一种高频率紧凑型三分量测力装置

1.本发明属于高速微加工技术领域，更具体地，涉及一种高频率紧凑型三分量测力装置。


背景技术：

2.随着微加工技术的发展，通过微细铣刀在高精密机床上能够实现复杂形状微零件的加工，在微米/纳米级切削中，刀尖相对于切削厚度不再是尖锐锋利的，切削过程中，材料内的应力分布和晶体的断裂、变形和错位机理都发生了改变。对于硬脆材料来说，当切削厚度为亚微米级时，材料的去除方式呈现出近似于金属的塑性去除，其间没有断裂现象产生，硬脆材料在加工过程中产生了脆塑转变，除了脆性断裂引起的崩碎现象，还有塑性域内切削刀具的切削刃形貌对加工表面的复映作用。在硬脆材料的微加工中，加工参数将直接影响到加工表面质量，而最能反馈加工参数与加工质量的好坏的即为切削力的大小。
3.目前市面上的测力仪多为压电式测力仪，以瑞士kistler公司9139a测力仪为例，其测力仪中压电式传感器的个数为4个，传感器的结构与封装工艺相对复杂且成本极高，相对应的，测力仪的体积与质量也随之增加，而更大的传感器质量所带来的就是测力仪固有频率与工作频带的降低，在进行高速微加工过程中切削力的测量时，往往无法准确反馈切削力的变化。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高频率紧凑型三分量测力装置，其目的在于解决现有压电式测力仪在高速微加工过程中无法准确反馈切削力的变化的技术问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种高频率紧凑型三分量测力装置，所述装置包括六棱凸台基板、柱状切边盖板和三个环型力敏传感元件：
6.所述六棱凸台基板为一体左右对称结构，所述六棱凸台基板的上表面的内切圆上均匀分布有多个通孔用于固定待测工件，所述六棱凸台基板沿轴向向下开有圆柱形空腔，所述空腔底面沿圆周均匀分布有三个定位凹槽，在靠近所述定位凹槽的所述六棱凸台基板侧边上开有过线圆孔，所述过线圆孔的轴线平行且高于所述定位凹槽中心和所述空腔底面圆心的连线；
7.所述环型力敏传感元件的外形匹配所述定位凹槽，所述定位凹槽用于安装定位所述环型力敏传感元件；所述过线圆孔用于穿过所述环型力敏传感元件的信号连接线；
8.所述柱状切边盖板为圆柱形盖板，用于盖在所述圆柱形空腔上。
9.进一步地，所述环型力敏传感元件由三组压电晶片组堆叠组成，所述三组压电晶片组分别为两组y0
°
切型晶组和一组x0
°
切型晶组，所述x0
°
切型晶组位于所述两组y0
°
切型晶组之间；所述压电晶片组之间有一层与压电晶片组形状相同的铜制薄电极片。
10.进一步地，所述环型力敏传感元件为环形，其中所述铜制薄电极片和所述压电晶
片组的中间带孔洞。
11.进一步地，所述定位凹槽的中心位置开有不贯通固定孔，所述柱状切边盖板上开有三个传感元件固定孔，所述不贯通固定孔的位置和传感元件固定孔的位置一一对应，位置对应的不贯通固定孔和传感元件固定孔之间采用固定件固定，将所述环型力敏传感元件固定在柱状切边盖板和所述六棱凸台基板之间。
12.进一步地，在每个所述定位凹槽和所述过线圆孔之间开有两个对称的传感元件定位孔，所述传感元件定位孔用于对所述环型力敏传感元件进行定位。
13.进一步地，所述六棱凸台基板的圆柱形空腔底面开有多个固定孔，在所述柱状切边盖板上的对应位置也开了多个固定孔；位置对应的两个固定孔之间采用固定件固定，将所述柱状切边盖板固定在所述六棱凸台基板上。
14.进一步地，所述六棱凸台基板的基板四周均匀的开有多个通孔用于固定所述六棱凸台基板。
15.本发明还提供了一种高频率三分量测力方法，其特征在于，所述方法基于本发明公开的一种高频率紧凑型三分量测力装置，所述方法具体包括以下步骤：
16.步骤一、将所述六棱凸台基板固定安装在工作台上，且保证所述六棱凸台基板水平安装且和工作台之间没有空隙；
17.步骤二、将待加工工件固定在所述六棱凸台基板上，且保证待加工工件和所述六棱凸台基板的上表面紧密接触；
18.步骤三、对工件进行高速微加工，切削力经由所述柱状切边盖板上表面传递到放置于六棱凸台基板与柱状切边盖板间的三个所述环型力敏传感元件上；
19.步骤四、将三个所述环型力敏传感元件采集到的数据代入下式推到出切削力：
[0020][0021][0022]fz
＝f
z1
+f
z2
+f
z3
；
[0023]
其中，f
x
、fy和fz分别表示切削力在三个互相垂直方向上的分量；f
x1
、f
y1
和f
z1
分别表示第一环型力敏传感元件测得的三个互相垂直方向上的力分量；f
x2
、f
y2
和f
z2
分别表示第二环型力敏传感元件测得的三个互相垂直方向上的力分量；f
x3
、f
y3
和f
z3
分别表示第三环型力敏传感元件测得的三个互相垂直方向上的力分量；三个所述环型力敏传感元件分别是第一环型力敏传感元件、第二环型力敏传感元件和第三环型力敏传感元件。
[0024]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0025]
(1)本发明装置传感器数量少，结构紧凑，自身体积和重量小，因此其固有频率与工作频带较现有测力仪高，因此能在高速微加工中高频且准确的检测出切削力的变化；
[0026]
(2)本发明装置中三个环型力敏传感元件结构独特，且沿圆柱形空腔底面圆周均匀分布，固定在六棱凸台基板和柱状切边盖板之间，进行工件微加工时，工件收到切削力，通过柱状切边盖板传递到六棱凸台基板和柱状切边盖板之间的三个环型力敏传感元件上，
环型力敏传感元件将受力转换为电信号输出，基于传感器的结构和受力分布，通过本技术公开的方法能准确计算出微加工高速条件下工件所收到的切削力。
附图说明
[0027]
图1是为本发明装置实施例的总体结构组成示意图；
[0028]
图2是为本发明装置实施例中六棱凸台基板的结构示意图；
[0029]
图3是为本发明装置实施例中柱状切边盖板的结构示意图；
[0030]
图4是为本发明装置实施例中环型力敏传感元件的结构示意图；
[0031]
在所有附图中，相同附图标记用以表示相同的元件或结构，其中：
[0032]
1为六棱凸台基板；2为柱状切边盖板；3为环型力敏传感元件。
具体实施方式
[0033]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0034]
如图1所示，本发明装置包括：六棱凸台基板、柱状切边盖板和三个环型力敏传感元件；
[0035]
如图2所示，六棱凸台基板一体中空左右对称结构，下部为基板部分，上部分为六棱凸台部分；基板部分的四角各开有一个圆形安装固定孔，可通过螺母和安装固定孔将六棱凸台基板固定在工作台上；
[0036]
六棱凸台基板沿轴向向下开有圆柱形空腔，空腔底面沿圆周均匀分布有三个圆形定位凹槽，在靠近定位凹槽的六棱凸台基板侧边上开有贯通过线圆孔，过线圆孔的轴线平行且高于定位凹槽中心和空腔底面圆心的连线；
[0037]
六棱凸台基板的上表面的内切圆上均匀分布有六个通孔，可通过通孔和固定杆将待测工件固定在六棱凸台基板上；
[0038]
定位凹槽的中心位置开有不贯通固定孔；每个定位凹槽和贯通过线圆孔之间开有两个对称的传感元件定位孔，传感元件定位孔用于对所述环型力敏传感元件进行定位，保证环型力敏传感元件在安装后保持水平，且三个环型力敏传感元件自身正方向之间的夹角相等；
[0039]
六棱凸台基板的圆柱形空腔底面均匀的开有九个盖板固定孔；
[0040]
如图3所示，柱状切边盖板为圆柱形扁平盖板，厚度为15.3mm；
[0041]
柱状切边盖板上表面开有三个沿圆周均匀分布的沉头螺栓通孔，沉头螺栓通孔的位置和定位凹槽中心不贯通固定孔的位置一一对应，沉头螺栓通孔和不贯通固定孔之间通过固定件将环型力敏传感元件固定在柱状切边盖板和六棱凸台基板之间；
[0042]
柱状切边盖板上表面还均匀开有九个盖板固定孔，盖板固定孔的位置和圆柱形空腔底面的盖板固定孔位置一一对应；通过在盖板固定孔之间安装固定件将柱状切边盖板固定在六棱凸台基板上；
[0043]
柱状切边盖板上表面圆周处作45
°
倒角处理，倒角宽度为1mm；
[0044]
如图4所示，环型力敏传感元件由三组压电晶片组堆叠组成，实施例中压电晶片组为石英晶片组，所述三组压电晶片组分别为两组y0
°
切型晶组和一组x0
°
切型晶组，所述x0
°
切型晶组位于所述两组y0
°
切型晶组之间；所述压电晶片组之间有一层与压电晶片组形状相同的铜制薄电极片；所述环型力敏传感元件为环形，其中铜制薄电极片和压电晶片组的中间带孔洞。
[0045]
柱状切边盖板安装前为保证测力仪各方向力没有干扰，应对环型力敏传感元件的位置进行调试，保证环型力敏传感元件在安装后保持水平，且三个环型力敏传感元件自身正方向之间的夹角相等；调试完成后将柱状切边盖板按照固定孔的位置放置于圆柱形空腔中，先按顺时针顺序依次扭紧九个盖板固定孔中的定位锁紧螺栓，之后分两段扭紧固定环型力敏传感元件的预紧螺栓，第一步拧50％左右的力矩，第二步拧100％的力矩，其中预紧螺栓的预紧力应为9500n，最大预紧力不超过12000n。
[0046]
使用时，先将本发明测力装置通过其六棱凸台基板上的四个呈矩形布置的通孔安装于机床工作台上，安装时应确保安装水平且测力装置底面与工作台之间无空隙，之后将加工件或装载有加工件的夹具通过六棱凸台基板上沿六棱内切圆均布的通孔固定于测力装置上，确保加工件或夹具仅与测力装置中的柱状切边盖板上表面紧密接触。
[0047]
测量时，微加工切削力经由柱状切边盖板上表面传递到放置于六棱凸台基板与柱状切边盖板间的三个环型力敏传感元件上，经环型力敏传感元件的压电效应将受力分解为fx、fy、fz三个互相垂直的方向并输出电荷，经由电荷放大器、加法器等一系列器件测定切削力。
[0048]
以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高频率紧凑型三分量测力装置，其特征在于，所述装置包括六棱凸台基板(1)、柱状切边盖板(2)和三个环型力敏传感元件(3)：所述六棱凸台基板(1)为一体左右对称结构，所述六棱凸台基板(1)的上表面的内切圆上均匀分布有多个通孔用于固定待测工件，所述六棱凸台基板(1)沿轴向向下开有圆柱形空腔，所述空腔底面沿圆周均匀分布有三个定位凹槽，在靠近所述定位凹槽的所述六棱凸台基板(1)侧边上开有过线圆孔，所述过线圆孔的轴线平行且高于所述定位凹槽中心和所述空腔底面圆心的连线；所述环型力敏传感元件(3)的外形匹配所述定位凹槽，所述定位凹槽用于安装定位所述环型力敏传感元件(3)；所述过线圆孔用于穿过所述环型力敏传感元件(3)的信号连接线；所述柱状切边盖板(2)为圆柱形盖板，用于盖在所述圆柱形空腔上。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述环型力敏传感元件(3)由三组压电晶片组堆叠组成，所述三组压电晶片组分别为两组y0
°
切型晶组和一组x0
°
切型晶组，所述x0
°
切型晶组位于所述两组y0
°
切型晶组之间；所述压电晶片组之间有一层与压电晶片组形状相同的铜制薄电极片。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述环型力敏传感元件(3)为环形，其中所述铜制薄电极片和所述压电晶片组的中间带孔洞。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述定位凹槽的中心位置开有不贯通固定孔，所述柱状切边盖板(2)上开有三个传感元件固定孔，所述不贯通固定孔的位置和传感元件固定孔的位置一一对应，位置对应的不贯通固定孔和传感元件固定孔之间采用固定件固定，将所述环型力敏传感元件(3)固定在柱状切边盖板(2)和所述六棱凸台基板(1)之间。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在每个所述定位凹槽和所述过线圆孔之间开有两个对称的传感元件定位孔，所述传感元件定位孔用于对所述环型力敏传感元件(3)进行定位。6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述六棱凸台基板(1)的圆柱形空腔底面开有多个固定孔，在所述柱状切边盖板(2)上的对应位置也开了多个固定孔；位置对应的两个固定孔之间采用固定件固定，将所述柱状切边盖板(2)固定在所述六棱凸台基板(1)上。7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述六棱凸台基板(1)的基板四周均匀的开有多个通孔用于固定所述六棱凸台基板(1)。8.一种高频率三分量测力方法，其特征在于，所述方法用于权利要求1～7中任一项所公开的高频率紧凑型三分量测力装置，所述方法具体包括以下步骤：步骤一、将所述六棱凸台基板(1)固定安装在工作台上，且保证所述六棱凸台基板(1)水平安装且和工作台之间没有空隙；步骤二、将待加工工件固定在所述六棱凸台基板(1)上，且保证待加工工件和所述六棱凸台基板(1)的上表面紧密接触；步骤三、对工件进行高速微加工，切削力经由所述柱状切边盖板(2)上表面传递到放置于六棱凸台基板(1)与柱状切边盖板(2)间的三个所述环型力敏传感元件(3)上；步骤四、将三个所述环型力敏传感元件(3)采集到的数据代入下式推到出切削力：
f
z
＝f
z1
+f
z2
+f
z3
；其中，f
x
、f
y
和f
z
分别表示切削力在三个互相垂直方向上的分量；f
x1
、f
y1
和f
z1
分别表示第一环型力敏传感元件测得的三个互相垂直方向上的力分量；f
x2
、f
y2
和f
z2
分别表示第二环型力敏传感元件测得的三个互相垂直方向上的力分量；f
x3
、f
y3
和f
z3
分别表示第三环型力敏传感元件测得的三个互相垂直方向上的力分量；三个所述环型力敏传感元件(3)分别是第一环型力敏传感元件、第二环型力敏传感元件和第三环型力敏传感元件。

技术总结
本发明公开了一种高频率紧凑型三分量测力装置，属于高速微加工技术领域。其具体包括：六棱凸台基板，为一体左右对称结构，其上表面的内切圆上均匀分布有多个通孔用于固定待测工件，其沿轴向向下开有圆柱形空腔，空腔底面沿圆周均匀分布有三个定位凹槽，在靠近定位凹槽的六棱凸台基板侧边上开有过线圆孔，过线圆孔的轴线平行且高于定位凹槽中心和空腔底面圆心的连线；环型力敏传感元件，其外形匹配定位凹槽，定位凹槽用于安装定位环型力敏传感元件；过线圆孔用于穿过环型力敏传感元件的信号连接线；柱状切边盖板，其为圆柱形盖板，盖在圆柱形空腔上。本发明装置结构简单、精度高、固有频率高，可实现静态力、高频动态力的周期测量以及在线测量。以及在线测量。以及在线测量。


技术研发人员：许剑锋 卢禹江 张建国 马善意 陈肖 肖峻峰
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/25