【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及超精密加工，具体涉及一种基于三轴快速刀具伺服机构的差分式三维力检测机构。
技术介绍
1、切削力是反映切削状态的重要指标，其变化能反映刀具磨损状态的变化或者加工结构表面缺陷的形成，所以切削力实时检测在加工过程状态和切削工具状态的识别和监测方面得到广泛应用，主要包括：(1)表征和优化切削加工过程：通过金属切削机理和切削力实时检测相结合，通过加工过程切削力大小确定最佳的切削加工工艺；(2)监控切削刀具的状况：实时监测刀具磨损状态，通过切削力大小预测刀具的磨损和故障情况，通过及时换刀来保证结构加工精度；(3)检测切削过程的振动和颤动：通过检测振动和颤动，确保加工过程的稳定性，提高加工质量和效率。
2、基于快速刀具伺服机构的跨尺度微纳结构超精密制造是一个跨尺度、超长时、高动态的过程，为了对超精密加工复杂表面微结构的加工状态进行监测以保证加工结构的完整性和粗糙度，需要对超精密加工过程中切削力进行实时检测，而超精密加工的切削深度非常小，使得相应的切削力为次毫牛顿量级，力传感器需具备高灵敏度的力测量能力。目前的三维力检测方法如基于电磁感应的三维力检测方法、电容式三维力检测方法等方法的力检测精度、灵敏度不高，无法满足以上需求，同时由于传感器体积偏大的缺点，无法集成到刀架上实现超精密三维切削力的在线检测。
3、另一方面，压电式力传感器可以利用压电陶瓷的正压电效应，通过压电陶瓷在受到动态力作用产生的沿轴向分布的极化电荷大小来反映动态力的大小，从而实现测量动态力的功能。压电式力传感器具有高频响、高刚度、高灵敏度等优
技术实现思路
1、基于上述背景，本专利技术提供了一种基于三轴快速刀具伺服机构的差分式三维力在线检测系统，可实现在切削过程中检测三维力。
2、本专利技术的目的是这样实现的：
3、一种基于三轴快速刀具伺服机构的差分式三维力检测机构，包括三维力传递柔性机构、外围框架、沿z向安装的压电力传感器、沿x及y向安装的压电力传感器，所述机构包括：
4、三维力传递柔性机构，采用一体化设计，其包括可拆装刀具的受力端，五个并联的柔性铰链，其中四个柔性铰链沿x及y向对称布置，一个柔性铰链沿z向布置，通过其传动与约束作用，使柔性机构具有三轴解耦效果，测力端因受力在各个方向上产生位移，进而被五个铰链末端的测力端检测到；
5、沿x及y向安装的压电力传感器，位于x及y向柔性机构末端固定部和外围框架之间，通过螺钉提供预紧力，可以测量x向及y向力，且同向布置的两个压电力传感器测得力的大小相同、方向相反，通过差分计算x及y向的输出力，可以消除电荷放大器的输出信号漂移，并提高力测量灵敏度为原来的两倍；
6、沿z向安装的压电力传感器，位于z向柔性机构末端固定部和外围框架之间，通过螺钉提供预紧力，可以测量z向力；
7、外围框架，用于固定力传递柔性机构和各向压电力传感器，并可以通过螺钉进行固定。
8、进一步的，所述力传递机构的柔性铰链部为双轴直圆型柔性铰链；
9、进一步的，所述的沿z向安装的压电力传感器和沿x及y向安装的压电力传感器由压电陶瓷和两个绝缘氧化锆垫片组成；
10、进一步的，所述的一种三轴快速刀具伺服机构的差分式三维力检测机构，还包括三轴快速刀具伺服机构，所述三轴快速刀具伺服机构的末端执行器可与所述框架进行可拆卸连接；
11、进一步的，所述的一种三轴快速刀具伺服机构的差分式三维力检测机构，还包括：
12、五通道电荷放大器模块，其输入端分别耦接到五个压电力传感器，每个通道都独立运行，通过模块对传感器产生的极化电荷信号进行放大，将微弱的电荷信号转换为可测量的电压信号；
13、ad采集卡，其输入端分别连接所述五通道电荷放大器模块的输出端，用于采集五通道电荷放大器模块输出的放大后的电压信号；
14、上位机，其连接ad采集卡的输出端，用于接收ad采集卡采集的放大后的电压信号，并基于沿x向布置的两个压电陶瓷输出的信号差分计算x向的动态力，基于沿y向布置的两个压电陶瓷输出的信号差分计算y向动态力，基于沿z向布置的压电陶瓷信号计算z向的动态力；
15、进一步的，所述五通道电荷放大器模块内置了五个独立的放大通道，这些通道共同构成集成型电荷放大系统，每个通道都可以独立工作，各通道之间不产生串扰影响，其中每个放大器通道包括：
16、两个主要放大器：第一级放大器q1和第二级放大器q2。第一级放大器q1采用±2.5v电压供电，主要功能是将压电力传感器的电荷信号转化为电压信号，其同相输入端通过电阻rt与第二放大器q2的同相输入端相连，其反相输入端通过电阻rg和电容cg并联组成的滤波单元接地以去除噪声，其信号输出端连接到五通道电荷放大器模块的信号输入端口。第二级放大器q2采用±2.5v电压供电，主要功能是保证第一级放大器q1的信号稳定性，其反相输入端通过电阻rs连接到五通道电荷放大器模块的信号输入端口，其输出端连接到五通道电荷放大器模块的信号输出端口以输出的电压信号，同时经过电阻rf和电容cf并联组成的负反馈单元连接到其自身的反相输入端。
17、优选的，选取lmp7715型号作为第一级放大器q1，选取lmp7721型号作为第二级放大器q2。
18、本专利技术的有益效果如下：
19、(1)与现有三轴快速刀具伺服机构的三维力检测机构相比，本专利技术所述机构具有更高的结构刚度和系统频响。
20、(2)与现有三轴快速刀具伺服机构的三维力检测机构相比，本专利技术所述机构对x及y向压电力传感器对称布置，差分采集输出信号，在保持高刚度的同时提高力检测灵敏度、消除偏置电流的影响、减少轴间耦合。
21、(3)与现有三轴快速刀具伺服机构的三维力检测机构相比，本专利技术所述机构，可以将力检测系统集成在三轴快速刀具伺服机构上，从而在超精密加工过程中在线检测切削力大小，更适用于在其他测力领域拓展。
22、(4)与现有三轴力检测手段相比，本专利技术所述系统具有高灵敏度，得益于差分式采集输出方式，在x及y向的灵敏度均大于5v/n，在z向的灵敏度也达到3v/n。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.一种基于三轴快速刀具伺服机构的差分式三维力检测机构，包括外围框架和差分式三维力检测柔性机构；所述外围框架用于固定在三轴快速刀具伺服机构上；所述差分式三维力检测柔性机构设置在所述外围框架内部；
2.如权利要求1所述的一种基于三轴快速刀具伺服机构的差分式三维力检测机构，其特征在于：所述五通道电荷放大器模块内置了五个独立的放大通道，五个独立的放大通道共同构成集成型电荷放大系统，每个通道都可以独立工作，各通道之间不产生串扰影响，其中每个放大器通道包括：第一级放大器Q1和第二级放大器Q2；
3.如权利要求2所述的一种基于三轴快速刀具伺服机构的差分式三维力检测机构，其特征在于：选取LMP7715型号作为第一级放大器Q1，选取LMP7721型号作为第二级放大器Q2。
4.如权利要求3所述的一种基于三轴快速刀具伺服机构的差分式三维力检测机构，其特征在于：所述柔性铰链是为双轴直圆型柔性铰链，柔性铰链末端的固定块与对应的压电陶瓷力传感器连接并将其夹紧固定于外围框架内壁。
5.如权利要求4所述的一种基于三轴快速刀具伺服机构的差分式三维力检测机构，其特
6.如权利要求5所述的一种基于三轴快速刀具伺服机构的差分式三维力检测机构，其特征在于：所述压电陶瓷力传感器由压电陶瓷和两个绝缘氧化锆垫片组成。
7.如权利要求6所述的一种基于三轴快速刀具伺服机构的差分式三维力检测机构，其特征在于：所述三轴快速刀具伺服机构的末端执行器与所述外围框架可拆卸连接。
...【技术特征摘要】
1.一种基于三轴快速刀具伺服机构的差分式三维力检测机构，包括外围框架和差分式三维力检测柔性机构；所述外围框架用于固定在三轴快速刀具伺服机构上；所述差分式三维力检测柔性机构设置在所述外围框架内部；
2.如权利要求1所述的一种基于三轴快速刀具伺服机构的差分式三维力检测机构，其特征在于：所述五通道电荷放大器模块内置了五个独立的放大通道，五个独立的放大通道共同构成集成型电荷放大系统，每个通道都可以独立工作，各通道之间不产生串扰影响，其中每个放大器通道包括：第一级放大器q1和第二级放大器q2；
3.如权利要求2所述的一种基于三轴快速刀具伺服机构的差分式三维力检测机构，其特征在于：选取lmp7715型号作为第一级放大器q1，选取lmp7721型号作为第二级放大器q2。
4.如...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈远流，沙凯杰，林焕彬，陈甫文，李忠伟，居冰峰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。