專(zhuān)利名稱(chēng)：一種旋轉(zhuǎn)式三維壓電測(cè)力刀柄裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于壓電式傳感器中的測(cè)力裝置領(lǐng)域，特別涉及一種直接測(cè)量銑削、鉆削等機(jī)械加工過(guò)程中刀具所受的軸向力、切向力和扭矩的裝置。
背景技術(shù)：
目前，機(jī)械加工中切削力的測(cè)量主要有兩種方法:應(yīng)變式和壓電式。應(yīng)變式中以應(yīng)變片為靈敏元件的測(cè)力儀，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、性能穩(wěn)定可靠、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，一般是通過(guò)應(yīng)變片在受力后發(fā)生形變導(dǎo)致電阻值發(fā)生變化的原理來(lái)測(cè)力的，在力信號(hào)測(cè)量方面使用廣泛。但由于只有當(dāng)應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，通常是幾十到兩萬(wàn)微應(yīng)變，其阻值才能發(fā)生變化，所以應(yīng)變式測(cè)力儀靈敏度越高則剛度越低。應(yīng)變式測(cè)力儀靜態(tài)性能好，一般適用于靜態(tài)測(cè)力，但固有頻率不高，不適宜動(dòng)態(tài)力測(cè)量。壓電式測(cè)力儀是根據(jù)壓電材料的壓電效應(yīng)原理來(lái)測(cè)量的，同時(shí)具有很高的靈敏度和剛度，測(cè)量范圍寬，線(xiàn)性及穩(wěn)定性高，動(dòng)態(tài)特性好，適于測(cè)量加工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)切削力。傳統(tǒng)的用于測(cè)量切削力的多維壓電式測(cè)力儀通常是盤(pán)式結(jié)構(gòu)或平臺(tái)結(jié)構(gòu)，安裝在工件與工作臺(tái)之間，體積和質(zhì)量較大，給運(yùn)輸和安裝造成了不便。并且安裝在工件與工作臺(tái)之間的壓電式測(cè)力儀，動(dòng)態(tài)響應(yīng)受工件質(zhì)量和幾何影響較大，對(duì)于較大的工件，測(cè)力儀要承受工件自身重量，而且在加工過(guò)程中，工件自重不斷發(fā)生變化，會(huì)影響測(cè)力信號(hào)的準(zhǔn)確性，因此，盤(pán)式或臺(tái)式測(cè)力儀會(huì)限制工件的尺寸。另外，測(cè)力儀安裝在工作臺(tái)上容易受到切削液和切屑的損害，要特別注意做好測(cè)力儀的防護(hù)。切削力是機(jī)械零件加工過(guò)程中的重要參數(shù)，能否準(zhǔn)確測(cè)量動(dòng)態(tài)切削力直接影響著實(shí)時(shí)切削力控制的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響零件的加工精度，隨著精密零件的需求日益增加，迫切需要設(shè)計(jì)一種能準(zhǔn)確測(cè)量動(dòng)態(tài)切削力的測(cè)力儀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，發(fā)明一種旋轉(zhuǎn)式三維壓電測(cè)力刀柄裝置，克服傳統(tǒng)壓電式測(cè)力儀安裝在機(jī)床工作臺(tái)與工件之間，測(cè)量切削力和扭矩時(shí)受工件自重變化影響較大且切削液和切屑會(huì)損害測(cè)力儀的缺點(diǎn)。該測(cè)力刀柄利用深溝球軸承的內(nèi)外圈可以相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)且內(nèi)外圈與鋼球始終保持接觸的特點(diǎn)，使用三個(gè)輕型深溝球軸承作為壓電傳感器的電荷信號(hào)傳輸工具，分別傳輸軸向力、切向力和扭矩信號(hào)，解決了壓電傳感器安裝在機(jī)床主軸上時(shí)信號(hào)的無(wú)線(xiàn)傳輸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了測(cè)力儀對(duì)銑削、鉆削等機(jī)械加工過(guò)程中刀具所受的軸向力、切向力和扭矩的直接測(cè)量，安裝后免受切削液和切屑的損害。本發(fā)明一種旋轉(zhuǎn)式三維壓電測(cè)力刀柄裝置所采用的技術(shù)方案是:一種旋轉(zhuǎn)式三維壓電測(cè)力刀柄裝置由可換式銑刀刀柄上端1、壓電傳感器部分、信號(hào)傳輸部分、刀柄下端24組成；壓電傳感器部分由傳感器上殼體3、三維壓電石英測(cè)量晶組27、絕緣套筒17、預(yù)緊螺釘25、傳感器下殼體26、扭矩信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)28、切向力信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)30、軸向力信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)32組成；三維壓電石英測(cè)量晶組27粘在傳感器下殼體26的內(nèi)腔凸臺(tái)中心上，絕緣套筒17緊貼在傳感器下殼體26的內(nèi)腔表面，焊接在三維壓電石英測(cè)量晶組27上的帶有絕緣外皮的扭矩信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)28、切向力信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)30和軸向力信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)32分別穿過(guò)絕緣套筒17、傳感器下殼體26、絕緣內(nèi)環(huán)19的側(cè)壁孔，絕緣內(nèi)環(huán)19緊貼傳感器下殼體26的外壁并固定在傳感器下殼體26的下端突出部位上，傳感器上殼體3壓在三維壓電石英測(cè)量晶組27上，通過(guò)預(yù)緊螺釘25與三維壓電石英測(cè)量晶組27和傳感器下殼體26連接；信號(hào)傳輸部分中，扭矩信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)28焊接在下輕型深溝球軸承16的內(nèi)圈上，下輕型深溝球軸承16裝在絕緣內(nèi)環(huán)19的外側(cè)；下絕緣定位環(huán)15套在絕緣內(nèi)環(huán)19的外側(cè)并壓在下輕型深溝球軸承16的內(nèi)圈上；切向力信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)30焊接在中輕型深溝球軸承14的內(nèi)圈上，中輕型深溝球軸承14裝在下絕緣定位環(huán)15上；上絕緣定位環(huán)13套在絕緣內(nèi)環(huán)19的外側(cè)，裝在中輕型深溝球軸承14的內(nèi)圈上；軸向力信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)32焊接在上輕型深溝球軸承12的內(nèi)圈上，上輕型深溝球軸承12裝在上絕緣定位環(huán)13上；裝在傳感器上殼體3上的絕緣定位盤(pán)6通過(guò)四個(gè)十字槽圓柱頭螺釘5壓在上輕型深溝球軸承12的內(nèi)圈上；軸向力信號(hào)外引線(xiàn)33焊接在上輕型深溝球軸承12的外圈上，切向力信號(hào)外引線(xiàn)31焊接在中輕型深溝球軸承14的外圈上，扭矩信號(hào)外引線(xiàn)29焊接在下輕型深溝球軸承16的外圈上；上角接觸球軸承4的外圈小端靠裝在上端定位外殼7的孔內(nèi)，上角接觸球軸承4外圈大端向下安裝在傳感器上殼體3上，且卡在傳感器上殼體3的軸肩上；絕緣外環(huán)11與外壁筒9底端對(duì)齊、孔對(duì)齊，安裝在外壁筒9內(nèi)，軸向力信號(hào)外引線(xiàn)33、切向力信號(hào)外引線(xiàn)31和扭矩信號(hào)外引線(xiàn)29分別穿過(guò)絕緣外環(huán)11和外壁筒9的上、中、下三個(gè)孔，絕緣外環(huán)11緊貼上輕型深溝球軸承12、中輕型深溝球軸承14、下輕型深溝球軸承16的外圈且絕緣外環(huán)11的底端突出部位卡住下輕型深溝球軸承16的外圈，外壁筒9通過(guò)螺栓8和螺母10與上端定位外殼7連接；下角接觸球軸承21的外圈小端靠裝在下端定位外殼20的孔內(nèi)，下角接觸球軸承21的外圈大端向上安裝在傳感器下殼體26上,卡在傳感器下殼體26的軸肩上,下端定位外殼20通過(guò)螺釘18與外壁筒9連接；銑刀刀柄上端I通過(guò)螺紋與壓電傳感器的傳感器上殼體3連接，銑刀刀柄上端I的底端卡在上角接觸球軸承4的內(nèi)圈上，兩個(gè)尾部有螺紋的上定位銷(xiāo)2擰在銑刀刀柄上端I與傳感器上殼體3連接部位的螺紋孔中，定位套23套在傳感器下殼體26上頂住下角接觸球軸承21的內(nèi)圈，刀柄下端24通過(guò)螺紋與壓電傳感器的傳感器下殼體26連接，刀柄下端24的軸肩頂住定位套23，兩個(gè)尾部有螺紋的下定位銷(xiāo)22擰在從定位套23的外壁一側(cè)的螺紋孔中。本發(fā)明的顯著效果是:設(shè)計(jì)發(fā)明的一種旋轉(zhuǎn)式三維壓電測(cè)力刀柄裝置，利用三個(gè)輕型深溝球軸承分別作為壓電傳感器的軸向力、切向力和扭矩信號(hào)的輸出途徑，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)動(dòng)軸上壓電傳感器信號(hào)的無(wú)線(xiàn)傳輸，使得測(cè)力儀可以安裝在機(jī)床的旋轉(zhuǎn)主軸上，直接測(cè)量加工過(guò)程中刀具所受的切削力和扭矩，所測(cè)信號(hào)不受工件自重影響，提高了測(cè)量準(zhǔn)確性，安裝時(shí)可以忽略切屑和切削液的損害。


附圖1為壓電式三維旋轉(zhuǎn)測(cè)力刀柄裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中:1_銑刀刀柄上端，2-上定位銷(xiāo)，3-傳感器上殼體，4-上角接觸球軸承，5-十字槽圓柱頭螺釘，6-絕緣定位盤(pán)，7-上端定位外殼，8-螺栓，9-外壁筒，10-螺母，11-絕緣外環(huán)，12-上輕型深溝球軸承，13-上絕緣定位環(huán)，14-中輕型深溝球軸承，15-下絕緣定位環(huán)，16-下輕型深溝球軸承，17-絕緣套筒，18-螺釘，19-絕緣內(nèi)環(huán)，20-下端定位外殼，21-下角接觸球軸承，22-下定位銷(xiāo)，23-定位套，24-刀柄下端，25-預(yù)緊螺釘，26-傳感器下殼體，27-三維壓電石英測(cè)量晶組，28-扭矩信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)，29-扭矩信號(hào)外引線(xiàn)，30-切向力信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)，31-切向力信號(hào)外引線(xiàn)，32-軸向力信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)，33-軸向力信號(hào)外引線(xiàn)，A-弧形凹槽。
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖1和技術(shù)方案詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施。銑削零件并測(cè)量銑削過(guò)程中的切削力和扭矩時(shí)，將旋轉(zhuǎn)式三維壓電測(cè)力刀柄裝置的銑刀刀柄上端I的內(nèi)螺紋與拉絲螺紋連接，使銑刀刀柄上端I的弧形凹槽A對(duì)準(zhǔn)機(jī)床主軸末端的定位塊來(lái)進(jìn)行定位。刀柄下端24和刀具夾頭配合用來(lái)夾緊刀具。加工時(shí)，主軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)銑刀刀柄上端I轉(zhuǎn)動(dòng)，與之連接的傳感器部分包括傳感器上殼體3、三維壓電石英測(cè)量晶組27、扭矩信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)28、切向力信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)30、軸向力信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)32、絕緣套筒17、預(yù)緊螺釘25、傳感器下殼體26 —起轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)刀柄下端24以及與之相連刀具開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)樯辖墙佑|球軸承4和下角接觸球軸承21的內(nèi)圈分別與傳感器上殼體3和傳感器下殼體26都是過(guò)盈配合，所以上角接觸球軸承4和下角接觸球軸承21的內(nèi)圈隨傳感器一起轉(zhuǎn)動(dòng)。絕緣內(nèi)環(huán)19粘貼在傳感器上殼體3和傳感器下殼體26的外表面，上輕型深溝球軸承12的內(nèi)圈、上絕緣定位環(huán)13、中輕型深溝球軸承14的內(nèi)圈、下絕緣定位環(huán)15、下輕型深溝球軸承16的內(nèi)圈粘貼在絕緣內(nèi)環(huán)19的外表面，且有傳感器下殼體26的底端突出部位和絕緣定位盤(pán)6及十字槽圓柱頭螺釘5的雙向定位，這些零部件隨著傳感器部分一起轉(zhuǎn)動(dòng)。測(cè)量時(shí)，刀具切削工件時(shí)受到工件的反作用切削力和扭矩，通過(guò)力的傳遞以及預(yù)緊螺釘25連接傳感器上殼體3、三維壓電石英測(cè)量晶組27和傳感器下殼體26產(chǎn)生的預(yù)緊力使三維壓電石英測(cè)量晶組27受到力和扭矩，發(fā)生壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷。軸向力電荷信號(hào)由軸向力信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)32引出到上輕型深溝球軸承12的內(nèi)圈上，經(jīng)過(guò)上輕型深溝球軸承12中間的鋼球傳輸?shù)缴陷p型深溝球軸承12的外圈，通過(guò)軸向力信號(hào)外引線(xiàn)33引出到第一臺(tái)電荷放大器中，經(jīng)電荷放大器放大后傳送到多功能數(shù)據(jù)采集模塊中；切向力電荷信號(hào)由切向力信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)30引出到中輕型深溝球軸承14的內(nèi)圈上，經(jīng)過(guò)中輕型深溝球軸承14中間的鋼球傳輸?shù)街休p型深溝球軸承14的外圈，通過(guò)切向力信號(hào)外引線(xiàn)31引出到第二臺(tái)電荷放大器中，經(jīng)電荷放大器放大后傳送到多功能數(shù)據(jù)采集模塊中；扭矩電荷信號(hào)由扭矩信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)28引出到下輕型深溝球軸承16的內(nèi)圈上，經(jīng)過(guò)下輕型深溝球軸承16中間的鋼球傳輸?shù)较螺p型深溝球軸承16的外圈，通過(guò)扭矩信號(hào)外引線(xiàn)29引出到第三臺(tái)電荷放大器中，經(jīng)電荷放大器放大后傳送到多功能數(shù)據(jù)采集模塊中。放大后的軸向力、切向力和扭矩三路信號(hào)經(jīng)過(guò)多功能數(shù)據(jù)采集模塊的計(jì)算和Α/D轉(zhuǎn)換后，被輸送到計(jì)算機(jī)上的與該多功能數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)應(yīng)的軟件中進(jìn)行顯示、分析、處理和保存。附圖1中的銑刀刀柄上端I是可換式結(jié)構(gòu)，用可換式鉆刀刀柄將銑刀刀柄上端I換掉，則此旋轉(zhuǎn)式三維壓電測(cè)力刀柄裝置可用于鉆床上測(cè)量鉆削過(guò)程中的切削力和扭矩。該旋轉(zhuǎn)式三維壓電測(cè)力刀柄裝置可以對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)著的刀具所受的軸向力、切向力和扭矩直接進(jìn)行測(cè)量，不受工件自重變化的影響，測(cè)量更準(zhǔn)確，減少了切屑和切削液等對(duì)測(cè)力儀的損害。此裝置適用于精密零件加工過(guò)程中切削力的監(jiān)控環(huán)節(jié)中，提高切削自動(dòng)化水平。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)式三維壓電測(cè)力刀柄裝置，其特征是，該裝置由可換式銑刀刀柄上端(I)、壓電傳感器部分、信號(hào)傳輸部分、刀柄下端(24)組成； 壓電傳感器部分由傳感器上殼體(3)、三維壓電石英測(cè)量晶組(27)、絕緣套筒(17)、預(yù)緊螺釘(25)、傳感器下殼體(26)、扭矩信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)(28)、切向力信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)(30)、軸向力信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)(32)組成；三維壓電石英測(cè)量晶組(27)粘在傳感器下殼體(26)的內(nèi)腔凸臺(tái)中心上，絕緣套筒(17)緊貼在傳感器下殼體(26)的內(nèi)腔表面，焊接在三維壓電石英測(cè)量晶組(27)上的帶有絕緣外皮的扭矩信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)(28)、切向力信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)(30)和軸向力信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)(32)分別穿過(guò)絕緣套筒(17)、傳感器下殼體(26)、絕緣內(nèi)環(huán)(19)的側(cè)壁孔，絕緣內(nèi)環(huán)(19)緊貼傳感器下殼體(26)的外壁并固定在傳感器下殼體(26)的下端突出部位上，傳感器上殼體(3 )壓在三維壓電石英測(cè)量晶組(27 )上，通過(guò)預(yù)緊螺釘(25 )與三維壓電石英測(cè)量晶組(27)和傳感器下殼體(26)連接； 信號(hào)傳輸部分中，扭矩信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)(28)焊接在下輕型深溝球軸承(16)的內(nèi)圈上，下輕型深溝球軸承(16)裝在絕緣內(nèi)環(huán)(19)的外側(cè)；下絕緣定位環(huán)(15)套在絕緣內(nèi)環(huán)(19)的外側(cè)并壓在下輕型深溝球軸承(16)的內(nèi)圈上；切向力信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)(30)焊接在中輕型深溝球軸承(14)的內(nèi)圈上，中輕型深溝球軸承(14)裝在下絕緣定位環(huán)(15)上；上絕緣定位環(huán)(13)套在絕緣內(nèi)環(huán)(19)的外側(cè)，裝在中輕型深溝球軸承(14)的內(nèi)圈上；軸向力信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)(32)焊接在上輕型深溝球軸承(12)的內(nèi)圈上，上輕型深溝球軸承(12)裝在上絕緣定位環(huán)(13)上；裝在傳感器上殼體(3)上的絕緣定位盤(pán)(6)通過(guò)四個(gè)十字槽圓柱頭螺釘(5)壓在上輕型深溝球軸承(12)的內(nèi)圈上；軸向力信號(hào)外引線(xiàn)(33)焊接在上輕型深溝球軸承(12)的外圈上，切向力信號(hào)外引線(xiàn)(31)焊接在中輕型深溝球軸承(14)的外圈上，扭矩信號(hào)外引線(xiàn)(29)焊接在下輕型深溝球軸承(16)的外圈上；上角接觸球軸承(4)的外圈小端靠裝在上端定位外殼(7)的孔內(nèi)，上角接觸球軸承(4)外圈大端向下安裝在傳感器上殼體(3)上，且卡在傳感器上殼體(3)的軸肩上；絕緣外環(huán)(11)與外壁筒(9)底端對(duì)齊、孔對(duì)齊，安裝在外壁筒(9)內(nèi)，軸向力信號(hào)外引線(xiàn)(33)、切向力信號(hào)外引線(xiàn)(31)和扭矩信號(hào)外引線(xiàn)(29)分別穿過(guò)絕緣外環(huán)(11)和外壁筒(9 )的上、中、下三個(gè)孔，絕緣外環(huán)(11)緊貼上輕型深溝球軸承(12)、中輕型深溝球軸承(14)、下輕型深溝球軸承(16)的外圈且絕緣外環(huán)(11)的底端突出部位卡住下輕型深溝球軸承(16)的外圈，外壁筒(9)通過(guò)螺栓(8)和螺母(10)與上端定位外殼(7)連接；下角接觸球軸承(21)的外圈小端靠裝在下端定位外殼(20)的孔內(nèi)，下角接觸球軸承(21)的外圈大端向上安裝在傳感器下殼體(26)上,卡在傳感器下殼體(26)的軸肩上，下端定位外殼(20 )通過(guò)螺釘(18 )與外壁筒(9 )連接； 銑刀刀柄上端(I)通過(guò)螺紋與壓電傳感器的傳感器上殼體(3)連接，銑刀刀柄上端(I)的底端卡在上角接觸球軸承(4)的內(nèi)圈上，兩個(gè)尾部有螺紋的上定位銷(xiāo)(2)擰在銑刀刀柄上端(I)與傳感器上殼體(3 )連接部位的螺紋孔中，定位套(23 )套在傳感器下殼體(26 )上頂住下角接觸球軸承(21)的內(nèi)圈，刀柄下端(24)通過(guò)螺紋與壓電傳感器的傳感器下殼體(26)連接，刀柄下端(24)的軸肩頂住定位套(23)，兩個(gè)尾部有螺紋的下定位銷(xiāo)(22)擰在從定位套(23)的外壁一側(cè)的螺紋孔中。
全文摘要
本發(fā)明的一種旋轉(zhuǎn)式三維壓電測(cè)力刀柄裝置屬于壓電式傳感器中的測(cè)力裝置領(lǐng)域，特別涉及一種直接測(cè)量銑削、鉆削等機(jī)械加工過(guò)程中刀具所受的軸向力、切向力和扭矩的裝置。該裝置由可換式銑刀刀柄上端、壓電傳感器部分、信號(hào)傳輸部分、刀柄下端組成。壓電傳感器部分由傳感器上殼體、三維壓電石英測(cè)量晶組、絕緣套筒、傳感器下殼體、切向力、軸向力、扭矩信號(hào)內(nèi)引線(xiàn)等組成。本發(fā)明用三個(gè)軸承分別作為壓電傳感器的軸向力、切向力和扭矩信號(hào)的輸出途徑，解決了壓電傳感器安裝在機(jī)床主軸上時(shí)，信號(hào)的無(wú)線(xiàn)傳輸問(wèn)題。本裝置測(cè)量準(zhǔn)確，減少了切屑和切削液對(duì)測(cè)力儀的損害，適用于精密零件加工中，對(duì)切削力的監(jiān)控，提高切削自動(dòng)化水平。
文檔編號(hào)B23Q17/09GK103203661SQ201310088738
公開(kāi)日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月19日
發(fā)明者任宗金, 賈振元, 尚永艷, 高翼飛, 高勝南, 盧曉紅 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)