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1  引  言

切削力是伴隨加工過程中所出現(xiàn)的現(xiàn)象之一．由于它蘊涵著豐富的實時加工狀態(tài)信息，已作為傳感信號不同程度地應(yīng)用于各種加工過程在線檢測與實時控制中，據(jù)此辨識加工狀態(tài)，是目前自動化加工領(lǐng)域中一個的重要的努力方向。但難予直接利用，因而開發(fā)適用于生產(chǎn)現(xiàn)場而不影響原有加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的通用測力傳感器，已成為該項研究的一個關(guān)鍵。

作者研制出的微型通用測力傳感器，可同時測量車削中雙向切削分力，經(jīng)過進一步的信號建模處理后，達到了預(yù)定識別刀具狀態(tài)的要求。

2、測量原理  

    在各種傳感器中，我們選用應(yīng)變測力傳感方式，取其能綜合獲得較高的靜態(tài)測量精度和一定頻寬的動態(tài)測量范圍，也有較好的剛性和靈敏度，信號傳輸無特殊要求，成本低。 

  加工中的切削力作用在刀尖上，使粘貼在刀桿上、構(gòu)成全橋電路的四個電阻應(yīng)變片產(chǎn)生相應(yīng)變形￡t，導(dǎo)致各電阻應(yīng)變片阻值的變化R_i→R_i+△R_i，使電橋輸出電壓信號
   

    當各橋臂應(yīng)變片靈敏度k相同時，則
         (1)

上述信號再經(jīng)相應(yīng)電路技術(shù)處理后，獲得正比于切削力的輸出信號Vi．

3  結(jié)構(gòu)設(shè)計

    本傳感器的設(shè)計是按照國際生產(chǎn)工程協(xié)會CIRP提出的對一般車削測力傳感器的設(shè)計要求[2]設(shè)計的，也即：①測力傳感器輸出與切削力成正比的信號，有足夠高的精度(誤差<1%～5 %)，向間干擾?。s<2％），②測力傳感器各測試方向都有足夠的靈敏度和足夠高的剛度（約>10⁸ N/m數(shù)量級）；③測力傳感器有足夠高的固有頻率(≥2.5kHz)，④制造工藝不過分復(fù)雜和困難，且安裝方便，具有通用性．

    為不改動數(shù)控機床現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，并能最大程度地保證測力傳感器良好工作狀態(tài)，我們采用了，在通用刀桿上以不明顯降低剛度且又滿足正常切削要求的前提下，挖一小坑，將微應(yīng)變片按特定方向貼于其內(nèi)表面上來感受雙向切削分力引起的剪應(yīng)變，提取力的信號，再以環(huán)氧樹脂密填坑穴，防水、防潮，由此設(shè)計制作了一種微型內(nèi)藏式測力傳感器．

4感應(yīng)分析與計算

作用在刀尖位置處的切削力可按空間直角座標分解為三個方向的分力，即豎直分力Fz、橫向水平分力Fx和縱向水平分力Fy，如圖2所示，刀桿在Fz、Fx和Fy，的作用下產(chǎn)生組合受力變形．將Fz、Fx和Fy平移到開口槽形截面彎曲中心O處，附加XY和ZY平面內(nèi)的兩個彎矩Mz、Mx和一個軸向扭矩My．則平移后的Fz、Fx引起槽形截面的純剪切變形,Fy引起Y軸向壓縮變形，Mz、Mx引起XY和ZY平面內(nèi)的純彎曲變形，My引起沿Y軸純扭轉(zhuǎn)變形（這里在微小變形下；略去了翹曲影響）．
   

    為了測量雙向切削分力Fz、Fx，首先考察槽形截面上由平移后的Fz和Fx及My

(圖3(a))聯(lián)合作用下產(chǎn)生的剪切應(yīng)力分布，得到如圖3(b)，(c)，(d)所示的剪應(yīng)力分布

圖，其中：

    (1)對應(yīng)Fz。此時腹板(CD)上的剪應(yīng)力呈Z軸對稱直線分布，且應(yīng)力方向相反，在腹板上對稱中心（x=O）處的剪應(yīng)力r=O。此時兩冀板(AC和BD)上的剪應(yīng)力呈Z軸對稱拋物線分自i且應(yīng)力力‘向相同，其中，在一Y軸位置（z一o）處，剪應(yīng)力為最大值
    
     

式中：G——材料的剪切彈性模量。
 

 即：切削分力Fz正比于剪應(yīng)變y1。

    （2）對應(yīng)Fx此時兩翼板上的剪應(yīng)力呈Z軸對稱直線分布，且應(yīng)力方向相反．此時腹板上的剪應(yīng)力為拋物線分布，且相對于Z軸是對稱的．其中，在腹板對稱中心（x=O）處，剪應(yīng)力為最大值

   

 

即：切削分力Fx正比于剪應(yīng)變y2。

(3)對應(yīng)My．此時槽形截面上剪應(yīng)力相對于壁厚中線曼方向?qū)ΨQ線性分布，最大剪應(yīng)   力發(fā)生在內(nèi)、外表面上
     

綜合上面槽形截面在剪切和扭轉(zhuǎn)作用下的剪應(yīng)力分布規(guī)律，根據(jù)它們的正負特性，利用電阻應(yīng)變片組成的全橋電路的加強或抵消作用進行疊加，使得兩翼板內(nèi)表面與X軸的兩個交點處所測量的剪應(yīng)力不反映Fx和My，而只反映豎直切削分力Fz，并呈正比例關(guān)系，即由式

(2)所表達,腹板內(nèi)、外表面與z軸的兩個交點處所測量的剪應(yīng)力不反映Fz和My，而只反映縱向水平切削分力Fx，且呈正比例關(guān)系，即由式(3)所表達，同時，一由于這幾個位置上感知的有用剪應(yīng)力也處于最大值，所以，選擇這些部位測量的靈敏度也最高．

 事實上，刀桿在組合受力狀態(tài)下，槽形截面上既有剪應(yīng)力，也存在正應(yīng)力．因此，還必須通過對微應(yīng)變片的恰當布置，使截面上的正應(yīng)力不從電橋輸出端反映出來，電橋上只輸出Fz和Fx作用下所產(chǎn)生的剪應(yīng)變引起的電壓變化．另一方面，由于剪應(yīng)是角應(yīng)變，不能用應(yīng)變片直接測出，而是借助于測點處與構(gòu)件軸線成45°和135 °布片來間接獲得^[3],即剪應(yīng)變γ＝ε₄₅－ε₁₃₅據(jù)此：

  (1)對應(yīng)測量Fz：在，刃桿槽形截面兩翼板內(nèi)表面與X軸的兩個交點處分別按45°和135 °布置相同的電阻應(yīng)變片，構(gòu)成全橋電路的四個臂，結(jié)合(1)式和(2)式，根據(jù)對稱性，則兩處Fz作用的下剪應(yīng)力

故此時使電橋上產(chǎn)生的電壓輸出信號只正比于Fz．

 (2)對應(yīng)測量Fx，在刀桿槽形截面腹板內(nèi)，外表面與Z軸的兩個交點也處分別按45°和135°布置四個相同的電阻應(yīng)變片組成全橋電路．由于此時兩處Fz作用下的剪應(yīng)力為零，My作用下產(chǎn)生的剪應(yīng)力為
 

故此時使電橋上產(chǎn)生的電壓輸出信號正比于Fx.

   最后，由于溫度的影響，使測點處ε₄₅和ε₁₃₅產(chǎn)生相等的變化，根據(jù)剪應(yīng)變γ=ε₄₅-ε₁₄₅，故測量結(jié)果受溫度因素的影響也最小．

5  性能測定與結(jié)論

圖4(a)、(b)為對所設(shè)汁的測力傳感器進行動、靜態(tài)標定的試驗曲線，其中，測力傳感器的信號輸出與輸入之間有較好的線性，兩向靜態(tài)全程線性度誤差小于1％。動態(tài)頻率響應(yīng)兩向相似，測量頻寬范圍約可達0～1000Hz．其它測試數(shù)據(jù)見附表．

  由上表可見，內(nèi)藏式測力傳感器已基本滿足國際生產(chǎn)工程協(xié)會CIRP推薦的項目，經(jīng)大量切削實驗考證，它能適應(yīng)生產(chǎn)現(xiàn)場的使用要求，具有推廣應(yīng)用價值。上述動態(tài)性能只是實測的結(jié)果，致于信息傳遞引起的影響，尚待研究，

在測力傳感構(gòu)的設(shè)計與研制過程巾，得到西安礦業(yè)學院孫蒲軍同志的幫助，并承蒙濟南第一機床廠的協(xié)助，在此表示感謝，

   

參考文獻

1 CIRP. STC C. Annals of the CIRP. 1974, 23(2): 2q6

2蔣智翔．材料力學，北京：清華大學出版社，1985

3石來德，袁禮甲，機械參數(shù)電測技水．上海;上?？茖W技術(shù)出版，1981：49~50

 

 

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