（机械电子工程专业论文）三向压电式车削测力仪的研制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 切削加t 过程中的切削力大小将直接影响切削热的产生、被加工表面的质量、工件 的加工精度、刀具的磨损。由于加工条件的复杂性和不确定性，切削力的理论计算值与 实际值存在偏差，最好用测力仪实地测量。为了能够直接测量切削力的大小，出现了许 多类型的测力仪，其中大多数用来测量静态或准静态力。随着精密加工技术的发展，能 测量动态切削力的测力仪成了研发目标。 本文设计了两种车削测力仪。一种是采用弹性环预紧的整体式，将三向力传感器安 装在弹性环中，由弹性环的过盈量产生预紧；另一种是用螺钉将三向力传感器固定在刀 头与刀杆间，并施加预紧的分体式。其中的三向力传感器均由三个石英单元晶组组合而 成，其中z 向晶组利用石英的纵向拉伸效应，x 向、y 向晶组利用石英的剪切效应。 分体式车削测力仪由刀头、传感器、刀杆、预紧螺钉等装配而成。根据a n s y s 模 拟分析和理论分析可知：穿过传感器的预紧螺钉对热变形起约束作用，并且可以补偿因 切削热引起的预紧力的减小。对标定后测力仪进行的切削表明，该结构可以减小切削热 对测力仪的影响，但不能将影响降低到可忽略的范围。 整体式车削测力仪结构的“推挽 特性，不仅提高了测力仪的灵敏度，而且能自动 补偿了切削热引起的误差。弹性环起到力的传递和分载作用，是测力仪的关键部分。 a n s y s 软件的静力学分析说明了弹性环可以满足高刚度和变形线性的要求。根据弹性 环参数的正交试验优化了弹性环结构参数。 为了测定整体式车削测力仪的精度，最后对其进行静态和动态标定。各向非线性误 差分别为o 2 、o 1 、o 1 ，相间横向干扰最大不超过5 。实际切削表明，该测力仪 完全满足设计要求，不仅可以用于测量切削力的静态分量还可以测量动态分量。 关键词：测力仪；压电石英；结构设计；a l q s y s 三囱压电式车肖日铡力仪的研制 d e v e l o p m e n to ft h r e e c o m p o n e n tp i e z o e l e c t r i cd y n a m o m e t e r o nt u r n i n g a b s t r a c t t h ec u t t i n gf o r c e g e n e r a t e dd u r i n gm e t a lc u t t i n gh a v ead i r e c ti n f l u e n c eo nt h e g e n e r a f i o no fc u t t i n gh e a t ，t o o lw e a r , a n dq u a l i t yo fm a c h i n e ds u r f a c e ，a n da c c u r a c yo ft h e w o r k p i e c e d u ot o t h ec o m p l e xc u t t i n gc o n d i t i o n so fm e t a lc u t t i n go p e r a t i o na n ds o m e 1 i l k i l o v c nf a c t o r s ，t h e o r e t i c a lc u t t i n gf o r c ec a l c u l a t i o n sf a i lt op r o d u c ea c c u r a t er e s u l t s t h e r e f o r e ，e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t so fc u t t i n gf o r c eb e c o m e u n a v o i d a b l e f o rt h i sp u r p o s e ， m a n yd y n a m o m e t e r sh a v eb ed e v e l o p e d ，m o s to fw h i c hc o n c e n t r a t e do ns m i l ee u t i l n gf o r c e n o wt h e r ei sn e e dt op u tg r e a te m p h a s i so nt h ed y n a m i cc o m p o n e n to fc u t t i n gf o r c et os a t i s f y h i g hm a c h i n i n ga c c u r a c y i nt h i sp a p e r , t w op i e z o e l e c t r i cd y n a m o m e t e r sw h i c hc a l lm e a s u r eb o t ht h es t a t i cc u t t i n g f o r c ea n dt h ed y n a m i cc u t t i n gf o r c eh a v eb e e nd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d o n ed y n a m o m e t e r w i t ht w oe l a s t i ct i n g sc o n s i s t so ft w ot h r e e c o m p o n e n tf o r c es e n s o r sf i t t e du n d e rh i 曲p r e l o a d i nt h ee l a s t i cs l o tw h i l et h eo t h e rc o n t a i n so n et h r e e - c o m p o n e n tf o r c es e n s o rf i t t e du n d e rh i 曲 p r e l o a db e t w e e nb i tt o o la n dt o o l b a rb ys c r e w s e a c hs e l l s o rc o n t a i n st h r e ep a i r so fq u a r t z p l a t e s ，o n es e n s i t i v et op r e s s u r ei nt h ez d i r e c t i o na n dt h eo t h e rt w or e s p o n d i n gt os h e a ri nt h e xa n dyd i r e c t i o nr e s p e c t i v e l y t h ed i s t r i b u t e dd y n a m o m e t e ri sm a d eu po fb i tt o o l ，f o r c es e n s o r ，t o o l b a ra n ds c r e w s t h em i d d l es c r e ww h i c hg o e st h r o u g hq u a r t zp l a t e si su s e dt oc o n s t r a i nt h e r m a ld e f o r m a t i o n a n dc o m p e n s a t et h ed e c r e a s i n gp r e l o a dc a u s e db yc u l l i n gh e a tb a s e do na n s y ss i m u l a t i o n a n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s i ti sp r o v e dt h a tt h i ss t r u c t u r ec a nr e d u c et h ei n f l u e n c eo fc u t t i n gh e a t i ns o m ed e g r e eb yc u t t i n gt e s t ，b u tc a nn o tm e e tt h ed e m a n d t h eu n i t a r yd y n a m o m e t e rh a sa p u s h - p u u ”s t r u c t u r e ，w h i c hc a l li m p r o v et h es e n s i t i v i t y a n dc o m p e n s a t et h ee r r o r sc a u s e db yc u t t i n gh e a ta u t o m a t i c a l l y t h i ss t r u c t u r ee s s e n t i a l l y c o n t a i n sa ni m p o r t a n te l a s t i cr i n ge l e m e n t , w h i c hm u s tp r o d u c ed e f o n n a t i o np r o p o r t i o n a lt o e x t e r n a ll o a da n dh a sh i g hr i g i d i t y b yt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fa n s y sa n do r t h o g o n a l t e s t ，i ti sp r o v e dt h a tt h ee l a s t i cr i n gm e e tt h ed e m a n d i no r d e rt od e t e r m i n ea c c u r a c y ，t h eu n i t a r yd y n a m o m e t e ri sc a l i b r a t e ds t a t i c a l l ya n d d y n a m i c a l l y t h ep e r c e n t a g el i n e a r i t ye r r o r so f t h r e ed i r e c t i o n sw e r ec a l c u l a t e da s0 2 ，0 1 a n do 1 r e s p e c t i v e l ya n dt h ev a l u e so fc r o s s i n t e r f e r e n c ee h o r sw e r ec a l c u l a t e di nt h er a n g e o f5 i nm r n i n go p e r a t i o n ，a p p r o p r i a t er e s u l t so fm a c h i n i n gt e s t sp e r f o r m e da td i f f e r e n t i i 大连理工大学硕士学位论文 p a r a m e t e r sa r eo b t a i n e da n ds h o w st h a tt h ed y n a m o m e t e rr e a c h e dd e s i g n e ds t a n d a r da n d c a n b eu s e dr e l i a b l yt om e a s u r ec u t t i n gf o r c e k e yw o r d s ：d y n a m o m e t e r ；p i e z o q u a r t z ；s t r u c t u r ed e s i g n ；a n s y s 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 三鱼垄! 重直至趔坦么丛鱼兰垂笙尘 作者签名： 远送日期：丑年丝月 r 。 综合考虑测力仪的刚度、灵敏度、力学性能以及刀架结构尺寸的限制，选取测力仪 弹性环外径r = 1 5 m m ，内径r = 6 5 m m ，厚度h = 3 0 m m ，测力仪高g - - 3 4 m m ，刀杆长 j i a c h = 7 5 m m ，宽删j 3 0 r a m ，刀头长d a o c h - - 3 0 m m ，宽d a 哆3 2 m m ，高 d a o g = 3 4 m m 。 利用a n s y s 软件求得的各向刚度近似值分别为： 疋= 1 0 0 5 n i t m ； k y = 31 0 n l t m ； k z = 6 4 7 n i z m 。 4 2 4 测力仪的固有频率与传感器的承载能力 本文运用a n s y s 有限元分析软件对整体式车削测力仪进行模态分析，选用前一小 节的结构参数建模，并选用s o l i d 9 2 单元，该单元是三维l o 节点四面体结构单元，有三 个自由度u x 、u y 、u z 和中间节点的二次单元，它支持大变形和大应变【2 5 1 。分析结果 见表4 4 ： 表4 4 有限元分析结果 t a b 4 4r e s u l t so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 大连理工大学硕士学位论文 虽然a n s y s 建模分析时忽略了一些次要因素，但是分析结果对结构设计还是具有 很大的指导作用。根据c i r p 切削科学技术委员会对测力仪分类中规定的固有频率要求 和表4 4 中的前三阶固有频率可知，该结构的最低固有频率高于“实验室型 而低于“动 态型 测力仪的固有频率冽，满足一般机械加工中的测力要求。 为了具体了解弹性环的分载效果和弹性环与传感器装配时过盈量的大小，采用 a n s y s 对装配了传感器的测力仪进行静力学分析。为了简化计算，建模的时候传感器 晶组假设成各向同性的物质，取石英的杨氏模量和泊松比为晶组的物理参数。同时取消 传感器与测力仪间的预紧力，直接将传感器与测力仪弹性环贴合，保证贴合面一起变形 不分离。 力的加载方向如图4 2 所示，在x 、y 、z 三个方向分别加载2 0 0 0 n 和各向同时加 载2 0 0 0 n 时传感器晶组的受力大小如表4 5 所示。 表4 5 传感器晶组受力大小 t a b 4 5t h ef o r c ea p p l i e do nq u a r t z s 上表的数据表明：利用图4 9 设计的传感器晶组完全可以消除相间干扰。弹性环对 施加载荷起到了分载作用，合理设计弹性环的尺寸可以扩大测力仪的量程。x 向加载对 y 向和z 向单个传感器的输出影响很大，特别是对z 向的单个传感器输出的影响。如果 适当的缩小x 向载荷，可以扩大y 向和z 向的量程。在各向同时加载2 0 0 0 ) 7 时，y 向 和z 向的最大剪切力分别为1 0 4 5 1 n 和1 3 1 0 6 n 。取弹性环与晶组间的静摩擦系数为 o 1 ，那么施加于晶组上的预紧力必须大于1 6 7 6 0 n 。 4 3 刀架螺钉强度校核 车削测力仪通过刀杆夹持在车床刀架上，为了节省材料和美观，刀杆的设计长度为 2 5 r a m ，因此只能通过两个m 1 6 的螺钉对其预紧。本小节通过对螺钉的强度校核计算， 验证在两个螺钉预紧的情况下，选取合适的量程，可以达到设计要求。 ( 1 ) 螺钉的受力分析 一一 三向压电式车削测力仪的研制 二二_ 二i - 一 假设整个测力仪为刚体，螺钉与测力仪间的相互作用的等效力学模型如图4 1 0 所 示，图中固定处为螺钉预紧，根据力和力矩平衡，得到如下关系式： f z = 二三 1 2 r 一只 n 2 一了 二 其中：口两个螺钉间的距离； 6 坝8 力仪刀尖与螺钉预紧处的距离； c 钡9 力仪悬空端的长度。 z ：墨+ 型 2a ( 4 4 ) z ：墨一型 2 a 图4 1 0 刀架螺钉受力图 f i g 4 1 0 f o r c e dd i a g r a mo f s c r e w si n s t a l l e di nk n i f er e s t 根据测力仪的实际尺寸，a = 9 8 m m ；b = 7 0 m m ；c = 5 5 m m ；f x = 1 5 0 0 n ；f y = 2 0 0 0 n ： r - 2 0 0 0 n , 代入式4 4 可得： 五= 7 5 0 n巧3 6 6 7 n互= 2 0 7 1 n 五= 7 5 0 n砭3 6 6 7 nz 2 = _ 7 1 由上述计算结果可知：为了保证测力仪在切削过程中不发生滑动，预紧螺钉必须提 供足够的预紧力，并且左侧螺钉的预紧力远大于右侧螺钉的预紧力，因此在校核计算中， 只需对左侧螺钉进行强度校核。 ( 2 ) 螺钉的强度校核 以3 5 钢的m 1 6 螺钉为校核对象，根据参考文献 2 6 】可知，o - , = 3 1 5 m p a ， 吒= 5 3 0 m p a 。 根据参考文献 2 7 】中的式6 1 4 可知，左侧螺钉施加于测力仪的预紧力为： 大连理工大学硕士学位论文 f 。：兰丛- 4 - x ：_ 1 5 x 2 2 0 3 n + 3 6 6 7 n ：2 0 1 8 9 5 ( 4 5 ) 。肱 1 0 1 2 x 1 在本文所述的工作条件下，螺钉最有可能发生螺纹牙剪切、弯曲破坏，因此本段以 螺纹牙的强度校核为主。根据参考文献 2 7 1 q b 的式6 2 1 和表6 6 可知，螺纹牙的剪切和 弯曲强度条件为： f 2 0 1 8 9 5 7 r d l t z 3 1 4 x 1 5 2 m m x l 3 1 2 5 m m x l 0 ( 4 6 ) = 3 2 2 m p a r ；对心的因素主次 顺序为：h r r 。 ( 4 ) 根据石英晶组的受力情况和压电效应表达式设计了晶组的组合方式。 ( 5 ) 整体式双弹性环车削测力仪的静态、动态标定结果表明：线性、重复性完全达到 要求；实际切削实验表明：该测力仪切深方向的输出信号受切削热影响，仍需改进。 三向压电式车削测力仪的研制 参考文献 1 3k o r k u ti d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n go fad y n a m o m e t e rc o n n e c t e dt oc o m p u t e rw h i c hc a n d om e a s u r i n gw i t hs t r a i ng a g e so nt h el a t h e ：p h d t h e s i s ，t u r k e y ，a n k a r a , g a z i u n i v e r s i t yi n s t i t u t eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , 1 9 9 6 2 3d o n e r t a sm a d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n go fad y n a m o m e t e rw h i c hc a nd om e a s u r i n gw i t hs t r a i n g a g e so nam i l l i n gm a c h i n ea n dh a sc o n n e c t i o nt oac o m p u t e r ：p h d t h e s i s ，t u r k e y ，a n k a r a ， g a z iu n i v e r s i t yi n s t i t u t eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，1 9 9 9 3 s e k e ru ，k u r ta ，c i f t c i i d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fad y n a m o m e t e rf o rm e a s u r e m e n t o fc u t t i n gf o r c e sd u r i n gm a c h i n i n gw i t hl i n e a rm o t i o n m a t e rd e s2 0 0 2 ，2 3 ：3 5 5 3 6 0 4 i m i n i s ，b s b e r g e r ，m o d e l i n g ，a n a l y s i s ，o fc h a r a c t e r i z a t i o no fm a c h i n i n gd y n a m i c s d y n a m i c sa n dc h a o si nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s ，n e wy o r k ，1 9 9 8 5 n t o u n s i ，丸o t h o ， i d e n t i f i c a t i o no fm a c h i n e t o o l - w o r k p i e c e s y s t e md y n a m i c s i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo fm a c h i n et o o l s & m a n u f a c t u r e 1 9 9 9 ，4 0 ：1 3 6 7 1 3 8 4 6 n t o u n s i ，a o t h o ，d y n a m i cc u t t i n gf o r c em e a s u r i n g i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo fm a c h i n e t o o l s m a n