（机械制造及其自动化专业论文）切削力测量系统传感器设计.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 测量切削过程中切削力和扭矩不仅有利于研究切削机理、计算功率消耗、优 化切削用量和刀具几何参数，更重要的是可以通过切削力的变化来监控切削过程， 反映刀具磨损或破损、机床故障、颤振等切削状态，以便及时控制切削过程，保 证加工质量，提高生产效率。本文设计的切削力测量系统传感器主要针对旋转式 动态切削加工过程中切削力和扭矩进行测量。 本文设计的对旋转式动态切削力的测量系统主要包括三个部分。首先针对切 削加工的受力特点，利用石英晶体的压电效应，设计了一种切削力测量系统传感 器，实现对切削过程中三个方向正交力及水平扭矩的同时测量。其次设计了适合 于对旋转状态下动态切削力进行测量的具有标准刀柄的传感器载体。应用a n s y s 软件对所设计传感器载体的结构参数进行优化，选择了传感器处于最佳工作状态 的结构参数。最后解决了如何传输传感器采集到的切削力信号的问题。因为需要 在刀具加工状态下实时采集并传输切削力信号，不便使用有线传输方式，所以选 择无线传输来实现我们的要求。本课题采用电磁波发射与接收的方法传输切削力 信号的方案。 该切削力测量系统传感器与原有台式切削测力仪相比的突出特点是：它的外 形接近一把标准的刀柄，与实际切削状态相同，能够实时显示切削过程中切削力 的变化；刀具相互安装的互换性比较好，在同一把刀柄上能够安装不同型号的刀 具；而且结构简捷、调试方便、成本较低，不但适用于实验室，并且将适用于实 际生产的测试与实时监控中。 关键词：动态切削力；压电效应；有限元法；无线信号传输 a b s t r a c t i nt bep r o c e s so fc u t t i n g ，m e a s u 曲gm ec u t t i n gf o r c ea n dt o r q u ei sc o n d u c i v en o t o n l yt os t u d ym ec u t t i n gm e c h a n i s m ，c o m p u t i n gp o w e rc o n s 啪p t i o n ，m eo p t i m i z a t i o n o fc u t t i n gp a r a m e t e r sa n dt 0 0 1g e o m e t r y ，b u ta l s ot or e n e c tt o o lw e a ro rb r e a l ( a g e ，m e f a u l to fm a c h i n et 0 0 1 ，c u t t i n gc h a t t e rs t a t et h i o u 曲p a s s i n gt h ec h a l l g eo fc u t t i n gf o r c ei n c u t t i n gp 】c e s st om o n i t o r ，s oa st oc o n 们lt h ec u t t i i l gp r o c e s s ，t h eq u a l i t y a s s u r a n c e p r o c e s s ，j m p r o v et h ep r o d u c t i o ne 伍c i e n c y s y s t e ms 伽【s o ri sm a i n l yf o rr o t a r yd y l l 锄i c i nm i sp a p e r ，m ec u t t i n gf o r c em e a 吼l r i n g c u t t i n gp r o c e s so fc u t t i n gf o r c ea n dt o r q u e m e a s u r e i 】1 e n t t h er o t a r vd y l l 锄i cc u t t i n gf o r c em e a s 砸n gs y s t e mi n c l u d e s 妇e ep 砒sm t h i s p a p e r f i f s to fa l l ，a c c o r d i n gt ot h ec u t t i n gf o r c ef e a t l j r e s a 1 1 dt h ep i e z o e l e c t r i ce f f e c to f q u a r t z ，n i ec u t t i n gf o r c em e a s 面n gs y s t e ms e n s o ri sd e s i 印e dt or e a l i z et h ef o r c e a n d h o r i z o n t a lt o r q u em e a s u r e m e n to ft 1 1 r e ed i r e c t i o n so r t h o g o n a li n t h ec u t t m gp r o c e s s s e c o n d l m es t a n d a r dh a n d l es e n s o rv e c t o rs u i t a b l ef o rr o t a t i n gd y i l 锄i cc u 钍i n gt o r c e i sd e s i 蹲l e d t h es e n s o rc a r r i e rs t r u c t u r ep a r a m e t e r s a r eo p t i m i z e du s i n ga n s y s s o f h a r e c h o o s i n gt h es e n s o ri no p t i m a lw o r k i n g s t a t ep a r 锄e t e r s f i n a l l y ，t h ep r o b l e m o fh o wt ot r a l l s m i ts e n s o rt oc o l l e c tm ec u t t i n gf o r c es i 印a 1i s s 0 1 v e d i ti si n c o n v e n l e n c t ou s ew ：【r e dt r a n s m i s s i o nm o d eb e c a u s eo fm en e e di nt 1 1 em a c h i n i n gs t a t eo f r e a l - t l m e c o l l e c t i ona n dt r a i l s m i s s i o no fs i 伊a l so fc u t t i n gf o r c e ，a n dt h u st oc h o o s et h ew l r e l e s s t r a n s m i s s i o nt oa c h i e v eo u rr e q u i r 锄e n t s 7 r h ee l e c t r o m a 盟e t i cw a v et r a 芏1 s m l t t m ga 1 1 d r e c e i v i n gm e t h o do fc u t t i n gf o r c es i g n a lt r a n s m i s s i o ns c h e m ei su s e d i nt h i ss u 切e c t c o r n p a r e dt om eo d 百n a lt y p ec u t t i n gd y n 锄o m e t e r ，m ep r o m i n e n t f e a t u r e so fm e c | u t t i n gf - o r c em e a s u r i n gs y s t e ms e n s o r sa r e ：i t ss h a p ec l o s e st o as t a n d a r dt o o lh o l d e r a n dt h es a m ea c t u a ls t a t e s o ，i tc a nd i s p l a yt h ec h a n g eo fc u t t i n gf o r c e i nc u t t i n g p r o c e s si ) fc u t t i n gt 0 0 1 i n s t “l a t i o n ；m u t u a li n t e r c h a l l g e a b i l i t yi sb e t t e r ，d i f f e r e n tm o d e l s o ft h et 0 0 1c a nb ei n s t a l l e di nm es 锄ek n i f eh a n d l e ；s i m p l es t m c t u r e ，c o n v e n l e n t a d j u s t m e n t ，1 0 wc o s t ；i ti sn o to n l ys u i t a b l ef o r1 a b o r a t o r y ，b u ta l s ow i l lb ea p p l i e dt o a c t u a lp 1 o d u c t i o nt e s t i n ga n dr e a l 一t i m em o n i t o i l i n g k e y w o r d s ： d y i l a m i cc u t t i n gf o r c e ；p i e z o e l e c t r i c e f f e c t ；f i l l i t e e l e m e n tm e t h o d ； w i r e l e s ss i 印a lt r a n s m i s s i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究意义 切削状态、运动过程等切削加工是现代自动化机械制造的重要基础，切削力 和扭矩更是描述自动化切削过程中刀具状态的重要参数。在现代机械自动化加工 过程中，越来越重视对机床的加工过程的实时监控，安全可靠的现代机械加工自 动化生产也要求对切削过程和刀具状态进行有效地实时监测，准确的知道切削力 的大小，这样可及时识别在加工过程中刀具的磨损或断裂而导致的切削条件恶化， 以防止损坏工件或加工设备【l 】。大量的研究结果表明，在切削过程中，切削力和扭 矩不仅是描述切削过程中刀具状态的重要状态参数，也是对切削机理研究的的重 要依据。因此，如何精确的测得实际切削力越来越成为人们所关注的课题了【2 。3 】。 切削力的测量是机械测量中重要组成部分之一，所以切削力测量系统是研究 切削过程所必须的基本仪器和方法【4 1 。在测力系统中，传感器是核心部件，因为传 感器是测力系统中是最重要的工序，也是第一道工序。传感器性能的的好坏直接 影响到切削力力值测量的精度，特别是在测量动态力时其动态性能的优劣直接影 响测量的准确性和测量系统控制的时效性。在现代机械自动化加工过程中，传感 器是自动检测与自动控制的首要环节。切削力测量系统传感器不仅具有良好的可 靠性，还要具有良好的稳态性( 5 】。 随着社会的发展和科学的进步，对切削力测量系统不断提出了更高更新的要 求。推动着生产技术与科学研究的发展。现代自动化加工制造实时监测与控制需 要先进的动态实时测试技术与设备，这就要求采用动态参数特性来深入描述与刻 画自动加工制造中物理系统的运动性质、实时地、有效地、准确地显示与记录自 动加工制造中某些物理系统实验的动态变化过程，提取能描述其动态特性的动态 特征参数。因此，必须采用动态测试技术与手段，快速地、实时地、准确地采集、 处理与记录相关实验数据，并及时完成实验结果的处理与分析。 自古以来，测试技术就渗透在人类的生产活动、科学实验与日常生活的各个 方面。翻开科学技术发展历史就会发现，科学上的每一个重大发现与突破几乎都 与某种新型测量实验仪器的出现密切相关【6 】。在现代科学技术支柱中传感器是系统 沈阳理工大学硕士学位论文 获取信息的首要部件，系统自动化技术水平越高，对传感器技术的依赖程度越大。 “没有传感器就没有现代科学技术”的观点已被全世界公认。因此世界各国都将 传感器技术列为尖端技术。 进入新世纪，伴随着微电子技术、信息技术、航空航天技术、生物技术和材 料科学等高新技术的快速发展，先进制造技术主要追求高精度、高质量，向超精 密加工和微细加工方向发展f 7 】o 对切削过程的监控技术也提出了越来越高的要求， 而各种自动化机械加工设备与制造系统绝大多数并不具备加工过程的监控功能。 为了使这些高度自动化加工设备充分发挥其优良性能，保证加工质量，提升生产 效率和在加工过程中的刀具监测突显的越来越重要。，现在切削过程已经向着多品 种、中小批量的自动化生产方向发展。所以，对柔性制造系统( f m s ) ，计算机集成 制造系统( c i m s ) 得到应用和发展【8 1 。但在这些高弹性、高自动化制造技术，将需 要很强的适应能力，以适应各种加工工艺对传感器监测技术。刀具磨削、损坏监 测就是传感器应用的典型。 研究表明，由于数控系统配置监测仪器可以减少停工时间，提高生产率达5 0 以上。随着加工自动化程度的日益提高，人判别工具状态已成为处理过程自动化 的薄弱环节。大多数的过程是根据实际加工时问或加工的数量来决定是否改换工 具，而不是实际状态的测试工具，这样可能会因为现实生活中没有达到预期的刀 具和造成浪费。现有的自动线切割力测量仪器发展往往采用强制换刀的方法，但 由于多种因素的影响，刀具磨损的速度会有一些不同的改变，能降低加工效率和 浪费，会影响加工质量，甚至造成机床事故。另一方面，可能因为没有及时解决 过程的一个偶然的现象，使工件报废或损坏机床。因此，刀具监控技术已经成为 主要的国际认可的关键技术，受到高度重视。 大量的研究结果表明，切削过程每一个细小的变化，可以通过切削力的变化 反映出来，切削力检测是目前国内研究的监测方法。在加工过程中切削力是个 重要的状态参数，如何精确测量实际切削力，已成为越来越多人关注的学科。切 削力的测量是一个重要的研究金属切削实验技术，不仅对研究金属切削机理，计 算机床功率，刀具、机床、夹具设计、优化切削用量参数和几何参数，具有十分 重要的意义，并且与动态切削加工过程的深入研究及自适应控制和在线测试都需 要知道精确的切削力的大小，而且要知道切削力最可靠的和实际的方式来测量。 第1 章绪论 所以在切削加工中切削力传感器测量是最基本的研究切削过程和仪器的方法，它 可以很快地识别故障，提高加工过程的效率和可靠性，也是自动化实现切削过程 状态监测和自适应控制和最优控制的关键环节。 切削力测量传感器研究应该是国内研切削力测量的一个趋势。本课题研究的 是切削力测量系统传感器的设计。在切削加工方法，其切削原理、切削参数对加 工质量的影响也都在不断地研究和探索阶段。而且削力的大小及其变化是影响加 工质量致关重要的物理量。因此，对于加工切削力的计算和测量是影响和推动金 属切削理论研究的关键技术。 本课题设计的切削力测量系统传感器是一种用于测量旋转式动态切削力的专 用测量仪器，为机电一体化产品。专门设计了可进行切削加工的刀柄，做为传感 器的载体，将回转切削过程产生的切削力信号，用无线传输的方式传输到p c 机， 经运算处理后得到实际的切削力的大小。为研究和测量加工切削力提供一个实用 可行的方法。不但适用于实验室，并且将适用于实际生产的测试与实时监控中。 切削力测量系统传感器不仅用于切削机理的深入研究。对推动金属加工技术 的迅速发展和广泛应用具有十分重要的意义。 1 2 课题的研究背景 1 2 1 切削力的测试方法 切削力测量仪器已有近七十年的历史，1 9 3 0 年就出现了机械和液压切削力传 感器。机械力测量仪是一种纯粹的位移的变化，它只有使用弱刚度的结构，这个 力测量仪器才能获得足够的灵敏度，因此它的固有频率和正常的切削力相同规模 的改变。液压切削力传感器的原理和机械测力仪的一致，区别在于测量仪器的弹 性变形部分的不同，所以它的显示仪表不是机械式的仪表而是压力表。因为复杂 多离散体连接，力测量仪器本身的静刚度和液体限制，力测量仪器的固有频率仍 然很低，对动态的力来说无能为力，所以机械和液压力的测量仪器已经取消。 电容和电感测力仪使用电容极间距或电感磁芯的弹性体的运动位移转换成电 感的变化和电子信号的方式体现出来，其实质仍然是一个测位移距仪。在测量多 向切削：匀数据时，特别是当切削力变化点位置，测力仪器的结构复杂。加上电容、 电感测：力仪的非比例特性，因而存在静态线性较差。这两种力量测仪器也已经被 淘汰。 沈阳理工大学硕士学位论文 随着测试技术的发展和对高性能( 特别是高动态性能) 力测量仪器的追求，人 们的工作重点是进行系统深入的研究压电力测量工具及电阻应变式测力实验仪 器。压电力测量仪的压电晶体传感器测量切削力，从动力的角度测量、压电传感 器是一种理想的测力传感器，它具有灵敏度高、变形小而被重视。压电晶体在力 作用下变形线度约为1 0 a 量级，它的这个特性对压电传感元件来讲，几乎可以认为 它是一个没有位移传感器类型。这是唯一的传感器输出电荷和变形测量仪的弹性 体没有直接关系，因而从理论上可以大大改善其受力刚度而不致影响其灵敏度。 到目前为止，在第二次世界大战之前，就已经有了这种测力仪器。然而，这种仪 器没有解决好静电测量仪器的泄漏问题，不能测量静态和准静态力量，所以没有 实用价值【9 1 。因为高阻抗电荷放大器的问世，成功的解决了静电荷泄漏这个问题以 后，所以这种测力仪的发展有了前所未有的发展。只有在高阻抗电荷放大器问世 后，并解决了静电泄漏后，使这种力测量仪器的应用和发展的有一个新突破【1 0 】。 动态力的测试和研究阶段是最近十几年来因为国防工程与机械加工动态测试 迫切的需要，同时也由于在近代测试技术的高速发展奠定了坚实的基础而发展繁 荣起来的，压电式切削测力仪就是这个阶段的典型代表。 1 9 6 3 年在德国阿亨工业大学首先研发成功使用三向压电石英力传感器的三向 车削的测力仪。另外瑞士苏黎士联邦工业大学对压电测力仪进行了基础理论的探 讨，并且和瑞士s t l e 公司共同研发成功性能优越的压电石英传感器系列和车削、 钻削、铣削测力仪以及多分量测力平台等等，并且对压电测试系统所需要成套设 备进行了完善，翻开了压电测试研究新的一页。此后多种压电测力仪陆续问世了， 例如意大利都灵工业大学成功研制出使用4 个单向力的传感器制成的高刚度、高 灵敏度三向车削测力仪。在机床自适应控制系统中，这种传感器已经作为反馈传 感元件应用。加拿大蒙特利尔s g w 大学利用压电测力仪与计算机相互配合对切 削力稳态随机的特征进行了研究；日本山本明等把压电元件安放在刀片的下面， 以至于可以测出刀尖处切削力的瞬间变动，可用来研究金属在切削形成过程中由 于剪切滑移而发生的细微波动力。 在我国研究和使用压电切削测力仪相对比较晚一些，1 9 7 7 年大连工学院首先 开展对压电切削测力仪的研制，孙宝元教授等人先后研制成功单向、双向、三向 压电石英力传感器和多种类型的测力仪。另外，华北电力大学研发出了虚拟切削 第1 章绪论 力测量仪器，对切削力的数据采集起到了保证作用，使显示和存储等功能更好的 实现其功能，在线监控功能也有了很大的提高。 利用压电正逆效应做成的传感器与执行器进行测试与控制是现代测控技术的 重要手段与发展方向之一。 石英力传感器和别的测力仪传感器相比较，有下面一些优点【u 1 4 】： 1 静态特性更加稳定 ( 1 ) 静态特性好，石英的弹性系数e = 8 0 0 0 0 n m m 2 ，一般的厚度只有1 n 皿上 下，因此整个传感器的刚性与实心铸铁块的刚性差不多，若把它支承在测力仪的 变形器件上，就能够有效的改善测力仪的刚性度与固有频率值。 ( 2 ) 分辨率高、灵敏度高，因为压电力传感器是无位移型的，从理论上来说电 荷量只和应力有关系，和位移是没有关系的，所以就很大程度上提高了测量系统 的刚性度，而且灵敏度损失的也非常小，这样就能得到刚度、灵敏度都较为理想 的传感元件。石英力传感器的分辨率一般可达最大的可测量程的7 到1 0 倍或者更 古 同。 ( 3 ) ：石英传感器有非常好的动态和静态特性，滞后、重复性误差相对也较小。 2 使用性能好 传感器体积小、结构严紧，安装、调试方便。 3 稳定性能优良 由于石英晶体能够较长时间保持静态和动态性能的相对稳定，抗干扰的能力 也很强，因此它的传感器性能够长时间保持稳定，可以长期使用。 4 动态特性优良 ( 1 ) 固有频率高，从大型测力平台的几百赫兹到超小型力传感。 ( 2 ) 频率响应与瞬态响应良好，工作频带宽，动态测量误差小。因此特别适用 于动态测量。 5 不适用于测量长时间作用的静态力，在静态与准静态测量中对环境湿度等 要求较严。 1 2 2 国内外切削力测量的研究现状 1 2 2 1 国外发展状况 瑞士的k i s t l e r 公司是全球著名的测力台生产商，于1 9 6 9 年生产了它的第 沈阳理工大学硕士学位论：丈 一个商业性的测力台，它使用了很多个石英传感器，能够测量出物体在x 、y 、z 三个方向的三维分力大小和力矩值 1 5 邯】。 s t l e r 石英测力台和其他的石英传感器一样，有着自己独一无二的特征， 如： ( 1 ) 灵敏性极强，但要注意防止负荷过大； ( 2 ) 测量范围广，一个测力台能够测量人的心率和弹跳力； ( 3 ) 固有频率较高，可以测量很高的动力； ( 4 ) 使用绝对的安全稳定，而切寿命长( 保证5 年) ； ( 5 ) 不需要进行参数的重新标定； ( 6 ) 有着很好的可信度和准确性。 图1 1 是硒s e r 公司的旋转测力仪。 ”、i 叠一i “， 图1 1 瞄s t l e r 公司的旋转测力仪 这类型切削测力仪设计的关键是晶片的安置与排列，其扭矩测量的原理是将 许多组y o 。切型的石英晶片均匀分布在半径为r 的分布圆上，要求每组单元晶组 的最大灵敏度方向严格与分布圆相切，y 0 。晶组上片离心，下片向心排列，电极从 晶片对中间引出，从而实现扭矩的测量。这种类型的测力仪所需晶片很多，可达 7 2 片，为使各片晶片均匀受力，晶片的高度上和上、下接触的平面度、粗糙度要 求相当严格，导致该类型切削测力仪结构复杂，工艺要求较高，调试难度大，成 本高。 瑞典s a n d v i k 公司七十年代向用户提供了安装在主轴轴承座上的推力传感 第1 章绪论 器用于监测刀具磨损，八十年代，该公司又推出的t m s 单通道和多通道刀具监测 器，可自动记忆刀具的切削状态并确定警报限值。 类似的产品有德国k m t 公司开发的一套旋转轴应变遥测系统，主要用于监测 火车轮对轴受力情况。这个测试系统同样属于旋转轴测量问题的范畴。由于其所 应用场合空间较大，故k m t 公司在车轴上捆绑锂电池给测试电路供电，测试数据 采用无线通讯芯片传输。 1 2 2 2 国内发展状况 大连理工大学研制的压电石英整体式三向磨铣削测力仪，由测力仪体和压电 三向力敏元件组成。测力仪体为整体式左右对称结构，测力仪体形状为中间方形， 方形两侧有对称的弹性环，每个弹性环由两个弹性半环和长形槽相通。两个压电 石英三向力敏元件装在弹性环的长槽中，靠过盈量预紧。测力仪体的工作台与基 体一体化，只需二个压电三向力传感器，传感电路上采用推换原理。当任意大小 和方向的力作用在测力仪的工作台上时，传感器将力分解成三个方向的分力，经 力一电转换后，以电信号输出。测力仪结构简单，性能好，只用二个三向压电力敏 元件，就可达到国际规定的动态型切削测力仪标准，成本低，精度高。可以精确 测量静态、动态及在线测量，用途广泛。 同时大连理工大学还研发了新型压电三向钻削测力仪。该测力仪克服了以往 压电三向钻削测力仪采用石英晶片较多而造成的装配工艺高，调试麻烦，制造成 本高的缺点，设计出了只采用4 片压电石英晶片就可以同时测量出钻削过程中产 生的扭矩、径向力、轴向力的压电三向钻削测力仪【1 8 】。 哈尔滨工业大学研制的六筋结构切削测力仪是一种应变式六筋结构切削测力 仪，是根据弹性体纯拉、压和纯剪切应变量的大小，只与弹性体的截面有关，与 其长度无关的理论所设计的六筋结构切削测力仪。其特点是：具有高刚度、高灵 敏度、高固有频率，可广泛用于机械切削三向力的测量，特别适用于动态切削力 的测量。 但在国内，对于切削加工切削力的测量是工作台式的，有时受工件尺寸的限 制，不能时效性的测量切削力。本课题就是要设计一种能够对旋转式动态切削加 工所产生的切削力，进行现场实际测量的仪器设备，为研究和测量切削加工切削 力提供一个实用可行的方法。 沈阳理工大学硕士学位论：艾 1 3 课题的研究内容 切削力测量系统传感器设计主要是针对旋转式动态切削力的测量。本文研究 的是如何实时采集切削力。由于切削力能直接反映加工过程中的动态行为，在机 床正常工作时，如果刀具发生了破损，力信号会发生变化，因此用切削力信号能 间接监测刀具工作状态和破损的情况。切削力信号的采集主要依靠力传感器，传 感器可以直接安装在主轴或刀柄上，不影响机床或刀具本身的加工或振动情况。 因此测力仪不仅可以用来装夹刀具，而且能够直接采集刀具上所需的信号。由于 传感器将随着机床刀柄一起做旋转运动，因此传感：器采集的切削力信号不能采用 常见的有线传输。传统测力传感器以薄壁圆筒作为敏感元件( 弹性元件) ，本文设 计的是以石英晶片为敏感元件，刀柄做为传感器载体。所以本课题设计的针对旋 转式动态切削力测量和处理过程可以简单概括为： 。 一 _- 无线接收 将无线射频芯片 接收到的数据 存储 将数据通过串口 传透给计算机 图1 2 切削力测量科i 处理过；陧系统 从图1 2 可以看出，对旋转式动态切削力测量的工作分为三部分：切削力信号 的拾取，信号的采集、传输，并对信号的处理。其中切削力信号的拾取和信号的 采集、压电晶体传感器载体结构设计是难点，也是本文的研究重点。 本课题主要研究工作有晶片切型的选择，测力刀柄结构设计、切削力信号的 拾取、采集信号的放大、无线信号传输等内容。 第2 章切削力测量系统总体设计 第2 章切削力测量系统总体设计 2 1 切削力测量系统传感器综述 切削力是切削过程中的一个最基本的作用和现象，也是反映整个切削工艺系 统动态切削过程的重要信息。人们在建立切削过程静态模型时，无不以切削力作 为其研究的对象而最终又以力场和切削力公式为其归宿。在建立动态切削模型时， 切削力是联系整个切削工艺系统( 工件一刀具一夹具一机床) 中各环节的纽带和全部 实验的基本。在现代切削数据库中，切削力是基本参数。 力信号采集主要依靠各种类型的传感器。新一代科学技术的发展对测试与自 控技术提出了严格的要求，而在这一领域里，传感器技术也已成为一种必不可少 的关键环节。压电石英力传感器就是以石英晶体为力一电转换元件的一种新型的 静、动态型变换器。从l8 8 0 年居里兄弟( p i e 仃ec u r ea n dj a c q u e sc u r e ) 发现石英晶 体压电效应开始，迄今已有1 2 0 年历史。在这1 2 0 年里，已经逐渐形成压电测试 技术学科【1 9 】。德国阿亨工业大学首先研制成功采用三向压电石英力传感器的三向 车削测力仪，此后瑞士苏黎士联邦工业大学与瑞士k i s t l e r 公司合作研发出切削测 力仪的系列产品【2 0 】，很快就畅销世界各地。利用压电正逆效应做成的传感器与执 行器进行测试与控制是现代测控技术的重要手段与发展方向之一。 切削力测量系统传感器的首要技术要求是敏感元件向间或对地绝缘电阻一定 要大于等于1 0 1 3 q ，这样使敏感元件产生的压电信号电荷不会迅速消失，这样才能 保证切削力测量系统传感器的正常工作。令外对切削力测量系统传感器设计还需 要提出作为一个实用的刀具切削力测量系统，其基本要求是【2 l 】： ( 1 ) 切削力测量系统传感器的在安装方面必须做到不能够影响系统的刚性，且 不能够影响到机床的正常加工功能等； ( 2 ) 切削力测量系统传感器必须有着非常好的准确度，务必确切、有效地体现 出在切削加工过程中刀具所受的力的大小； ( 3 ) 切削力测量系统传感器须保持非常准确的灵敏度与转换率，应该确切、实 时的体现出切削加工过程中刀具受力的大小； ( 4 ) 切削力测量系统传感器必须有着稳定的抗干扰性能，可靠的稳定性和安全 沈阳理工大学硕士学位论文 性，对生产现场的情况能够长时间适应； ( 5 ) 价格便宜，耐用持久、安装操作方便。 世界上很多加工中心在制造的时候都安装了测力轴承，这种方法虽然比较通 用，但一般只能对切削过程起到一定的保护作用，而且一旦传感器出了故障很难 进行维修。因此，日本从另一种指导思想出发，干脆对那些易发生刀具破损的工 序，每把刀配一种相应的监测刀柄。这样，虽然成本有所提高，但可靠性明显提 高，这种成本可以由它带来的经济效益得到补偿。基于这种思想，本文应用无线 传输技术，把刀柄上的敏感元件产生的信号通过无线电传输出来，从而实现对切 削过程中的切削力信号的实时监测。 2 2 总体方案 完整切削力测量系统应包括三个部分，即信号的拾取、传输和处理。本文主 要研究的是利用压电晶片作为力传感器的敏感元件，在刀柄部位设计出作为传感 器载体的特殊结构。由于刀柄其他部位以及主轴、轴承等相对刚度很高，因此加 工时切削力( 扭矩) 信号由力传感器直接拾取。因为压电式传感器是直接安装在 刀柄内，只要刀具在切削，就可以测量出切削力( 扭矩) ，不受工件安装的影响切， 不仅可以安装不同的刀具，而切对机床结构也几乎：不做改动。通过收集加工时力 传感器的信号进行实时分析处理，作为切削机理研究的依据。再反馈到机床的控 制系统中，即可实现对刀具情况进行实时实效监控。其刀柄结构如图2 1 。 图2 1 刀柄结构 切削力测量特殊结构刀柄由四部分组成： 第2 章切削力测量系统总体设计 1 刀柄主体：包括锥柄，是用来和机床主轴连接并安装刀具的部分； 2 测力元件：在力的作用下产生信号，实现测力功能，并采集拾取电信号； 3 信号放大：经多路电荷放大并无线通讯发射模块的方式发射出去； 4 电源( 电池) ：用来为无线信号传输模块供电。 课题总体设计思路：根据压电特性，确定在测量x 、y 、z 向时所需的几何切 型，使被测外作用力能够准确传递到压电元件上，而且要有稳定的输出端。把刀 具的刀柄部分做成传感器的载体部分。用有限元的计算方法可以有效地对系统整 体结构进行优化性设计和改良，有限元法使测力仪的灵敏度大幅提高，刚性更加 的优良，传感器在受力方面更加适当。对预紧力的选择也要认真计算，如果预紧 力选择过小，那么传感器的各元件在贴合性方面就会不符合要求，在操作过程中 容易造成压电元件受力上的不均匀问题。由于刀柄动态旋转，不便用有线传输切 削力信号，所以采用无线传输。 2 3 无线传输切削力测量系统 无线传输切削力测量系统的特点，首先是采用刀具的刀柄作为传感器的载体， 可同时测量x 、y 、z ( 扭矩) 方向的力，在能够确保灵敏度稳定的前提之下，可 以获得非常好的刚度和固有频率。刀柄另外一个主要特点是在无线传输功能上体 现的，由于刀柄是回转型的样式，因此不可以直接使用导线进行传输的信号工作， 所以用无线来进行力信号传输工作。第三个特点是：刀具相互安装的互换性比较 好，在同一把刀柄上能够安装不同型号的刀具。 无线测试系统由两部分组成：一是信号采集发射部分，该部分按装在刀柄中； 二是信号接收处理部分，与计算机相连。因为信号采集发射部分装置在刀柄载体 里，随刀柄一起旋转，且受刀柄结构体积限制，应尽量缩小它的体积，所以数据 采集模块采用集成化模块并且内部供电。刀具切削时，切削力信号由压电晶片产 生，经多路电荷放大模块放大，由数据采集模块采集、d 转换、无线传输、p c 机数据处理。其切削力测量系统传感器组成、结构、及安装示意图如图2 2 ，无线 测试系统图如图2 3 所示。 这堕型三丕堂堡主堂垡鲨二 卜标准刀柄；2 一内六角圆柱头螺钉；3 一弹簧垫圈： 4 一下板；5 一压电晶组：6 一密封圈；7 一上板；8 一刀具 图2 2 切削力测量系统传感器组成、结构及安装示意图 图2 3 无线测试系统 第2 章切削力测量系统总体设计 2 4 切削力测量系统传感器静动态标定 ( 1 ) 切削力测量系统传感器静态标定 切削力系统传感嚣装配后在使用之前，必须对其进行静态标定。传感嚣静态 标定目的是测量和评定传感器静态特性指标，即线性度、灵敏度以及重复性等。 测力仪的“静态标定”相对于“动态标定而言”，所谓“静态标定”是指输入 与输出信号不随时间变化或变化十分微小的一种标定方法，即静态特性是指当被 测量x 不随时间变化，或随时间的变化程度远缓慢于切削力测量系统固有的最低 阶运动模式的变化程度时，测力仪的输出量y 与输入量x 之间的函数关系。 对于切削力测量系统传感器的标定，要用专用的标定装置上进行( 多功能标 定加载器) 。该装置简易、精度高、刚性高、使用简单几乎可以完成所有静态标 定项目。 该静态标定系统的工作原理是当标定装置对测力仪施加力和扭矩后，测力仪 产生的电荷，经过电荷放大器变成相应的电压信号，经过a d 数据采集卡将模拟 信号变成计算机接受的数字信号。输入计算机，经计算机采集、处理、运算后得 出该测试系统的各主要参数，最后由终端显示、存储、分析等。 严格地说标定也是对整个系统的标定。通过测力仪的静态标定可以得到静态 灵敏度、非线性度、重复性以及横向干扰等各项精度指标。 ( 2 ) 切削力测量系统传感器动态标定 通过静态标定可以获取切削力测量系统传感器的静态模型，并研究、分析其 静态特性：若要研究、分析切削力测量系统传感器的动态性能指标就必须要对切 削力测量系统传感器进行动态标定。动态标定的过程比静态标定的过程要复杂的 多，而且目前也没有统一的方法。测力仪的动态特性可以从时域和频率两方面来 研究。在时域，主要针对测力仪在阶跃输入、回零过渡过程和脉冲输入下的瞬态 响应进行分析；而在频域，则主要针对测力仪在正弦输入下的稳态响应的幅值增 益和相位差进行分析。根据幅、相频特性及动态信号的不失真测量条件可以确定 测力仪的工作频带，亦即测力仪的使用频率范围。因此频率响应特性是正确使用 测力仪必不可少的依据。对切削力传感器来说，与动态响应有关的参数主要是固 有频率c 。 动态特性的测试方法有很多种，常用的主要有冲击响应法，频率响应法和阶 一鲨堕堡三丕堂堡主堂焦迨墨 跃响应法。 2 5 本章小结 本章论述了切削力测量系统传感器设计的总体方案；结构的总体设计及无线 测试系统。描述了作为一个实用的刀具切削力测量系统中的传感器的的基本要求 以及无线传输切削力测量系统的特点。 第3 章传感器的设计 第3 章传感器的设计 3 1 传感器中压电元件的材料选择 压电材料的种类很多，从取材方面看，有天然的和人工合成的，有有机的和 无机的。从晶体结构方面讲，有单晶的和多晶的。 切削力测量系统传感器中压电元件的材料选用，应考虑以下几方面的特性： ( 1 ) 转换性能：这个特性表明了压电材料“压电”转换的效率。压电材料应具 有较大的压电常数或机电耦合系数。 ( 2 ) 机械性能：压电元件作为受力元件，希望它的机械强度大，机械刚度大， 以便获得较宽的线性范围和较高的固有频率。 ( 3 ) 电性能：希望压电材料具有高的电阻率和大的介电常数，这样才能减弱分 布电容的影响，使压电传感器的频率下限向下延伸。 ( 4 ) 温度性能：要求压电材料具有较高的居里点，以便获得较宽的工作温度范 围，这是因为居里点是压电材料开始失去压电性的温度。 ( 5 ) 长期稳定性：要求压电材料的压电特性不随时间蜕变。 基于上述诸因素，在压电式传感器中，普遍应用的压电晶体主要有石英( s i 0 2 ) 、 铌酸锂( “：n b 0 3 ) 等，压电陶瓷有钛酸钡( b a t i 0 3 ) 、铌镁酸铅( p m n ) 和锆钛酸铅( p z t ) 系列。 由于极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参 数也随时问变化，从而使其压电特性减弱。所以本课题选用石英作为切削力测量 系统传感器的压电元件。 压电式传感器的基本工作原理就是当压电材料受外力的作用而发生变形的时 候，它的表面就会有一定的电荷产生，并实现对非电量的测量。压电式传感器具 有质量小，工作频带较宽等优点，所以在一些非静态力、机械冲击和振动的测量 工作，以及医学、力学、声学、宇航等诸多领域都得到了广泛的使用。 3 2 石英晶体产生压电性能的微观机理 本章节先对压电石英晶片的压电效应进行理论的研究，在这个基础上对切削 力测量系统传感器载体刀柄进行结构设计，并且对传感器载体最佳的结构组合进 沈阳理工大学硕士学位论! 文 行优化，把所有性能指标设计到最优，以满足切削力的动态测量方面的要求，减 少横向的干扰程度，做到使结构设计的更加实用、合理。 3 2 1 石英晶体的物理特性 在大自然中的石英晶体，结构形状是一个六角形的棱柱形状，如图3 1 所示。 石英晶体是一种无色透明的晶体，莫氏硬度为i 7 。在正常大气压下的熔点为 1 7 1 3 0 c ，口一结构的转换点为5 7 3 0 c ，不包括氢氟酸，在酸类和碱类溶液中不 会溶解。结晶石英的比热容、密度都和温度有一定关系，方向不同热膨胀系数也 就不同【2 3 】。石英作为压电晶体材料，是一种同质多相变体相对较多的晶体。石英 晶体一共存在着1 2 种晶体状态，在大自然中存在最多的是石英、鳞石英、方石英 等晶体状态的石英晶体。 图3 1 石英压电晶体 石英晶体的主要形态有石英( 高温石英) 和口：石英( 低温石英) ，口石英是一 种三方晶系的石英，能够在低于5 7 3 。c 的温度下保持结构的稳定。如果把q 石英 晶体加热到5 7 3 。c 的时候，石英晶体内部的结构状态，也就是硅氧四面体之间相 互结合的角度值会产生一定的变化情况，这种变化导致最后形成届石英晶体。口石 英晶体和石英晶体同样有压电效应的特性，在制造压电元器件的时候我们一般 选用口石英晶体，口石英晶体一共存在3 2 点群，具有左右旋结构的物理特性。理 想的外形有3 0 个晶面，这种晶体有6 个柱面，6 个大菱面，6 个小菱面，还有6 个三方双锥面及6 个三方偏方面体【2 4 】。由于石英晶体不用人工极化，而且没有热 第3 章传感器的设计 释电效应，所以具有较高的力一电转换效率及转换精度，线性范围宽，重复性精度 高，滞后小。石英晶体的另外突出的优点是具有良好的动态品质，白振频率高振 频稳定性良好【2 引。 3 2 2 石英晶体的压电效应 压电效应是某些电介质，如果沿着定方向对它施加外力而使它变形时，它 内部也就会发生极化的现象，同时在它的两个表面上便会同时产生符号相反的电 荷，当外力去掉以后，它又会回到不带电得状态，这种现象被称为压电效应 2 5 1 。 当作用力的方向发生改变时，电荷的极性也会随着力方向的改变而改变。通常人 们把它称为机械能转为电能，又称之“正压电效应”；反过来说，如果在电介质 极化的方向上施加一定的电磁场，那么这些电介质在这种情况下也会发生一定的 物理变形，人们称这种现象为“逆压电效应”( 有时也被叫做电致伸缩效应现象) ， 压电效应：示意图如图3 2 所示。 争争绎呼 ( a ) 正压电效应 e ( b ) 逆压电效应 电场方向 ( 虚线是发生形变后的现象，实线是发生形变前的现象) 图3 2 压电效应示意图 具有压电效应的材料称为压电材料2 6 1 ，通过压电材料能实现机一电能量的相互 转换，其转换示意图如图3 3 所示： 图3 3 机电能量转换图 理想中的天然结构的石英晶体外形是一个正六面体，在晶体学中它可用三根 互相垂直的理想轴来说明，轴z z 被称为光轴；经过正六面体的棱线，且垂直于 1 7 沈阳理工大学硕士学位论文 光轴的x x 轴称为电轴；和x x 轴和z z 轴一起垂直的v y 轴称为机械轴。如图 3 4 所示： x ( a ) 石英晶体外形 丫 翻瞳 x ( b ) 标准坐标系 ( c ) 石英晶体切片 图3 4 晶体物理特性展：示图 式您。 ， 、 ， | 图3 5 石英晶体硅氧原子排列不意图 石英晶体突出的优点是具有很好的机械强度与稳定的机械性能。石英晶体有 很好的压电效应，这取决于它内部分：子结构。如图3 5 是一个单元组石英晶体的硅 离子与氧离子，在和z 轴垂直的x y 平面上的投影，等效为一个正六边形的排列。 图中“+ ”表示硅离子研4 + ，“一”表示氧离子0 2 _ 。 如果石英晶体没有受到外力作用的时候，正离子和负离子恰好在正六边形的 顶角上均匀分布，相互之间构成三个1 2 0 度夹角的电偶极矩只、只、只。由于 p = g ( g 为电荷量，为正负电荷之间的距离) ，这时候正负电荷的中心相互重合 ：左一起，所有电偶极矩之间的矢量之和为零，也就是只+ 只+ 只= o ，因此在晶体 的表面将不会产生任何的电荷，晶体出现电中性状态，如图3 6 ( a ) 所示。当晶体受 第3 章传感器的设计 到沿x 方向上的压力( 足 o 在y 、z 方向上的分量为： ( 鼻+ 只+ b ) ，= 0 ( 鼻+ + 只) z = o i i ( a ) 瓦= o i ( b ) f l u 图3 6 电荷受力情况分析示意图 当晶体受到沿着x 方向上施加的拉力( e 0 ) 的作用的时候，晶体所发生的 变化状态如图3 6 ( c ) 。电偶极距只、只将会减小，而电偶极距鼻会增大，这个时 候它们在x 、y 、z 三个方向的分量情况可以表示为： 沈阳理工大学硕士学位论文 ( 墨+ e + 只) j 0 时，晶体的形变与图3 6 ( b ) 相似； 当f y 3 ( 即4 、5 或6 ) ，就可以产生剪切型力一 2 气 沈阳理工大学硕士学位论文 电转换的效应，这时可以利用i 向是剪切力的方向，i 向为取电荷的方向。对于石 英晶体存在的d 。，d ：；( = 一盔。) ，d ：。( = 一2 d ，。) 三个剪切压电系数同时也存在三 种剪切型关系转换，其中d ，。与d ：，是体现“面剪切”的压电系数，而d ：。为“厚度 剪切压