本实用新型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。金刚石车刀、T形杠杆式刀架、三个压力传感器和预紧螺钉组成三向切削力测量系统，三向切削力测量系统集成在快速刀具伺服装置的Z向微动平台上，在压电叠堆推动微动Z向往复进给时，三向切削力测量系统可测出XYZ三向切削力，压电叠堆的驱动力不会干扰切削力的测量。本实用新型专利技术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】
本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
本技术提供一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量装置，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。 本技术采取的技术方案是:底座安装在机床的溜板上，基体以底座后方的凸 起部分为定位面安装在底座上，电容位移传感器固定架安装在底座上，电容位移传感器固 定安装在电容位移传感器固定架上，Z向预紧块通过Z向直板型柔性铰链与基体连为一体， 移动平台通过Z向直圆型柔性铰链与基体连为一体，压电叠堆预紧螺钉通过推动Z向预紧块 将Z向压电叠堆预紧在Z向预紧块与移动平台之间，金刚石车刀紧定螺钉将金刚石车刀安装 在T形杠杆式刀架上，压力传感器一、压力传感器二、压力传感器三安装在移动平台和T形杠 杆式刀架之间。 本技术所述T形杠杆式刀架的结构是：T形刀座上具有定位金刚石车刀的块 体，单向直圆型柔性铰链一与单向直圆型柔性铰链二垂直布置，单向直圆型柔性铰链一通 过转台一与单向直圆型柔性铰链二连为一体，T形刀座分别通过单向直圆型柔性铰链一、转 台一、单向直圆型柔性铰链二、Y向运动块、Y向直板型柔性铰链与T形杠杆式刀架底座连为 一体，转台二通过单向直圆型柔性铰链三与T形刀座的前端连为一体，转台三通过单向直圆 型柔性铰链四与T形刀座的前端连为一体，转台四通过双向直圆型柔性铰链与T形刀座的后 端连为一体，转台二、转台三与转台四呈等腰三角形分布，其中转台四位于该等腰三角形的 顶点。 本技术T形杠杆式刀架底座以移动平台前端突出部分的上表面为定位面安装 在移动平台上，Z向压电叠堆通过驱动移动平台，带动T形杠杆式刀架、金刚石车刀及三个压 力传感器一起做Z向往复运动，金刚石车刀紧定螺钉贯穿金刚石车刀和T形杠杆式刀架且连 接于移动平台上，金刚石车刀紧定螺钉一方面将金刚石车刀固定在T形杠杆式刀架上，一方 面起到预紧压力传感器一、压力传感器二、压力传感器三的作用，以提高三向切削力测量的 准确性，转台二、转台三与转台四用于分别压紧压力传感器一、压力传感器二和压力传感器 三，压力传感器一、压力传感器二和压力传感器三成等腰三角形分布，压力传感器一和压力 传感器二分别位于该等腰三角形的底边上的两端，压力传感器三位于该等腰三角形的顶 点，金刚石车刀紧定螺钉位于该等腰三角形的底边上的中线上，金刚石车刀的刀尖距离压 力传感器一和压力传感器二的X向距离相等，且在Y向投影到等腰三角形底边的中点。 本技术的优点及有益效果:本技术采用三个压力传感器的等腰三角形布 置形式，通过建立动力学模型，求得了 XYZ三向切削力真值与实测值的表达式，在快速刀具 伺服装置中集成了切削力测量系统，真正实现了三向切削力的测量;三个压力传感器均为Y 向布置，而压电叠堆为Z向布置，压力传感器的测量方向与压电叠堆的驱动方向相互垂直， 所以切削力的测量不受压电叠堆驱动力的影响；为以后的快速刀具伺服系统的基于三向切 削力的主动控制打下基础。【附图说明】图1是本技术的结构不意图； 图2是本技术的剖视图； 图3是本技术的俯视图；图4是本技术的正视图；图5是本技术的切削力测量系统的示意图；图6是Z向切削力真值Fra作用于切削力测量系统时的运动部分示意图；图7是Y向切削力真值Fcy作用于切削力测量系统时的运动部分示意图；图8是X向切削力真值Frat作用于切削力测量系统时的运动部分示意图；图9是本技术基体的不意图； 图10是本技术基体的俯视图； 图11是本技术T形杠杆式刀架示意图；图12是本技术T形杠杆式刀架左视图；图13是本技术T形杠杆式刀架正视图；图14是本技术T形杠杆式刀架俯视图；图15是本技术底座的示意图；图16是切削力测量系统测量Z向切削力时的动力学模型；图17是切削力测量系统测量Y向切削力时的动力学模型的X向视图；图18是切削力测量系统测量Y向切削力时的动力学模型的Z向视图；图19是切削力测量系统测量X向切削力时的动力学模型。【具体实施方式】 采用压本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种快速刀具伺服车削的三向切削力测量装置，其特征在于：底座安装在机床的溜板上，基体以底座后方的凸起部分为定位面安装在底座上，电容位移传感器固定架安装在底座上，电容位移传感器固定安装在电容位移传感器固定架上，Z向预紧块通过Z向直板型柔性铰链与基体连为一体，移动平台通过Z向直圆型柔性铰链与基体连为一体，压电叠堆预紧螺钉通过推动Z向预紧块将Z向压电叠堆预紧在Z向预紧块与移动平台之间，金刚石车刀紧定螺钉将金刚石车刀安装在T形杠杆式刀架上，压力传感器一、压力传感器二、压力传感器三安装在移动平台和T形杠杆式刀架之间。
【技术特征摘要】
【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：新型
国别省市：吉林;22
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