一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法及装置，属于超精密切削、切削力测量和光学零件切削加工等技术领域，适用于快速刀具伺服车削的三向切削力的测量。在快速刀具伺服装置沿Y向布置三个呈等腰三角形分布的压力传感器，可在Z向高频往复加工工件的同时测出切削力，经过三次动力学分析，可得出XYZ三向切削力真值与对应测量值的关系。其中，Z向切削力可由压力传感器三测出，Y向切削力由压力传感器一和压力传感器二的相同的测量成分测出，X向切削力由压力传感器一和压力传感器二的测量值采用差动算法测出。本发明专利技术的方法及装置具有切削力测量全面、准确性较高、可避免压电叠堆驱动力对切削力测量的干扰等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法及装置
本专利技术属于超精密切削、切削力测量和光学零件切削加工等
，涉及一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法及装置。
技术介绍
复杂光学自由曲面的制造是精密制造的重要研究内容，例如非回转对称光学自由曲面的制造。非回转对称光学自由曲面是一种没有任何对称轴的光学自由曲面，具有该曲面的光学元件广泛应用在民用和军事领域中，极大地改善了光学系统的性能。加工具有非回转对称光学自由曲面的零件的一项关键的技术是快速刀具伺服，该项技术是在车床溜板上安装具备快速高频响应能力的刀具微进给伺服机构，具有精度高，效率高，成本低等优点。快速刀具伺服除了可以实现非回转对称光学自由曲面的高效、精密加工之外，还可以实现误差补偿，加工微阵列光学元件等。快速刀具伺服技术可用于实现刀具相对于工件的快速往复进给，消除机床重复性误差。研究快速刀具伺服加工的切削力具有重要的意义：第一，快速刀具伺服加工的切削力可以有效反映快速刀具伺服机构的加工过程，有助于监测刀具磨损情况；第二，切削力的大小和方向对于快速高频进给加工质量有着至关重要的影响，准确测量切削力有助于揭示快速刀具伺服的切削加工机理；第三，有助于预测已加工表面的表面质量，评估材料的切削性；第四，为快速刀具伺服基于切削力的主动控制打下基础。因此在快速刀具伺服中集成切削力测量系统是十分必要的，而现有的具有切削力测量功能的快速刀具伺服机构只能测量单向切削力，且以测量Z向切削力为主，目前主要有两种技术方案：一种将压力传感器置于快速刀具伺服机构的近刀具端，另一种将压力传感器置于快速刀具伺服机构的驱动器的后方。其中，后一种方案所测出的切削力含有的驱动力成分较大，导致切削力测量的准确性较前一种方案的低。这两种布局方案均无法将三向切削力全部测出，而且在切削力测量方向会受到压电叠堆驱动力的干扰，导致压力传感器的测量值中含有压电叠堆的驱动力成分，所以无法准确地测出全部的快速刀具伺服加工的切削力。而目前用于测量普通车削切削力的三向测力仪存在体积较大，响应频率较低等问题，同时在设计时也没有考虑在弹性基础上测量切削力的问题，所以用于测量普通车削切削力的三向测力仪不适用于快速刀具伺服车削切削力的嵌入式精密测量。综上所述，为了克服这些不足之处，提高快速刀具伺服切削力测量的准确性和全面性，本专利技术提出了一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法，并设计了一种具有三向切削力测量功能的快速刀具伺服机构，其主要构成包括：基体、压电叠堆、电容位移传感器、三个压力传感器、T形杠杆式刀架、金刚石车刀等，其中压电叠堆的驱动方向沿Z向，三个压力传感器的测量方向均为Y向，压电叠堆的驱动方向和压力传感器的测量方向垂直，所以，压电叠堆的驱动力不会干扰三个压力传感器的切削力的测量。并将其切削力测量系统做了参数优化设计，通过对切削力测量系统做动力学分析，可得出了XYZ三向切削力真值与对应的实测值的关系式，将所测的实测值代入关系式中，即求得出三向切削力真值。实现本专利技术的方法及装置具有切削力测量全面、准确性较高、避免压电叠堆驱动力对切削力测量的干扰等优点。
技术实现思路
本专利技术提供一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法及装置，以解决目前具有切削力测量功能的快速刀具伺服装置的不能同时测量三向切削力、所测量的切削力测量值含有驱动力成分等问题。本专利技术采取的技术方案是：一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法，包括下列步骤：(1)将三个完全相同的压力传感器沿Y向立着安装在快速刀具伺服机构的微动平台上，其中压力传感器一和压力传感器二安装在前端，压力传感器三安装在微动平台的内部，三个压力传感器成等腰三角形分布，压力传感器一和压力传感器二位于该等腰三角形的底边上，压力传感器三位于顶点；(2)用T形杠杆式刀架压紧这三个压力传感器，金刚石车刀安装在杠杆式刀架上，并与杠杆式刀架紧密结合在一起，三个压力传感器、T形杠杆式刀架、金刚石车刀和微动平台共同组成快速刀具伺服机构的切削力测量系统；(3)将具有切削力测量系统的快速刀具伺服装置安装在车床的溜板上，车床主轴带动工件作旋转运动，快速刀具伺服装置驱动金刚石车刀对工件进行往复切削，从而在金刚石车刀上产生切削力Fc，其分力为Z向切削力真值Fcz、Y向切削力真值Fcy、X向切削力真值Fcx；(4)金刚石车刀和T形杠杆式刀架的整体将在分力Fcz的作用下绕Tcz点振动，经过动力学分析，可求得Z向切削力测量值与Z向切削力真值Fcz的关系，其中Z向切削力测量值由压力传感器三给出；(5)金刚石车刀和T形杠杆式刀架的整体将在分力Fcy的作用下绕Tcy点振动，经过动力学分析，可求得Y向切削力测量值与Y向切削力真值Fcy的关系，其中Y向切削力测量值由压力传感器一和压力传感器二给出；(6)金刚石车刀和T形杠杆式刀架的整体将在分力Fcx的作用下绕Tcx点振动，经过动力学分析，采用差动算法，可求得X向切削力测量值与X向切削力真值Fcx的关系，其中X向切削力测量值由压力传感器一和压力传感器二给出。本专利技术所述步骤(4)中动力学分析具体如下：设Fcz为Z向切削力真值，Fcy为Y向切削力真值，Fs3为压力传感器三的测量值，Fp为Z向压电叠堆的驱动力，M1为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在Fcz的作用下的运动质量，Ms为压力传感器的运动质量，Zsz(t)是压力传感器三在Fcz作用下的压缩量，C1是金刚石车刀紧定螺钉的螺栓连接阻尼，Cs是压力传感器的阻尼，Fpre和F’pre是金刚石车刀紧定螺钉的预紧力，k1为金刚石车刀紧定螺钉的螺栓连接刚度，kB为柔性转台的扭转刚度，ks为压力传感器的刚度，Tcz点为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在Fcz的作用下的扭转点，位于单向直圆型柔性铰链一、单向直圆型柔性铰链三和单向直圆型柔性铰链四的扭转处，Tcy点为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在Fcy的作用下的扭转点，位于双向直圆型柔性铰链的扭转处，Oz点为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在Fcz的作用下的运动部分的质心，La为Oz点到Tcy点的Z向距离，Lb为Oz点到Tcz点的Z向距离，Lc为金刚石车刀的刀尖到Tcy点或Tcz点的Y向距离，当切削力测量系统受到Z向切削力真值的作用时，金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体会绕Tcz点摆动，因为金刚石车刀紧定螺钉距离Tcy点和Tcz点的距离相等，所以压力传感器三所受的预紧力为1/2F’pre，则测量Z向切削力所需的动力学方程为：其中：M'z为阻尼力扭矩，M”z为惯性力扭矩，压力传感器三的测量值Fs3为：Fs3＝ksZsz(t)(2)由于压电驱动的微动平台是欠阻尼的，所以C1和Cs可以忽略，则Fcz与压力传感器三的测量值Fs3的关系为：其中F”z为惯性力：本专利技术所述步骤(5)中动力学分析具体如下：当切削力测量系统受到Y向切削力真值的作用时，金刚石车刀、T形刀座及Y向运动块组成的整体会在Y向直板型柔性铰链的引导下绕Tcy点摆动，设Fcy为Y向切削力真值，Fsy为压力传感器一或压力传感器二对应于Y向切削力的测量值，Fs1为压力传感器一的总测量值，Fs2为压力传感器二的总测量值，M2为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在Fcy的作用下的运动质量，Ms为压力传感器一或二的运动质量，Oy为金刚石车本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法，其特征在于包括下列步骤：(1)将三个完全相同的压力传感器沿Y向立着安装在快速刀具伺服机构的微动平台上，其中压力传感器一和压力传感器二安装在前端，压力传感器三安装在微动平台的内部，三个压力传感器成等腰三角形分布，压力传感器一和压力传感器二位于该等腰三角形的底边上，压力传感器三位于顶点；(2)用T形杠杆式刀架压紧这三个压力传感器，金刚石车刀安装在杠杆式刀架上，并与杠杆式刀架紧密结合在一起，三个压力传感器、T形杠杆式刀架、金刚石车刀和微动平台共同组成快速刀具伺服机构的切削力测量系统；(3)将具有切削力测量系统的快速刀具伺服装置安装在车床的溜板上，车床主轴带动工件作旋转运动，快速刀具伺服装置驱动金刚石车刀对工件进行往复切削，从而在金刚石车刀上产生切削力Fc，其分力为Z向切削力真值Fcz、Y向切削力真值Fcy、X向切削力真值Fcx；(4)金刚石车刀和T形杠杆式刀架的整体将在分力Fcz的作用下绕Tcz点振动，经过动力学分析，可求得Z向切削力测量值与Z向切削力真值Fcz的关系，其中Z向切削力测量值由压力传感器三给出；(5)金刚石车刀和T形杠杆式刀架的整体将在分力Fcy的作用下绕Tcy点振动，经过动力学分析，可求得Y向切削力测量值与Y向切削力真值Fcy的关系，其中Y向切削力测量值由压力传感器一和压力传感器二给出；(6)金刚石车刀和T形杠杆式刀架的整体将在分力Fcx的作用下绕Tcx点振动，经过动力学分析，采用差动算法，可求得X向切削力测量值与X向切削力真值Fcx的关系，其中X向切削力测量值由压力传感器一和压力传感器二给出。...

【技术特征摘要】
1.一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法，其特征在于包括下列步骤：(1)将三个完全相同的压力传感器沿Y向立着安装在快速刀具伺服机构的微动平台上，其中压力传感器一和压力传感器二安装在前端，压力传感器三安装在微动平台的内部，三个压力传感器成等腰三角形分布，压力传感器一和压力传感器二位于该等腰三角形的底边上，压力传感器三位于顶点；(2)用T形杠杆式刀架压紧这三个压力传感器，金刚石车刀安装在杠杆式刀架上，并与杠杆式刀架紧密结合在一起，三个压力传感器、T形杠杆式刀架、金刚石车刀和微动平台共同组成快速刀具伺服机构的切削力测量系统；(3)将具有切削力测量系统的快速刀具伺服装置安装在车床的溜板上，车床主轴带动工件作旋转运动，快速刀具伺服装置驱动金刚石车刀对工件进行往复切削，从而在金刚石车刀上产生切削力Fc，其分力为Z向切削力真值Fcz、Y向切削力真值Fcy、X向切削力真值Fcx；(4)金刚石车刀和T形杠杆式刀架的整体将在分力Fcz的作用下绕Tcz点振动，经过动力学分析，可求得Z向切削力测量值与Z向切削力真值Fcz的关系，其中Z向切削力测量值由压力传感器三给出；(5)金刚石车刀和T形杠杆式刀架的整体将在分力Fcy的作用下绕Tcy点振动，经过动力学分析，可求得Y向切削力测量值与Y向切削力真值Fcy的关系，其中Y向切削力测量值由压力传感器一和压力传感器二给出；(6)金刚石车刀和T形杠杆式刀架的整体将在分力Fcx的作用下绕Tcx点振动，经过动力学分析，采用差动算法，可求得X向切削力测量值与X向切削力真值Fcx的关系，其中X向切削力测量值由压力传感器一和压力传感器二给出。2.根据权利要求1所述的一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法，其特征在于步骤(4)中动力学分析具体如下：设Fcz为Z向切削力真值，Fcy为Y向切削力真值，Fs3为压力传感器三的测量值，Fp为Z向压电叠堆的驱动力，M1为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在Fcz的作用下的运动质量，Ms为压力传感器的运动质量，Zsz(t)是压力传感器三在Fcz作用下的压缩量，C1是金刚石车刀紧定螺钉的螺栓连接阻尼，Cs是压力传感器的阻尼，Fpre和F’pre是金刚石车刀紧定螺钉的预紧力，k1为金刚石车刀紧定螺钉的螺栓连接刚度，kB为柔性转台的扭转刚度，ks为压力传感器的刚度，Tcz点为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在Fcz的作用下的扭转点，位于单向直圆型柔性铰链一、单向直圆型柔性铰链三和单向直圆型柔性铰链四的扭转处，Tcy点为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在Fcy的作用下的扭转点，位于双向直圆型柔性铰链的扭转处，Oz点为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在Fcz的作用下的运动部分的质心，La为Oz点到Tcy点的Z向距离，Lb为Oz点到Tcz点的Z向距离，Lc为金刚石车刀的刀尖到Tcy点或Tcz点的Y向距离，当切削力测量系统受到Z向切削力真值的作用时，金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体会绕Tcz点摆动，因为金刚石车刀紧定螺钉距离Tcy点和Tcz点的距离相等，所以压力传感器三所受的预紧力为1/2F’pre，则测量Z向切削力所需的动力学方程为：其中：M'z为阻尼力扭矩，M”z为惯性力扭矩，压力传感器三的测量值Fs3为：Fs3＝ksZsz(t)(2)由于压电驱动的微动平台是欠阻尼的，所以C1和Cs可以忽略，则Fcz与压力传感器三的测量值Fs3的关系为：其中F”z为惯性力：3.根据权利要求1所述的一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量方法，其特征在于步骤(5)中动力学分析具体如下：当切削力测量系统受到Y向切削力真值的作用时，金刚石车刀、T形刀座及Y向运动块组成的整体会在Y向直板型柔性铰链的引导下绕Tcy点摆动，设Fcy为Y向切削力真值，Fsy为压力传感器一或压力传感器二对应于Y向切削力的测量值，Fs1为压力传感器一的总测量值，Fs2为压力传感器二的总测量值，M2为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在Fcy的作用下的运动质量，Ms为压力传感器一或二的运动质量，Oy为金刚石车刀与T形杠杆式刀架的整体在Fcy的作用下的运动部分的质心，Ld为Oy点到Tcy点的Z向距离，Le为Oy点到Tcz点的Z向距离，k2是Y向直板型柔性铰链的刚度，C2是Y向直板型柔性铰链的阻尼，Oy距压力传感器一中心线的Z向距离与距压力传感器二中心线的Z向距离相等，均为Lf，且整个切削力测量系统是对称的，所以压力传感器一与压力传感器二的压缩量在Fcy的作用下相同，均为Zsy(t)；测量Y向切削力需要的动力学方程为：

【专利技术属性】
技术研发人员：周晓勤，侯强，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22