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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(yùn)涵著豐富的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(xiàng)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(shí)測量車削中雙向切削分力，經(jīng)過進(jìn)一步的信號建模處理后，達(dá)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(dāng)各橋臂應(yīng)變片靈敏度k相同時(shí)，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(jì)

    本傳感器的設(shè)計(jì)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(jì)要求[2]設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)制作了一種微型內(nèi)藏式測力傳感器．

4感應(yīng)分析與計(jì)算

作用在刀尖位置處的切削力可按空間直角座標(biāo)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(fù)特性，利用電阻應(yīng)變片組成的全橋電路的加強(qiáng)或抵消作用進(jìn)行疊加，使得兩翼板內(nèi)表面與X軸的兩個交點(diǎn)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(dá),腹板內(nèi)、外表面與z軸的兩個交點(diǎn)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(dá)，同時(shí)，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(shí)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(dāng)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(diǎn)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(shí)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(shí)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(diǎn)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(jìn)行動、靜態(tài)標(biāo)定的試驗(yàn)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(dá)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(xiàng)目，經(jīng)大量切削實(shí)驗(yàn)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(jià)值。上述動態(tài)性能只是實(shí)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(jì)與研制過程巾，得到西安礦業(yè)學(xué)院孫蒲軍同志的幫助，并承蒙濟(jì)南第一機(jī)床廠的協(xié)助，在此表示感謝，

   

參考文獻(xiàn)

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

2蔣智翔．材料力學(xué)，北京：清華大學(xué)出版社，1985

3石來德，袁禮甲，機(jī)械參數(shù)電測技水．上海;上海科學(xué)技術(shù)出版，1981：49~50

 

 

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