CN116728160A - 一种切削力自感知车削刀具***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种切削力自感知车削刀具***及方法，包括刀杆尾部、凹槽、刀头、刀片和刀片槽；所述刀杆尾部与刀头通过刀杆连接，刀杆为弹性方梁，刀头部分设置有刀片槽，刀片槽中设置刀片，刀杆靠近刀头部分四个表面设置四个结构完全相同的凹槽，凹槽为切削力自感知车削刀具***的感知部位，自感知组件固定集成在凹槽四个表面上。本发明结构简单，仅需在刀杆上靠近刀头部分设置凹槽，将自感知组件集成在凹槽表面即可，制造成本低，而且测量精度高。
Description
技术领域
本发明属于车削加工中的车削力测量技术领域，具体涉及一种切削力自感知车削刀具***及方法。
背景技术
刀具切削状态的在线监测不仅能够提升加工效率、提高刀具利用率，而且能够预防刀具磨损、破损等意外情况带来的夹具、工件等损坏的严重后果。切削力是最能反应切削过程信息的基本信号之一，也是应用范围最广的切削过程监测用信号，其与刀具参数、切削条件、刀具状态以及工件表面质量等密切相关。因此，切削力在线状态测量是切削在线状态监测中最直接、最有效且最常见的方式之一。
在现有技术条件下，车削力的测量主要是采用安装在刀具上的应变式测力仪或压电式测力仪来实现的。然而，这两种测力仪由于自身结构和安装方式所限，存在如下问题：对于应变式测力仪，由于电阻应变片粘贴工艺的局限性，一方面导致其测量精度低，另一方面导致其不适合在高温环境下使用，由此导致其适用范围受限。对于压电式测力仪，由于压电晶体单向性不够，导致其测量三向力时存在相互干涉、测量静态力时具有滞后性，由此导致其测量精度低。应变式测力仪和压电式测力仪都由于体积较大，导致其适用范围受限。
对于现有自感知刀具，不仅结构复杂，而且都仅从刀具结构和自感知组件精度两方面对其测量精度进行提高，对解耦算法的优化却没有太多的研究。然而，解耦算法对自感知***的精度影响及其大。现有的解耦算法中，仅将刀具受力位置默认为刀杆整个截面或中心轴线上的一点，并没有对刀尖位置、刀具其他几何参数及刀具切削参数对自感知组件电压输出的影响。因此，现有解耦算法对切削力的自感知精度造成巨大不良影响。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种切削力自感知车削刀具***及方法，该***及方法结构简单，仅需在刀杆上靠近刀头部分设置凹槽，且制造成本低，测量精度高。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种切削力自感知车削刀具***，包括刀杆尾部1、凹槽2、刀头7、刀片8和刀片槽9；
所述刀杆尾部1与刀头7通过刀杆连接，刀杆为弹性方梁，刀头7部分设置有刀片槽9，刀片槽9中设置刀片8，刀杆靠近刀头7部分四个表面设置四个结构完全相同的凹槽2，凹槽2为切削力自感知车削刀具***的感知部位，自感知组件固定集成在凹槽2四个表面上。
紧固螺钉10将刀片8固定在刀片槽9中；所述自感知组件包括一号自感知组件3、二号自感知组件4、三号自感知组件5、四号自感知组件6。
所述四套自感知组件完全一样，独立工作，互不影响。
所述自感知组件输出的电压信号首先被信号放大器放大，接着被数据采集卡采集后传输到电脑***，电脑依据解耦算法，利用labview软件搭建数据转化平台，将电压信号转化为三向切削力信号；
解耦算法将车削刀具在各种切削状态下感知***中输出的四项电压信号准确转化为实时切削力信号。
所述车刀刀片8采用可转位刀片。
所述四套自感知组件结构性能参数相同，所述自感知组件包括一个弹性基片与四个电阻应变片(或两个电阻应变片和两个固定电阻)，每一套自感知组件结构中，选择半桥直流电路作为应变片的测量电路，电桥包括四个纯电阻的桥臂，其中，电阻应变片拉压工作方向与刀杆所受吃刀抗力方向一致，U0为电源电压，为输出电压；其中R1和R4为电阻应变片，它们随着刀杆应变的变化发生变化(刀杆受拉为正应变，应变片跟着受拉，引起应变片电阻值变大；反之，刀杆受压为负应变，应变片跟随刀杆受压，引起电阻应变片阻值变小)，R2和R3为固定值；自感知组件发生应变，引起电阻值的变化ΔR1、ΔR4R1→R1+ΔR1、R4→R4+ΔR4时，电桥的平衡状态被破坏，产生电压，桥路输出电压的形式为：
四个电阻应变片(或两个电阻应变片和两个固定电阻)集成于矩形弹性基片的同一面，组成半桥差动电桥电路，不仅消除非线性误差，同时可以对温度误差进行补偿。
一种切削力自感知车削刀具***的使用方法，包括以下步骤；
如果对切削力自感知车削刀具***自感知精度要求较低，不考虑刀尖位置对自感知结果造成的误差时，包括以下是步骤；
式中，Ff、Fp、Fc分别为进给力、吃刀抗力和主切削力，U1、U2、U3、U4分别为四套自感应组件的输出电压；KX、KY、KZ分别为凹槽自感知组件处在进给力、吃刀抗力和主切削力三个方向上的灵敏度，通过下式求得：
式中，U0为自感知组件的输入电压，K0为自感知组件中单根电阻丝的灵敏度系数，l为电阻丝总长度，L为刀杆总长度，y1和y2分别为凹槽近端和远端距离刀杆尾部夹持位置的距离，E为刀杆弹性模量，A和A′分别为刀杆尾部的截面积和刀杆凹槽部位截面积，a、b、a′和b′分别为刀杆尾部截面和凹槽部位截面在进给力方向和主切削力方向的长度，K0可通过下式求得：
K0＝(1+2μ+λE)
式中，E为电阻丝材料的弹性模量，λ为压阻系数，其大小与材料属性有关，为电阻丝材料的泊松比。
如果对切削力自感知车削刀具***自感知精度要求较高时，需考虑刀尖位置对自感知结果造成的误差，包括以下步骤；
式中，c和d分别为刀尖在主切削力和进给力方向上距离刀杆中心轴线的距离，KX、KY、KZ分别为刀杆敏感部位在X(进给力方向)、Y(吃刀抗力方向)、Z(主切削力方向)三个方向上的敏感系数，U1、U2、U3、U4分别为四套自感知组件的输出电压，Ff、Fp、Fc分别为进给力、吃刀抗力、主切削力。
如果对切削力自感知车削刀具***自感知精度要求非常高时，不仅需要考虑刀尖位置对自感知结果造成的误差，而且还要考虑刀具几何参数及切削参数对自感知结果造成的误差，包括以下步骤；
式中，c和d分别为刀尖在主切削力和进给力方向上距离刀杆中心轴线的距离，KX、KY、KZ分别为刀杆敏感部位在X(进给力方向)、Y(吃刀抗力方向)、Z(主切削力方向)三个方向上的敏感系数，U1、U2、U3、U4分别为四套自感知组件的输出电压，Ff、Fp、Fc分别为进给力、吃刀抗力、主切削力，ap和γ0分别为背吃刀量及刀具前角。
本发明的有益效果：
本发明的***结构简单，仅需在刀杆上靠近刀头部分设置凹槽，将自感知组件集成在凹槽表面即可；
针对不同精度要求，本发明采用的方法对自感知精度要求较低时，采用不考虑刀尖位置和刀具其他几何参数及切削参数的解耦算法即可，此算法简单、计算方便；
对自感知精度要求较高时，才有考虑刀尖位置的方法，此方法计算难度上较前者较大，但精度可得到明显提高；
对自感知精度要求极高时，采用考虑刀尖位置和刀具其他几何参数及切削参数的方法，此方法计算难度比前两者都要大，但精度极高。
附图说明
图1为本发明切削力自感知车削刀具***的结构示意图。
图2为一号自感知组件三视图。
图3为二号自感知组件三视图。
图4为三号自感知组件三视图。
图5为四号自感知组件三视图。
图6为一号自感知组件电桥电路图。
图7为二号自感知组件电桥电路图。
图8为三号自感知组件电桥电路图。
图9为四号自感知组件电桥电路图。
图10为自感知组件电路连接方式图
图11为受力位置由刀尖处等效转换到刀杆轴线上的过程示意图。
图12为刀具切削几何位置示意图。
图13为切削力自感知刀具主视图和俯视图。
图中：1-刀杆尾部；2-凹槽；3-一号自感知组件；4-二号自感知组件；5-三号自感知组件；6-四号自感知组件；7-刀头；8-刀片；9-刀片槽；10-紧固螺钉；301-一号自感知组件弹性基片；302-一号自感知组件的一号应变片；303-一号自感知组件的二号应变片(或固定电阻)；304-一号自感知组件的三号应变片(或固定电阻)；305-一号自感知组件的四号应变片；401-二号自感知组件弹性基片；402-二号自感知组件的一号应变片；403-二号自感知组件的二号应变片(或固定电阻)；404-二号自感知组件的三号应变片(或固定电阻)；405-二号自感知组件的四号应变片；501-三号自感知组件弹性基片；502-三号自感知组件的一号应变片；503-三号自感知组件的二号应变片(或固定电阻)；504-三号自感知组件的三号应变片(或固定电阻)；505-三号自感知组件的四号应变片601-四号自感知组件弹性基片；602-四号自感知组件的一号应变片；603-四号自感知组件的二号应变片(或固定电阻)；604-四号自感知组件的三号应变片(或固定电阻)；605-四号自感知组件的四号应变片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1-图13所示：一种切削力自感知车削刀具***及其解耦算法，该切削力自感知车削刀具***包括刀杆尾部1、凹槽2、自感知组件、刀头7及刀片8。
其中，刀杆为弹性方梁，刀头7部分设置有刀片槽9，紧固螺钉10将刀片8固定在刀片槽9中；刀杆靠近刀头7部分四个表面设置四个结构完全相同的凹槽2，凹槽2为切削力自感知车削刀具***的感知部位，四套自感知组件固定集成在凹槽2四个表面上。解耦算法将车削刀具在各种切削状态下感知***中输出的四项电压信号准确转化为实时切削力信号。
所述刀杆整体的弹性材料是40Cr、42CrMo。
参照图1，刀头7设置一个刀片槽9，用于安装刀片8，刀片8通过紧固螺钉10安装在刀片槽9，所安装的刀片8为可转位刀片。刀杆靠近刀头7部为设置凹槽2，将四个自感知组件安装在凹槽2四个面上。四套自感知组件结构性能参数相同，都包括一个弹性基片与四个电阻应变栅，选择半桥直流电路作为应变片的测量电路，直流电桥电路的结构如图3所示，图4为电阻具***置及连接示意图。电桥包括四个纯电阻的桥臂，U0为电源电压，U为输出电压。其中R1和R4为电阻应变片，它们随着刀杆应变的变化发生变化，R2和R3为固定值。自感知组件发生应变，引起电阻值的变化ΔR1、ΔR4(R1→R1+ΔR1、R4→R4+ΔR4)时，电桥的平衡状态被破坏，产生电压输出。
若刀具切削加工过程中，对精度要求不高，不必考虑刀尖位置对感知组件输出结果的影响，或刀尖位于刀杆中心轴线上一点时，采用不考虑刀尖位置对自感知结果造成的解耦算法进行感知信号的解耦即可。
若刀具切削加工过程中，对精度要求较高，且刀尖位置与刀杆中心轴线不共线，则需要考虑刀尖位置对感知组件输出结果的影响，这种情况下，需要将刀尖受力结果等效转化到刀杆中心轴线上，此时需要采用考虑刀尖位置对自感知结果造成的解耦算法进行感知信号的解耦。
若刀具切削加工过程中，对精度要求极其高，且刀尖位置与刀杆中心轴线不共线，则需要考虑刀尖位置、刀具其他几何参数及切削参数对感知组件输出结果的影响，这种情况下，需要将主切削刃参与切削部分中点受力结果等效转化到刀杆中心轴线上，此时需要采用考虑刀尖位置、其他几何参数及切削参数对自感知结果造成的解耦算法进行感知信号的解耦。
本发明的工作原理：
如图2所示：一号自感知组件单独组成一号输出单元，包括一号自感知组件弹性基片301、两个阻值随刀杆受力发生变化的电阻应变片302和305，以及两个电阻值不发生变化的应变片(或固定电阻)303和304。在主切削力的单独作用下，会使一号自感知组件受到拉应力，在拉应力的作用下应变片302和305的阻值变大，应变片(或固定电阻)303和304电阻值保持不变。如图6所示：一号自感知组件的连接方式为302-303-305-304-302，也就是302和303串联，305和304串联，然后并联到输入电压维U0的电路上，且302与305不相邻，303与304不相邻。电阻应变片302和305的电阻值变大，导致输出电压U1由0变为正值。在吃刀抗力的单独作用下，应变片302和305受到压应力，阻值变小，应变片(或固定电阻)303和304电阻值继续保持不变，导致输出电压U1由0变为负值。进给力的单独作用不会的输出电压U1产生影响。
如图3所示：二号自感知组件单独组成二号输出单元，包括二号自感知组件弹性基片401、两个阻值随刀杆受力发生变化的电阻应变片402和405，以及两个电阻值不发生变化的应变片(或固定电阻)403和404。在进给力的单独作用下，会使二号自感知组件受到拉应力，在拉应力的作用下应变片402和405的阻值变大，应变片(或固定电阻)403和404电阻值保持不变。如图7所示：二号自感知组件的连接方式为402-403-405-404-402，也就是402和403串联，405和404串联，然后并联到输入电压维U0的电路上，且402与405不相邻，403与404不相邻。电阻应变片402和405的电阻值变大，导致输出电压U2由0变为正值。在吃刀抗力的单独作用下，应变片402和405受到压应力，阻值变小，应变片(或固定电阻)403和404电阻值继续保持不变，导致输出电压U2由0变为负值。主切削力的单独作用不会的输出电压U2产生影响。
如图4所示：三号自感知组件单独组成三号输出单元，包括三号自感知组件弹性基片501、两个阻值随刀杆受力发生变化的电阻应变片502和505，以及两个电阻值不发生变化的应变片(或固定电阻)503和504。在主切削力的单独作用下，会使三号自感知组件受到压应力，在压应力的作用下应变片502和505的阻值变小，应变片(或固定电阻)503和504电阻值保持不变。如图8所示：三号自感知组件的连接方式为502-503-505-504-502，也就是502和503串联，505和504串联，然后并联到输入电压维U0的电路上，且502与505不相邻，503与504不相邻。电阻应变片502和505的电阻值变小，导致输出电压U3由0变为负值。在吃刀抗力的单独作用下，应变片502和505受到压应力，阻值变小，应变片(或固定电阻)503和504电阻值继续保持不变，导致输出电压U3由0变为负值。进给力的单独作用不会的输出电压U3产生影响。
如图5所示：四号自感知组件单独组成三号输出单元，包括四号自感知组件弹性基片601、两个阻值随刀杆受力发生变化的电阻应变片602和605，以及两个电阻值不发生变化的应变片(或固定电阻)603和604。在进给力的单独作用下，会使四号自感知组件受到压应力，在压应力的作用下应变片602和605的阻值变小，应变片(或固定电阻)603和604电阻值保持不变。如图9所示：三号自感知组件的连接方式为602-603-605-604-602，也就是602和603串联，605和604串联，然后并联到输入电压维U0的电路上，且602与605不相邻，603与604不相邻。电阻应变片602和605的电阻值变小，导致输出电压U4由0变为负值。在吃刀抗力的单独作用下，应变片602和605受到压应力，阻值变小，应变片(或固定电阻)603和604电阻值继续保持不变，导致输出电压U4由0变为负值。主切削力的单独作用不会的输出电压U4产生影响。
主切削力的单独作用下，U1与U3大小相等，符号相反；进给力的单独作用下，U2与U4大小相等，符号相反。但刀具实际工作过程中同时受到主切削力、进给力和吃刀抗力，三个方向的力相互耦合。因此不能以数据采集卡采集到的自感知组件输出电压直接标定三向切削力，在对切削力进行标定前需要首先进行信号解耦。
如图11所示：刀具受力位置由等效转换到刀杆主轴位置的过程图，也是考虑刀尖位置的解耦算法优化的原理图。
如图12所示：刀具切削过程几何位置短息示意图，也是考虑几何参数及切削参数的解耦算法优化原理图。解耦原理：
求解得：
Claims (7)
1.一种切削力自感知车削刀具***，其特征在于，包括刀杆尾部(1)、凹槽(2)、、刀头(7)、刀片(8)和刀片槽(9)；
所述刀杆尾部(1)与刀头(7)通过刀杆连接，刀杆为弹性方梁，刀头(7)部分设置有刀片槽(9)，刀片槽(9)中设置刀片(8)，刀杆靠近刀头(7)部分四个表面设置四个结构完全相同的凹槽(2)，凹槽(2)为切削力自感知车削刀具***的感知部位，自感知组件固定集成在凹槽(2)四个表面上。
2.根据权利要求1所述的一种切削力自感知车削刀具***，其特征在于，紧固螺钉(10)将刀片(8)固定在刀片槽(9)中；所述自感知组件包括一号自感知组件(3)、二号自感知组件(4)、三号自感知组件(5)、四号自感知组件(6)。
3.根据权利要求2所述的一种切削力自感知车削刀具***，其特征在于，所述四套自感知组件完全一样，独立工作，互不影响。
4.根据权利要求1所述的一种切削力自感知车削刀具***，其特征在于，所述自感知组件输出的电压信号首先被信号放大器放大，接着被数据采集卡采集后传输到电脑***，电脑依据解耦算法，利用labview软件搭建数据转化平台，将电压信号转化为三向切削力信号；
解耦算法将车削刀具在各种切削状态下感知***中输出的四项电压信号准确转化为实时切削力信号。
5.根据权利要求1所述的一种切削力自感知车削刀具***，其特征在于，所述车刀刀片(8)采用可转位刀片。
6.根据权利要求1所述的一种切削力自感知车削刀具***，其特征在于，所述四套自感知组件结构性能参数相同，所述自感知组件包括一个弹性基片与四个电阻应变片(或两个电阻应变片和两个固定电阻)，每一套自感知组件结构中，选择半桥直流电路作为应变片的测量电路，电桥包括四个纯电阻的桥臂，其中，电阻应变片拉压工作方向与刀杆所受吃刀抗力方向一致，U0为电源电压，U为输出电压；其中R1和R4为电阻应变片，随着刀杆应变的变化发生变化(刀杆受拉为正应变，应变片跟着受拉，引起应变片电阻值变大；反之，刀杆受压为负应变，应变片跟随刀杆受压，引起电阻应变片阻值变小)，R2和R3为固定值；自感知组件发生应变，引起电阻值的变化ΔR1、ΔR4R1→R1+ΔR1、R4→R4+ΔR4时，电桥的平衡状态被破坏，产生电压，桥路输出电压的形式为：
四个电阻应变片(或两个电阻应变片和两个固定电阻)集成于矩形弹性基片的同一面，组成半桥差动电桥电路，不仅消除非线性误差，同时可以对温度误差进行补偿。
7.基于权利要求1-6任一项所述的一种切削力自感知车削刀具***的使用方法，其特征在于，包括以下步骤；
如果对切削力自感知车削刀具***自感知精度要求较低，不考虑刀尖位置对自感知结果造成的误差时，包括以下是步骤；
式中，Ff、Fp、Fc分别为进给力、吃刀抗力和主切削力，U1、U2、U3、U4分别为四套自感应组件的输出电压；KX、KY、KZ分别为凹槽自感知组件处在进给力、吃刀抗力和主切削力三个方向上的灵敏度，通过下式求得：
式中，U0为自感知组件的输入电压，K0为自感知组件中单根电阻丝的灵敏度系数，l为电阻丝总长度，L为刀杆总长度，y1和y2分别为凹槽近端和远端距离刀杆尾部夹持位置的距离，E为刀杆弹性模量，A和A′分别为刀杆尾部的截面积和刀杆凹槽部位截面积，a、b、a′和b′分别为刀杆尾部截面和凹槽部位截面在进给力方向和主切削力方向的长度，K0可通过下式求得：
K0＝(1+2μ+λE)
式中，E为电阻丝材料的弹性模量，λ为压阻系数，其大小与材料属性有关，μ为电阻丝材料的泊松比；
如果对切削力自感知车削刀具***自感知精度要求较高时，需考虑刀尖位置对自感知结果造成的误差，包括以下步骤；
式中，c和d分别为刀尖在主切削力和进给力方向上距离刀杆中心轴线的距离，KX、KY、KZ分别为刀杆敏感部位在X(进给力方向)、Y(吃刀抗力方向)、Z(主切削力方向)三个方向上的敏感系数，U1、U2、U3、U4分别为四套自感知组件的输出电压，Ff、Fp、Fc分别为进给力、吃刀抗力、主切削力；
如果对切削力自感知车削刀具***自感知精度要求非常高时，不仅需要考虑刀尖位置对自感知结果造成的误差，而且还要考虑刀具几何参数及切削参数对自感知结果造成的误差，包括以下步骤；
式中，c和d分别为刀尖在主切削力和进给力方向上距离刀杆中心轴线的距离，KX、KY、KZ分别为刀杆敏感部位在X(进给力方向)、Y(吃刀抗力方向)、Z(主切削力方向)三个方向上的敏感系数，U1、U2、U3、U4分别为四套自感知组件的输出电压，Ff、Fp、Fc分别为进给力、吃刀抗力、主切削力，ap和γ0分别为背吃刀量及刀具前角。
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| CN202310873200.7A CN116728160A (zh) | 2023-07-17 | 2023-07-17 | 一种切削力自感知车削刀具***及方法 |
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|---|---|
| CN116728160A true CN116728160A (zh) | 2023-09-12 |
Family
ID=87909729
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310873200.7A Pending CN116728160A (zh) | 2023-07-17 | 2023-07-17 | 一种切削力自感知车削刀具***及方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7424711B1 (ja) | 2023-11-24 | 2024-01-30 | 国立大学法人島根大学 | 測定機器および工具ホルダ |
| CN117629476A (zh) * | 2024-01-26 | 2024-03-01 | 中车齐齐哈尔车辆有限公司 | 一种压力传感器及检测闸瓦压力的方法 |
-
2023
- 2023-07-17 CN CN202310873200.7A patent/CN116728160A/zh active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7424711B1 (ja) | 2023-11-24 | 2024-01-30 | 国立大学法人島根大学 | 測定機器および工具ホルダ |
| CN117629476A (zh) * | 2024-01-26 | 2024-03-01 | 中车齐齐哈尔车辆有限公司 | 一种压力传感器及检测闸瓦压力的方法 |
| CN117629476B (zh) * | 2024-01-26 | 2024-04-16 | 中车齐齐哈尔车辆有限公司 | 一种压力传感器及检测闸瓦压力的方法 |
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