适应高速铣削加工实时监控的电荷应变测力仪及使用方法技术

本发明专利技术公开了一种适应高速铣削加工实时监控的电荷应变测力仪及其使用方法，包括安装在刀柄和刀夹之间的三向环形力敏元件，所述三向环形力敏元件为圆环状结构，三向环形力敏元件的厚度由外环向内环逐渐减薄；三向环形力敏元件连接有无线发射器，刀柄内成形有刀柄中间孔；无线发射器安装在刀柄中间孔内；无线发射器无线连接有PC控制端。本发明专利技术提供了避免恶劣工况的能够快速准确的消除了引起加工不稳定的源头，提高了加工的稳定性及精度，改善了加工质量，提高了高速加工的极限速度。

Charge strain force measuring instrument adapted to high-speed milling process real-time monitoring and its using method

The invention discloses a charge to strain real-time monitoring of high speed milling force measuring instrument and method of use, including three to the annular force sensing element is installed on the knife handle and the knife is clamped between the three, to the annular force sensing element for circle structure, the thickness of three to the annular force sensing element is composed of an outer ring is gradually reduced thin to inner; three to the annular force sensing element is connected with a wireless transmitter, a handle hole forming handle; a wireless transmitter is arranged in the middle hole in the handle; the wireless transmitter is connected with a PC wireless control terminal. The present invention provides to avoid harsh conditions can quickly and accurately eliminate the source of instability caused by processing, improve the stability and accuracy of processing, improve processing quality, improve the speed limit of high speed machining.

【技术实现步骤摘要】
适应高速铣削加工实时监控的电荷应变测力仪及使用方法
技术介绍
高速切削中，系统的稳定性对加工精度及安全至关重要，高速切削中的颤振会大幅度减少刀具的使用寿命，颤振引起的刀刃的崩裂如同出膛的子弹，严重影响高速切削加工的安全性。高速铣削加工实时监控的电荷应变测力仪，能够实时快速可靠的反馈铣削过程中的铣削力，便于预测并及时调整铣削参数主动减振结构能够提高高速切削的稳定性，有利于提高加工精度及安全性。现有的力敏感元件都是固定在待检测的零件上，随着零部件工作过程中的对待检测的零件施加力使其变形或位移，导致力敏元件的变形或位移，通过相关规律及数学计算，从而测得待测零件的加速度、速度、位移、力等参数，难以满足运动零件的监测要求。其结构通常为六面体测得3向的压力，但是难以满足受力面较大或高灵敏度的要求；或圆环测一个反向的压力，或者通过不同的桥接回路及不同方向的圆环进行组合测的不同方向的压力，并输出，其结构与计算过程复杂，且在监测过程中难以实现对三个方向元件的均衡测量；在精密高速铣削铸铝合金的面铣加工过程中，其待加工面垂直方向的振动对控制其表面粗糙度及精度至关重要，传统的力敏元件其垂直方向高敏感度要求。本专利技术通过特定的力敏元件，计算方式及各零件的连接方式实现了过去力敏元件难以满足的各方向高灵敏度。
技术实现思路
切削力的非线性性是机床颤振及加工不稳定的主要原因之一，而高速切削工况与与切削力密切相关，切削力的准确快速获得，有利实时监控铣削加工，并为预测高速铣削工况及调整加工参数提前条件，提高零件加工质量。提供了避免恶劣工况的能够快速准确的消除了引起加工不稳定的源头，提高了加工的稳定性及精度，改善了加工质量，提高了高速加工的极限速度。为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一种适应高速铣削加工实时监控的电荷应变测力仪，包括安装在刀柄和刀夹之间的三向环形力敏元件，所述三向环形力敏元件为圆环状结构，三向环形力敏元件的厚度由外环向内环逐渐减薄；三向环形力敏元件连接有无线发射器，刀柄内成形有刀柄中间孔；无线发射器安装在刀柄中间孔内；无线发射器无线连接有PC控制端。进一步的改进，三向环形力敏元件相对刀柄的轴向倾斜安装，三向环形力敏元件的倾斜角度为12.46°。进一步的改进，所述三向环形力敏元件通过引线连接无线发射器，无线发射器中集成有电荷放大器。进一步的改进，所述无线发射器内集成有信号解调器。进一步的改进，所述三向环形力敏元件为三向环形耐高温力敏元件。进一步的改进,所述三向环形力敏元件套设在刀柄和刀夹的连接处，刀柄与刀夹固定连接.一种适应高速铣削加工实时监控的电荷应变测力仪的使用方法，应变与三向环形力敏元件测得的力具有如下关系：铣刀刀刃在A点中受到空间的中的铣削力为F，其可以分解为x，y，z方向的力，分别为fx，fy，fz，环形力敏元件的内径为r1，外径为r2，倾斜角度为θ，-180°≤θ≤180°；其中εx，εy，εz分别表示x，y，z三个方向的应变，E为力敏元件3个方向下的弹性模量，x1＝y1＝z1＝r1，x2＝y2＝z2＝r2；x1表示对x积分的初始值；y1表示y积分的初始值；z1表示z积分的初始值；x2表示x积分的结束值；y2表示y积分的结束值；z2表示z积分的结束值；δi表示应变系数；i表示压电传感器的应变变化，压缩为1，拉伸为2。进一步的改进，θ＝12.46°。附图说明图1为三向环形力敏元件的立体结构示意图；图2为三向环形力敏元件的剖面结构示意图；图3为本专利的结构示意图；图4为三向环形力敏元件随时间变化的位移图。其中，1为电机，2为主轴，3为刀柄，4为刀夹，5为铣刀刃，6为六角螺栓，7为三向环形力敏元件，8为无线发射器实施例如图3所示的一种适应高速铣削加工实时监控的电荷应变测力仪，主要由铣刀、刀柄、刀夹，三向环形耐高温力敏元件，电荷放大器、引线，信号发射器，密封胶，螺栓，垫圈组成。铣刀通过螺纹与刀夹连接，刀夹与刀柄通过6个六角螺栓连接，其中螺栓接触处有垫圈，刀夹与刀柄间隙出用密封胶密封，刀柄中开设有刀柄中间孔用于引线，引线与电荷放大器，无线发射器连接，刀柄与主轴连接；无线发射器与电荷放大器刀柄内部，线路均从刀柄中间孔穿越，在尾端中装有信号发射器，并集成有信号解调器，实现数据的解耦，数模转换以及滤通波。；刀柄上成形有环形台阶，三向环形力敏元件固定在环形台阶外围，刀夹成形有与三向环形力敏元件配合的凹槽，三向环形力敏元件处于凹槽内并套设在环形台阶上；凹槽与环形台阶配合将三向环形力敏元件包围固定。如图1和图3所示，三向环形力敏元件为类似圆环的结构，其轴侧图如图1所示，其截面是如图2所示，类似等腰梯形，上底为L1，下底为L2，整体尺寸如图2所示，内径为r1，外径为r2，力敏元件内径处的长度为：l1＝r2-r1力敏元件外径处的长度为：l2＝l1+2(r2-r1)sinθ应变的方法如下：如图3所示，假设铣刀刀刃在A点中受到空间的中的铣削力为F，其可以分解为x，y，z方向的力，分别为fx，fy，fz，环形力敏元件的内径为r1，外径为r2，倾斜角度为θ，-180≤θ≤180根据固体力学力－应变原理则有其中εx，εy，εz分别表示x，y，z三个方向的应变，E为力敏元件3个方向下的弹性模量，x1＝y1＝z1＝r1，x2＝y2＝z2＝r2通常在高速铣削加工过程中，三个方向的振动对铣削加工零件的质量影响不一样，x，y方向的振动对力的影响非常敏感，一旦刀具出现不正常的磨损，就会在X，y方向的力快速提现出来，在加工预警过程中，一般均采用X，y方向的力；而其在高速铣削过程中，Z向的振动对表面质量的影响是至关重要的。Z向的振动同样会在力方面快速提现出来。设定x，y，z方向的振动对加工质量的影响的权值均为1。实施例2三向环形力敏元件的安装方式优化如下：设计目标函数f(θ)＝α1fx+α2fy+α3fz(4)f(θ)表示以θ角度变量为总目标函数，α1表示fx的权值；α2表示fy的权值；α3表示fz的权值。压电传感器为各项同性材质，且为线性变，在三个方向的应变简化为：εx＝εy＝εz＝lε，其中ε为应变系数，0≤l≤l2(5)l表示压电传感器截面的长度；其中是主轴旋转角速度函数，分别表示正常运转的位移导致应变函数与受力后发生位移的应变函数。在运动过程中假设压电传感器的未受到压力而产生应变的位移变化为为图中振幅较大的曲线，在运动过程中假设压电传感器的因受到压力而产生应变的位移变化为为图4中振幅较小的曲线。分别将实施例1中的(1)，(2)，(3)式积分可得令F(θ)＝cosθ(1+2sinθ)(9)F(θ)表示以角度θ为变量的函数；对(9)求导可的：而：sinθ2+cosθ2＝1(11)求得sinθ＝-0.125时，θ＝12.46，最大，F(θ)对θ的灵敏度最高，即对应力变化最敏感，微小应变的能输出最大力，因此θ是最优的。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适应高速铣削加工实时监控的电荷应变测力仪，其特征在于，包括安装在刀柄和刀夹之间的三向环形力敏元件，所述三向环形力敏元件为圆环状结构，三向环形力敏元件的厚度由外环向内环逐渐减薄；三向环形力敏元件连接有无线发射器，刀柄内成形有刀柄中间孔；无线发射器安装在刀柄中间孔内；无线发射器无线连接有PC控制端。

【技术特征摘要】
1.一种适应高速铣削加工实时监控的电荷应变测力仪，其特征在于，包括安装在刀柄和刀夹之间的三向环形力敏元件，所述三向环形力敏元件为圆环状结构，三向环形力敏元件的厚度由外环向内环逐渐减薄；三向环形力敏元件连接有无线发射器，刀柄内成形有刀柄中间孔；无线发射器安装在刀柄中间孔内；无线发射器无线连接有PC控制端。2.如权利要求2所述的适应高速铣削加工实时监控的电荷应变测力仪，其特征在于，三向环形力敏元件相对刀柄的轴向倾斜安装，三向环形力敏元件的倾斜角度为12.46°。3.如权利要求1所述的适应高速铣削加工实时监控的电荷应变测力仪，其特征在于，所述三向环形力敏元件通过引线连接无线发射器；无线发射器内集成有电荷放大器和信号解调器。4.如权利要求1所述的适应高速铣削加工实时监控的电荷应变测力仪，其特征在于，所述三向环形力敏元件为三向环形耐高温力敏元件。5.如权利要求1所述的适应高速铣削加工实时监控的电荷应变测力仪，其特征在于，所述三向环形力敏元件套设在刀柄和刀夹的连接处，刀柄与刀夹固定连接。6.一种适应高速铣削加工实时监控的电荷应变测力仪的使用方法，其特征在于，应变与三向环形力敏元件测得的力具有如下关系：铣刀刀刃在A点中受到空间的中的铣削力为F，其分解为x...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖志信，陈雪林，唐小珍，周唯，
申请(专利权)人：湖南工学院，
类型：发明
国别省市：湖南,43