
[0018]圖9是本實(shí)用新型基體的不意圖；
[0019] 圖10是本實(shí)用新型基體的俯視圖；
[0020] 圖11是本實(shí)用新型T形杠桿式刀架示意圖；
[0021 ]圖12是本實(shí)用新型T形杠桿式刀架左視圖；
[0022]圖13是本實(shí)用新型T形杠桿式刀架正視圖；
[0023]圖14是本實(shí)用新型T形杠桿式刀架俯視圖；
[0024]圖15是本實(shí)用新型底座的示意圖；
[0025]圖16是切削力測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量Z向切削力時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型；
[0026]圖17是切削力測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量Y向切削力時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型的X向視圖；
[0027]圖18是切削力測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量Y向切削力時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型的Z向視圖；
[0028]圖19是切削力測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量X向切削力時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 采用壓力傳感器一 11、壓力傳感器二13和壓力傳感器三14在Y向等腰三角布置形 式，可在進(jìn)行Z向快速高頻加工工件的同時(shí)，能避免Z向壓電疊堆6的Z向驅(qū)動(dòng)力對(duì)切削力測(cè) 量準(zhǔn)確性的干擾，從而較為準(zhǔn)確地測(cè)出X、Y、Z三向切削力。
[0030] -種快速刀具伺服車削的三向切削力測(cè)量裝置，其構(gòu)成主要包括:底座1、電容位 移傳感器固定架2、基體3、電容位移傳感器4、壓電疊堆預(yù)緊螺釘5、Ζ向壓電疊堆6、緊定螺釘 一 7、金剛石車刀緊定螺釘8、金剛石車刀9、Τ形杠桿式刀架10、壓力傳感器一 11、緊定螺釘二 12、壓力傳感器二13、壓力傳感器三14、緊定螺釘三15、緊定螺釘四16。
[0031] 底座1安裝在機(jī)床的溜板上，基體3以底座1后方的凸起部分為定位面，通過(guò)緊定螺 釘一7安裝在底座1上，電容位移傳感器固定架2通過(guò)緊定螺釘三15安裝在底座1上，電容位 移傳感器4通過(guò)緊定螺釘四16固定在電容位移傳感器固定架2上，Z向預(yù)緊塊303通過(guò)Z向直 板型柔性鉸鏈304與基體3連為一體，移動(dòng)平臺(tái)302通過(guò)Z向直圓型柔性鉸鏈301與基體3連為 一體，壓電疊堆預(yù)緊螺栓5通過(guò)推動(dòng)Z向預(yù)緊塊303將Z向壓電疊堆6預(yù)緊在Z向預(yù)緊塊303與 移動(dòng)平臺(tái)302之間，金剛石車刀緊定螺釘8將金剛石車刀9安裝在T形杠桿式刀架10上，壓力 傳感器一 11、壓力傳感器二13、壓力傳感器三14安裝在移動(dòng)平臺(tái)302和T形杠桿式刀架10之 間。
[0032] T形刀座1012上具有定位金剛石車刀9的塊體1001，單向直圓型柔性鉸鏈一 1009與 單向直圓型柔性鉸鏈二1011垂直布置，單向直圓型柔性鉸鏈一 1009通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)一 1002與單向 直圓型柔性鉸鏈二1011連為一體，T形刀座1012分別通過(guò)單向直圓型柔性鉸鏈一 1009、轉(zhuǎn)臺(tái) 一 1002、單向直圓型柔性鉸鏈二1011、Y向運(yùn)動(dòng)塊1013、Y向直板型柔性鉸鏈1004與T形杠桿 式刀架底座1014連為一體，轉(zhuǎn)臺(tái)二1003通過(guò)單向直圓型柔性鉸鏈三1010與T形刀座1012的 前端連為一體，轉(zhuǎn)臺(tái)三1005通過(guò)單向直圓型柔性鉸鏈四1006與T形刀座1012的前端連為一 體，轉(zhuǎn)臺(tái)四1007通過(guò)雙向直圓型柔性鉸鏈1008與T形刀座1012的后端連為一體，轉(zhuǎn)臺(tái)二 1003、轉(zhuǎn)臺(tái)三1005與轉(zhuǎn)臺(tái)四1007呈等腰三角形分布，其中轉(zhuǎn)臺(tái)四1007位于該等腰三角形的 頂點(diǎn)。
[0033]切削力測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是:T形杠桿式刀架底座1014以移動(dòng)平臺(tái)302前端突出部分 的上表面為定位面，通過(guò)緊定螺釘二12安裝在移動(dòng)平臺(tái)302上，Z向壓電疊堆6通過(guò)驅(qū)動(dòng)移動(dòng) 平臺(tái)302，帶動(dòng)T形杠桿式刀架10、金剛石車刀9及三個(gè)壓力傳感器一起做Z向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，金剛 石車刀緊定螺釘8貫穿金剛石車刀9和T形杠桿式刀架10且連接于移動(dòng)平臺(tái)302上，金剛石車 刀緊定螺釘8-方面將金剛石車刀9固定在T形杠桿式刀架10上，一方面起到預(yù)緊壓力傳感 器一 11、壓力傳感器二13、壓力傳感器三14的作用，以提高三向切削力測(cè)量的準(zhǔn)確性，轉(zhuǎn)臺(tái) 二1003、轉(zhuǎn)臺(tái)三1005與轉(zhuǎn)臺(tái)四1007用于分別壓緊壓力傳感器一 11、壓力傳感器二13和壓力 傳感器三14,壓力傳感器一 11、壓力傳感器二13和壓力傳感器三14成等腰三角形分布，壓力 傳感器一 11和壓力傳感器二13分別位于該等腰三角形的底邊上的兩端，壓力傳感器14位于 該等腰三角形的頂點(diǎn)，金剛石車刀緊定螺釘8位于該等腰三角形的底邊上的中線上;金剛石 車刀9刀尖距離壓力傳感器一 11和壓力傳感器二13的X向距離相等，且在Y向投影到等腰三 角形底邊的中點(diǎn)。
[0034]本實(shí)用新型的工作過(guò)程及三向切削力真值的求解：
[0035] 將所述的快速刀具伺服裝置安裝在車床的溜板上，啟動(dòng)車床，給Z向壓電疊堆施加 一定的電壓信號(hào)，則快速刀具伺服裝置的金剛石車刀會(huì)沿Z向往復(fù)切削旋轉(zhuǎn)的工件，從而加 工出所要求的表面，與此同時(shí)，金剛石車刀會(huì)受到切削力的作用，可將該切削力在正交坐標(biāo) 系中分解為XYZ三向切削力，通過(guò)分析T型杠桿式刀架、預(yù)緊螺釘和三個(gè)Y向布置的壓力傳感 器組成的切削力測(cè)量系統(tǒng)，分別建立求解XYZ三向切削力真值的動(dòng)力學(xué)模型，分析這三個(gè)動(dòng) 力學(xué)模型，即可求得XYZ三向切削力真值關(guān)于切削力實(shí)測(cè)值的表達(dá)式：
[0036] ①金剛石車刀和T形杠桿式刀架的整體將在分力Fcz的作用下繞Tcz點(diǎn)振動(dòng)，經(jīng)過(guò)動(dòng) 力學(xué)分析，可求得Z向切削力測(cè)量值與Z向切削力真值F cz的關(guān)系，其中Z向切削力測(cè)量值由壓 力傳感器三給出。
[0037] ②金剛石車刀和T形杠桿式刀架的整體將在分力Fct的作用下繞Tcy點(diǎn)振動(dòng)，經(jīng)過(guò)動(dòng) 力學(xué)分析，可求得Y向切削力測(cè)量值與Y向切削力真值F ct的關(guān)系，其中Y向切削力測(cè)量值由壓 力傳感器一和壓力傳感器二給出。
[0038] ③金剛石車刀和T形杠桿式刀架的整體將在分力Fcx的作用下繞Tcx點(diǎn)振動(dòng)，經(jīng)過(guò)動(dòng) 力學(xué)分析，采用差動(dòng)算法，可求得X向切削力測(cè)量值與X向切削力真值F cx的關(guān)系，其中X向切 削力測(cè)量值由壓力傳感器一和壓力傳感器二給出。
[0039] -種快速刀具伺服車削的三向切削力測(cè)量方法，其實(shí)施步驟如下：
[0040] (1)將壓力傳感器一 11、壓力傳感器二13和壓力傳感器三14沿Y向立著安裝在快速 刀具伺服機(jī)構(gòu)的微動(dòng)平臺(tái)302上，其中壓力傳感器一 11和壓力傳感器二13安裝在前端，壓力 傳感器三14安裝在微動(dòng)平臺(tái)302的內(nèi)部，壓力傳感器一 11、壓力傳感器二13和壓力傳感器三 14成等腰三角形分布，壓力傳感器一 11和壓力傳感器二13位于該等腰三角形的底邊上，壓 力傳感器三14位于頂點(diǎn)；
[0041] (2)用T形杠桿式刀架10壓緊壓力傳感器一 11、壓力傳感器二13和壓力傳感器三 14,金剛石車刀9安裝在T形杠桿式刀架10上，并與T形杠桿式刀架10緊密結(jié)合在一起。壓力 傳感器一 11、壓力傳感器13、壓力傳感器三14、T形杠桿式刀架10、金剛石車刀9和微動(dòng)平臺(tái) 302共同組成快速刀具伺服機(jī)構(gòu)的切削力測(cè)量系統(tǒng)；
[0042] (3)將具有切削力測(cè)量系統(tǒng)的快速刀具伺服裝置安裝在車床的溜板上，車床主軸 帶動(dòng)工件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，快速刀具伺服裝置驅(qū)動(dòng)金剛石車刀9對(duì)工件進(jìn)行往復(fù)切削，從而在金 剛石車刀9上產(chǎn)生切削力F c，其分力為Z向切削力真值Fcz、Y向切削力真值Fcy、Χ向切削力真值 Fcx ；
[0043] (4)金剛石車刀9和T形杠桿式刀架10的整體將在分力Fcz的作用下繞T cz點(diǎn)振動(dòng)，經(jīng) 過(guò)動(dòng)力學(xué)分析，可求得Z向切削力測(cè)量值與Z向切削力真值Fcz的關(guān)系，其中Z向切削力測(cè)量值 由壓力傳感器三14給出；
[0044] (5)金剛石車刀9和T形杠桿式刀架10的整體將在分力Fct的作用下繞T ct點(diǎn)振動(dòng)，經(jīng) 過(guò)動(dòng)力學(xué)分析，可求得Y向切削力測(cè)量值與Y向切削力真值Fct的關(guān)系，其中Y向切削力測(cè)量值 由壓力傳感器一11和壓力傳感器二13給出；
[0045] (6)金剛石車刀9和T形杠桿式刀架10的整體將在分力Fcx的作用下繞T cx點(diǎn)振動(dòng)，經(jīng) 過(guò)動(dòng)力學(xué)分析，采用差動(dòng)算法，可求得X向切削力測(cè)量值與X向切削力真值Fcx的關(guān)系，其中X 向切削力測(cè)量值由壓力傳感器一 11和壓力傳感器二13給出。
[0046]測(cè)量Z向切削力真值的動(dòng)力學(xué)模型：
[0047] 圖16為測(cè)量Z向切削力真值的動(dòng)力學(xué)模型，設(shè):FczSz向切削力真值，F(xiàn)ctSy向切削 力真值，F(xiàn)s 3為壓力傳感器三14的測(cè)量值，F(xiàn)Az向壓電疊堆6的驅(qū)動(dòng)力，M1為金剛石車刀9與T 形杠桿式刀架10的整體在Fcz的作用下的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，MS為壓力傳感器的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，Zsz(t)是壓 力傳感器三14在F cz作用下的壓縮量，&是金剛石車刀緊定螺釘8的螺栓連接阻尼，Cs是壓力 傳感器的阻尼，F(xiàn) pre和F'pre是金剛石車刀緊定螺釘8的預(yù)緊力，1^為金剛石車刀緊定螺釘8的 螺栓連接剛度，k B為柔性轉(zhuǎn)臺(tái)的扭轉(zhuǎn)剛度，ks為壓力傳感器的剛度，1^點(diǎn)為金剛石車刀9與T 形杠桿式刀架10的整體在Fcz的作用下的扭轉(zhuǎn)點(diǎn)，位于單向直圓型柔性鉸鏈一 1009、單向直 圓型柔性鉸鏈三1010和單向直圓型柔性鉸鏈四1006的扭轉(zhuǎn)處，Tcy點(diǎn)為金剛石車刀9與T形杠 桿式刀架10的整體在F cy的作用下的扭轉(zhuǎn)點(diǎn)，位于雙向直圓型柔性鉸鏈1008的扭轉(zhuǎn)處，Oz點(diǎn) 為金剛石車刀9與T形杠桿式刀架10的整體在?。 2的作用下的運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)心，1^為02點(diǎn)到1^ 點(diǎn)的Z向距離，Lb為0 2點(diǎn)到1^點(diǎn)的Z向距離，Lc為金剛石車刀9的刀尖到Tcy點(diǎn)或Tcz點(diǎn)的Y向距 離。如圖6所示，當(dāng)切削力測(cè)量系統(tǒng)受到Z向切削力真值的作用時(shí)，金剛石車刀9與T形杠桿式 刀架10的整體會(huì)繞T cz點(diǎn)擺動(dòng)。因?yàn)榻饎偸嚨毒o定螺釘8距離Tcy點(diǎn)和Tcz點(diǎn)的距離相等，所 以壓力傳感器三14所受的預(yù)緊力為l/2F' pre。則測(cè)量Z向切削力所需的動(dòng)力學(xué)方程為：
[0048]
、.1 )
[0050] (Ia)
[0049] 其中:M'z為阻尼力扭矩，1!'為慣性力扭矩。
[0051 ] (Ib)
[0052]壓力傳感器三14的測(cè)量值Fs3為：
[0053]
(2)
[0054] 由于壓電驅(qū)動(dòng)的微動(dòng)平臺(tái)302是欠阻尼的，所以CjPCs可以忽略。則Fcz與壓力傳感 器三14的測(cè)量值F s3的關(guān)系為：
[0055] (.3)
[0056]
[0057] (3a)
[0058] 測(cè)量Y向切削力真值的動(dòng)力學(xué)模型：
[0059]當(dāng)切削力測(cè)量系統(tǒng)受到Y(jié)向切削力真值的作用時(shí)，金剛石車刀9、T形刀座1012及Y 向運(yùn)動(dòng)塊1013組成的整體會(huì)在Y向直板型柔性鉸鏈1004的引導(dǎo)下繞Tcy點(diǎn)擺動(dòng)，如圖7所示。 圖17為測(cè)量Y向切削力的動(dòng)力學(xué)模型的X向左視圖，圖18為測(cè)量Y向切削力的動(dòng)力學(xué)模型的Z 向正視圖，設(shè):Fcy為Y向切削力真值，F(xiàn)sy為壓力傳感器一 11或壓力傳感器二13對(duì)應(yīng)于Y向切 肖IJ力的測(cè)量值，F(xiàn)sl為壓力傳感器一 11的總測(cè)量值，F(xiàn)s2為壓力傳感器二13的總測(cè)量值，M2為金 剛石車刀9與T形杠桿式刀架10的整體在作用下的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，M s為壓力傳感器一 11或二 13的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，Oy為金剛石車刀9與T形杠桿式刀架10的整體在Fct的作用下的運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì) 心，Ld為O y點(diǎn)到Tcy點(diǎn)的Z向距離，Le為OjJljTcz點(diǎn)的Z向距離，1?是￥向直板型柔性鉸鏈1004的 剛度，&是￥向直板型柔性鉸鏈1004的阻尼。O y距壓力傳感器一 11中心線的Z向距離與距壓力 傳感器二13中心線的Z向距離相等，均為L(zhǎng)f，且整個(gè)切削力測(cè)量系統(tǒng)是對(duì)稱的，所以壓力傳 感器一 11與壓力傳感器二13的壓縮量在Fcy的作用下相同，均為Zsy(t)。
[0060] 測(cè)量Y向切削力需要的動(dòng)力學(xué)方程為：
[0061]
[0062]
[0063]
[0064]
[0065] 壓力傳感器一11或壓力傳感器二13的測(cè)量值Fsy為：
[0066:
[0067:
[0068:
[0069：
[0070:
[0071]測(cè)量X向切削力真值的動(dòng)力學(xué)模型：
[0072] X向的切削力真值采用差動(dòng)算法來(lái)測(cè)得，測(cè)量X向切削力的動(dòng)力學(xué)模型的Z向視圖 如圖19所示，設(shè):Fcx為X向切削力真值，且方向向左，則壓力傳感器二13受拉，壓力傳感器一 11受壓，且變形量相同，F(xiàn) sx為壓力傳感器一 11或壓力傳感器二13對(duì)應(yīng)于X向切削力的測(cè)量 值，M3為金剛石車刀9與T形杠桿式刀架10的整體在F cx的作用下的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，Tcx為金剛石車 刀9與T形杠桿式刀架10的整體在Fcx的作用下的扭轉(zhuǎn)點(diǎn)，位于單向直圓型柔性鉸鏈二1011的 扭轉(zhuǎn)處，O x為金剛石車刀9與T形杠桿式刀架10的整體在Fcx的作用下的運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)心，Lg 為金剛石車刀9的刀尖到Tcx點(diǎn)的Y向距離，U為Ox到Tcx點(diǎn)的Y向距離，Z sx(t)是壓力傳感器一 11或二13在Fcx的作用下的變形量，Zsl(t)和Z s2(t)分別是壓力傳感器一 11和二13在Fcx和Fcy 的合力下的總變形量，壓力傳感器一 11和二13所受的預(yù)緊力均為nF'pre，n為一個(gè)系數(shù)。如圖 8所示，當(dāng)切削力測(cè)量系統(tǒng)受到X向切削力真值的作用時(shí)，金剛石車刀9和T形刀座1012組成 的整體會(huì)繞!》點(diǎn)擺動(dòng)。
[0073] X向切削力測(cè)量的動(dòng)力學(xué)模型為：
[0074]
[0075]
[0076]
[0077]
[0078] 壓力傳感器一 11或壓力傳感器二13對(duì)應(yīng)于X向切削力的測(cè)量值Fsx為：
[0079]
(8)
[0080] 同理，忽略阻尼，則Fcx的表達(dá)式為：
[0081]
[0082]
[0083]
[0084]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種快速刀具伺服車削的三向切削力測(cè)量裝置，其特征在于:底座安裝在機(jī)床的溜 板上，基體以底座后方的凸起部分為定位面安裝在底座上，電容位移傳感器固定架安裝在 底座上，電容位移傳感器固定安裝在電容位移傳感器固定架上，Z向預(yù)緊塊通過(guò)Z向直板型 柔性鉸鏈與基體連為一體，移動(dòng)平臺(tái)通過(guò)Z向直圓型柔性鉸鏈與基體連為一體，壓電疊堆預(yù) 緊螺釘通過(guò)推動(dòng)Z向預(yù)緊塊將Z向壓電疊堆預(yù)緊在Z向預(yù)緊塊與移動(dòng)平臺(tái)之間，金剛石車刀 緊定螺釘將金剛石車刀安裝在T形杠桿式刀架上，壓力傳感器一、壓力傳感器二、壓力傳感 器三安裝在移動(dòng)平臺(tái)和T形杠桿式刀架之間。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速刀具伺服車削的三向切削力測(cè)量裝置，其特征在于， T形杠桿式刀架的結(jié)構(gòu)是:T形刀座上具有定位金剛石車刀的塊體，單向直圓型柔性鉸鏈一 與單向直圓型柔性鉸鏈二垂直布置，單向直圓型柔性鉸鏈一通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)一與單向直圓型柔性 鉸鏈二連為一體，T形刀座分別通過(guò)單向直圓型柔性鉸鏈一、轉(zhuǎn)臺(tái)一、單向直圓型柔性鉸鏈 二、Y向運(yùn)動(dòng)塊、Y向直板型柔性鉸鏈與T形杠桿式刀架底座連為一體，轉(zhuǎn)臺(tái)二通過(guò)單向直圓 型柔性鉸鏈三與T形刀座的前端連為一體，轉(zhuǎn)臺(tái)三通過(guò)單向直圓型柔性鉸鏈四與T形刀座的 前端連為一體，轉(zhuǎn)臺(tái)四通過(guò)雙向直圓型柔性鉸鏈與T形刀座的后端連為一體，轉(zhuǎn)臺(tái)二、轉(zhuǎn)臺(tái) 三與轉(zhuǎn)臺(tái)四呈等腰三角形分布，其中轉(zhuǎn)臺(tái)四位于該等腰三角形的頂點(diǎn)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速刀具伺服車削的三向切削力測(cè)量裝置，其特征在于： T形杠桿式刀架底座以移動(dòng)平臺(tái)前端突出部分的上表面為定位面安裝在移動(dòng)平臺(tái)上，Z向壓 電疊堆通過(guò)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)，帶動(dòng)T形杠桿式刀架、金剛石車刀及三個(gè)壓力傳感器一起做Z向 往復(fù)運(yùn)動(dòng)，金剛石車刀緊定螺釘貫穿金剛石車刀和T形杠桿式刀架且連接于移動(dòng)平臺(tái)上，金 剛石車刀緊定螺釘一方面將金剛石車刀固定在T形杠桿式刀架上，一方面起到預(yù)緊壓力傳 感器一、壓力傳感器二、壓力傳感器三的作用，以提高三向切削力測(cè)量的準(zhǔn)確性，轉(zhuǎn)臺(tái)二、轉(zhuǎn) 臺(tái)三與轉(zhuǎn)臺(tái)四用于分別壓緊壓力傳感器一、壓力傳感器二和壓力傳感器三，壓力傳感器一、 壓力傳感器二和壓力傳感器三成等腰三角形分布，壓力傳感器一和壓力傳感器二分別位于 該等腰三角形的底邊上的兩端，壓力傳感器三位于該等腰三角形的頂點(diǎn)，金剛石車刀緊定 螺釘位于該等腰三角形的底邊上的中線上，金剛石車刀的刀尖距離壓力傳感器一和壓力傳 感器二的X向距離相等，且在Y向投影到等腰三角形底邊的中點(diǎn)。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種快速刀具伺服車削的三向切削力測(cè)量裝置，屬于超精密切削、切削力測(cè)量和光學(xué)零件切削加工等技術(shù)領(lǐng)域，適用于快速刀具伺服車削的三向切削力的測(cè)量。金剛石車刀、T形杠桿式刀架、三個(gè)壓力傳感器和預(yù)緊螺釘組成三向切削力測(cè)量系統(tǒng)，三向切削力測(cè)量系統(tǒng)集成在快速刀具伺服裝置的Z向微動(dòng)平臺(tái)上，在壓電疊堆推動(dòng)微動(dòng)Z向往復(fù)進(jìn)給時(shí)，三向切削力測(cè)量系統(tǒng)可測(cè)出XYZ三向切削力，壓電疊堆的驅(qū)動(dòng)力不會(huì)干擾切削力的測(cè)量。本實(shí)用新型具有切削力測(cè)量全面、準(zhǔn)確性較高、可避免壓電疊堆驅(qū)動(dòng)力對(duì)切削力測(cè)量的干擾等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】B23Q17/09
【公開(kāi)號(hào)】CN205386750
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201620158964
【發(fā)明人】周曉勤, 侯強(qiáng)
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年7月20日
【申請(qǐng)日】2016年3月2日