CN103894883A - 刀具变形测量夹具以及利用该夹具进行刀具变形在线测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种刀具变形测量夹具以及利用该夹具进行刀具变形在线测量方法，用于解决现有实时监测机床切削力的装置实用性差的技术问题。技术方案是夹具包括半圆形夹持环、定位圆盘、传感器固定底座和位移传感器。两个半圆形夹持环和定位圆盘组成夹具的夹持部分，定位圆盘中间开有圆孔以方便刀具穿过，传感器固定底座与定位圆盘通过四根连接螺杆固定连接，传感器固定底座径向开有圆孔以安装位移传感器，四个位移传感器沿刀具径向间隔90°排列。刀具切削时所产生变形量的XY方向分量通过四个位移传感器记录到工控机***，并通过可视化软件界面实时、直观地显示；根据加工过程中的刀具变形量可以推算出刀具在变形方向上的切削力大小，实用性强。

Description

刀具变形测量夹具以及利用该夹具进行刀具变形在线测量方法
技术领域
本发明涉及一种测量夹具，特别是涉及一种刀具变形测量夹具。还涉及利用这种夹具进行刀具变形在线测量方法。
背景技术
在现代制造业中，多轴数控机床由于其加工精度好、工作效率高和自动化程度高等特点得到广泛应用。在加工过程中，起主要加工作用的刀具在切削力和切削热的影响下会产生变形，从而直接导致被加工零件产生尺寸和形状误差。为了减小刀具变形，通常采用的方法有减小刀柄自由端长度或者改用更大直径的刀具。但这些方法都有其局限性，无法从本质上消除误差。为了从理论上研究刀具变形，通过优化切削参数来减小加工误差。因此对刀具变形量进行在线测量是十分必要的。
目前采用的在线测量刀具变形的方法主要有直接法和间接法。
直接法是将应变片直接粘附在刀具表面。由于刀具在切削力和切削热作用下产生变形时，刀具表面会相应产生材料拉伸和挤压，应变片可以将材料的拉伸和挤压转化为相应的电信号，从而可以获得刀具在加工过程中产生的变形量。然而该方法存在以下不足之处：首先应变片适合粘附在平整且大小合适的物体表面，适合车刀类刀具，而对于圆柱形铣刀或者尺寸过小的刀具则无法使用该方法；其次应变片与导线组成回路，由于导线回路的存在，该方法只适合于刀具静止的加工方法（如车削加工），不适合铣削加工等刀具旋转的加工方式；另外，所测得刀具的变形量的精确度与应变片的安装质量密切相关。
间接法是在刀具在材料上加工结束后，通过测量剩余材料尺寸与理论尺寸之间的误差，从而反算得出刀具加工时的变形量。这里的被加工材料一般采用不易变形的结构，以减小材料本身变形对结果造成的影响。间接测量法的不足之处在于，通过剩余材料误差来推测刀具变形量的局限性较大，在时间和空间上存在明显不足，且测量结果误差较大。
参照图5。文献“申请公开号是CN103029005A的中国发明专利”公开了一种实时监测机床切削力的装置。该发明包括应变片1、信号接收模块2、控制单元3、电源4和显示装置5。应变片1贴在刀具6的左右两侧，信号接收模块2同时与应变片1和控制单元3连接，控制单元3分别与电源4和显示显示装置5连接。该装置在刀具表面安装应变片1，通过应变片1监测刀具切削材料时的变形，从而得出切削时机床切削力的大小。该专利中的刀具变形测量方法属于直接测量法，其局限性在于，由于导线回路的存在，该方法不适合测量铣刀等旋转的刀具。
发明内容
为了克服现有实时监测机床切削力的装置实用性差的不足，本发明提供一种刀具变形测量夹具。该夹具包括半圆形夹持环、定位圆盘、传感器固定底座和位移传感器，两个半圆形夹持环和定位圆盘组成夹具的夹持部分，定位圆盘中间开有圆孔以方便刀具穿过，传感器固定底座与定位圆盘通过四根连接螺杆固定连接，传感器固定底座径向开有圆孔以安装位移传感器，四个位移传感器沿刀具径向间隔90°排列。刀具切削时所产生变形量的XY方向分量通过四个位移传感器被记录到工控机***上，并通过可视化软件界面实时、直观地显示；根据加工过程中的刀具变形量可以推算出刀具在变形方向上的切削力大小，实用性强。
本发明还提供利用上述夹具进行刀具变形在线测量方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种刀具变形测量夹具，其特点是包括半圆形夹持环1、第一螺栓2、第一螺母3、定位圆盘4、第二螺栓5、连接螺杆6、第二螺母7、传感器固定底座8、第三螺母9和位移传感器10。两个半圆形夹持环1和定位圆盘4组成夹具的夹持部分。半圆形夹持环1两端开有圆孔，通过第一螺栓2和第一螺母3拧紧固定；定位圆盘4中间开有圆孔以方便刀具穿过。传感器固定底座8径向开有圆孔以安装位移传感器10，四个位移传感器10沿刀具径向间隔90°排列；位移传感器10自身带有螺纹，通过第三螺母9拧紧固定并调节距离。传感器固定底座8与定位圆盘4通过四根连接螺杆6固定连接。
所述半圆形夹持环1的半径略大于机床主轴半径。
所述半圆形夹持环1的内侧有橡胶层。
所述定位圆盘4的形状与主轴底部形状一致以便配合定位。
所述连接螺杆6两端有螺纹，传感器固定底座8带有凸台，通过凸台上的定位安装孔和第二螺母7配合安装。
一种利用上述夹具进行刀具变形在线测量方法，其特点是采用以下步骤：
先用第一螺栓2和第一螺母3将两个半圆形夹持环1预固定在机床主轴上，再通过第二螺栓5与定位圆盘4的配合安装保证夹持部分的水平安装；然后通过连接螺杆6将传感器固定底座8与定位圆盘4相连接，拧紧固定第二螺母7以保证整个装置具有良好的刚度；最后将位移传感器10安装在传感器固定底座8的安装孔内，通过位移传感器10自身螺纹调节测量头到机床刀具表面的距离，并用第三螺母9固定，使其在位移传感器10的量程范围内；位移传感器10采集测量头到刀具侧面的位移数据；启动数控机床开始加工零件，此时刀具切削时所产生变形量的XY方向分量通过四个位移传感器10被记录到工控机***上，根据加工过程中的刀具变形量计算出刀具在变形方向上的切削力大小，并通过与理论切削力的比较来反馈调整数控机床切削参数。
本发明的有益效果是：该夹具包括半圆形夹持环、定位圆盘、传感器固定底座和位移传感器，两个半圆形夹持环和定位圆盘组成夹具的夹持部分，定位圆盘中间开有圆孔以方便刀具穿过，传感器固定底座与定位圆盘通过四根连接螺杆固定连接，传感器固定底座径向开有圆孔以安装位移传感器，四个位移传感器沿刀具径向间隔90°排列。刀具切削时所产生变形量的XY方向分量通过四个位移传感器被记录到工控机***上，并通过可视化软件界面实时、直观地显示；根据加工过程中的刀具变形量可以推算出刀具在变形方向上的切削力大小，实用性强。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明刀具变形测量夹具的结构示意图。
图2是本发明刀具变形测量夹具的俯视图。
图3是本发明刀具变形测量夹具的主视图。
图4是本发明刀具变形测量夹具的左视图。
图中，1-半圆形夹持环，2-第一螺栓，3-第一螺母，4-定位圆盘，5-第二螺栓，6-连接螺杆，7-第二螺母，8-传感器固定底座，9-第三螺母，10-位移传感器。
图5是背景技术一种实时监测机床切削力的装置的结构示意图。
图中，1-应变片，2-信号接收模块，3-控制单元，4-电源，5-显示装置，6-刀具。
具体实施方式
参照图1-4。本发明刀具变形测量夹具包括半圆形夹持环1、第一螺栓2、第一螺母3、定位圆盘4、第二螺栓5、连接螺杆6、第二螺母7、传感器固定底座8、第三螺母9和位移传感器10。
两个半圆形夹持环1和定位圆盘4组成夹具的夹持部分。半圆形夹持环1两端开有圆孔，通过第一螺栓2和第一螺母3拧紧固定；半圆形夹持环1半径略大于机床主轴半径，内侧有橡胶层以增大摩擦力；定位圆盘4中间开有圆孔以方便刀具穿过；定位圆盘4的形状与主轴底部形状一致以便配合定位。
位移传感器固定部分为带有凸台的传感器固定底座8。传感器固定底座8径向开有圆孔以安装位移传感器10，四个位移传感器10沿刀具径向间隔90°排列；位移传感器10自身带有螺纹，通过第三螺母9拧紧固定并调节距离。
连接螺杆6两端有螺纹，传感器固定底座8带有凸台，通过凸台上的定位安装孔和第二螺母7配合安装。传感器固定底座8与定位圆盘4通过四根连接螺杆6固定连接。
本实例的装配过程是：先用第一螺栓2和第一螺母3将两个半圆形夹持环1预固定在机床主轴上，再通过第二螺栓5与定位圆盘4的配合安装保证夹持部分的水平安装；然后通过连接螺杆6将传感器固定底座8与定位圆盘4相连接，拧紧固定第二螺母7以保证整个装置具有良好的刚度；最后将位移传感器10安装在传感器固定底座8的安装孔内，通过位移传感器10自身螺纹调节测量头到机床刀具表面的距离，并用第三螺母9固定，使其在位移传感器10的量程范围内。
本发明的测量方法如下：在整个刀具测量夹具安装完成之后，通过位移传感器10自身螺纹调节测量头到机床刀具表面的距离，使其在位移传感器10的量程范围内；开启位移传感器10，以及电荷放大器和工控机，开始采集测量头到刀具侧面的位移数据；启动数控机床开始加工零件，此时刀具切削时所产生变形量的XY方向分量通过四个位移传感器10被记录到工控机***上，并通过可视化软件界面实时、直观地显示；根据加工过程中的刀具变形量可以推算出刀具在变形方向上的切削力大小，并通过与理论切削力的比较来反馈调整数控机床切削参数；在加工完成后，刀具的变形数据自动存储在工控机硬盘上供后期分析研究。

Claims (6)

1.一种刀具变形测量夹具，其特征在于包括半圆形夹持环（1）、第一螺栓（2）、第一螺母（3）、定位圆盘（4）、第二螺栓（5）、连接螺杆（6）、第二螺母（7）、传感器固定底座（8）、第三螺母（9）和位移传感器（10）；两个半圆形夹持环（1）和定位圆盘（4）组成夹具的夹持部分；半圆形夹持环（1）两端开有圆孔，通过第一螺栓（2）和第一螺母（3）拧紧固定；定位圆盘（4）中间开有圆孔以方便刀具穿过；传感器固定底座（8）径向开有圆孔以安装位移传感器（10），四个位移传感器（10）沿刀具径向间隔90°排列；位移传感器（10）自身带有螺纹，通过第三螺母（9）拧紧固定并调节距离；传感器固定底座（8）与定位圆盘（4）通过四根连接螺杆（6）固定连接。
2.根据权利要求1所述的刀具变形测量夹具，其特征在于：所述半圆形夹持环（1）的半径略大于机床主轴半径。
3.根据权利要求1或2所述的刀具变形测量夹具，其特征在于：所述半圆形夹持环（1）的内侧有橡胶层。
4.根据权利要求1所述的刀具变形测量夹具，其特征在于：所述定位圆盘（4）的形状与主轴底部形状一致以便配合定位。
5.根据权利要求1所述的刀具变形测量夹具，其特征在于：所述连接螺杆（6）两端有螺纹，传感器固定底座（8）带有凸台，通过凸台上的定位安装孔和第二螺母（7）配合安装。
6.一种利用权利要求1所述刀具变形测量夹具进行刀具变形在线测量方法，其特征在于采用以下步骤：
先用第一螺栓（2）和第一螺母（3）将两个半圆形夹持环（1）预固定在机床主轴上，再通过第二螺栓（5）与定位圆盘（4）的配合安装保证夹持部分的水平安装；然后通过连接螺杆（6）将传感器固定底座（8）与定位圆盘（4）相连接，拧紧固定第二螺母（7）以保证整个装置具有良好的刚度；最后将位移传感器（10）安装在传感器固定底座（8）的安装孔内，通过位移传感器（10）自身螺纹调节测量头到机床刀具表面的距离，并用第三螺母（9）固定，使其在位移传感器（10）的量程范围内；位移传感器（10）采集测量头到刀具侧面的位移数据；启动数控机床开始加工零件，此时刀具切削时所产生变形量的XY方向分量通过四个位移传感器（10）被记录到工控机***上，根据加工过程中的刀具变形量计算出刀具在变形方向上的切削力大小，并通过与理论切削力的比较来反馈调整数控机床切削参数。
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