切削力传感器.docx

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切削力传感器

电阻应变传感器测量系统在数控车床切削力测量中的应用

为了便于测量和研究数控车床切削力,适应生产中设计和使用数控机床和刀具的需要,一般都把总切削力Fr分解成三个互相垂直方向的力Fz、Fy、Fx三个分力来测量分析。

该系统切削力的检测装置,我们采用电阻应变片传感器设计组成的八角环测力仪,作为测定X、Y、Z三个方向切削力的传感器。

其中的八角环是弹性元件,在环的内外壁相应的应变节点上分别粘贴四片电阻应变片,以克服测试过程中的交叉干扰,把四片电阻应变片按全桥方式联结分别构成三个测量电桥,以提高测试灵敏度。

在数控车床车削时,切削力经工件转动传递于车刀上,再由车刀刀杆传递到八角环,八角环的变形使紧贴在其上的电阻应变片也随之变形,电阻值R就会随之发生变化（R?

$R）。

当应变片受拉伸时,电阻丝直径变细,电阻值增大（R+$R）,应变片受压缩变形时,电阻丝直径变粗,电阻值变小（R-$R）,电桥会输出与切削力成正比例电信号。

由于电阻应变片的电阻变化很小,为了适合单片机控制系统进行相应的数据处理,必须将信号放大到0~5V后才能输入单片机。

电阻应变片组成的测量电桥电路如图2所示。

图2电阻应变片组成的测量电桥

Figure.2Themeasuringelectricbridgecomposedoftheresistancestraingauges

这是由四个电阻应变片作为电桥桥臂所组成的全桥测量电路,R1、R2、R3、R4分别为四个桥臂的电阻。

当A、C端加以一定的电压U时,则B、

D端的输出电压$U表示为:

$U=

R1R3-R2R4

U

（R1+R2）（R3+

R4）

由上式可知,当R1R3=R2R4

时,电桥的输出

电压$U=0,即电桥处于平衡状态。

在进行切削力测量前,还须对电桥进行调节,使其处于平衡

缺点：

不宜在外界环境变化比较大的地方使用，对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱。

优点：

精度高，测量范围广寿命长,结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化。

轮辐式切削力传感器

轮辐式传感是利用轮辐受载后的变形检取应变,通过敏感元件（如电阻应变片）来实现力—电信号的转换。

这种传载器根据轮辐的横截面形式分为变辐式和等辐式两种,本文仅论述便于加工的等辐式传感器。

如图1示,该传感器的形状恰似一车轮,轮毅和轮缘由对称的四根辐条连接,组成以轮缘为固定支座的交叉梁。

三向切削力可由轮毅传至轮辐。

这种传感器是基于剪辐式压力传感器的设想提出的川。

为保证传感器的性能可靠,其中轮毅和轮缘的刚度应适当取大c轮辐的截面为矩形,既保持梁的特性,又不致使传感器横向尺寸过大。

为分析方便,首先讨论传感器在径向切削力F:

单独作用下的情况。

根据对称结构,取传感器在同一直线上由两轮辐及轮毅、轮缘组成的一跨,可简化成图Za）示超静定梁,载荷及剪力图。

如不计中间轮毅高度影响,得到Zb）的原形梁,并作出相应的弯矩由超静定协调条件得到:

通过改变在轮辐上贴片的位置,可分别以弹性辐体的弯曲、剪切或拉压应变作为传感器的输入信号。

而这几类轮辐传感器的工作原理是不同的。

一般的轮辐传感器主要用于单向重载荷的压力检测,为撼高其刚度多利用纯剪状态下轮辐截面应力分布规律,在与传感器轴线45”方向布片（图2a）,即所谓的剪辐式荷重传感器川,这种形式传感器的特点是传感器的灵敏度只与筋板抗剪截面积吞X孔有关,因此可缩短轮辐体长度,进而减小传感器的体积,同时也大大提高了传感器的刚度。

显然,这种设计方案对单向的重载检测是适用的。

但切削力传感器的情况则复杂得多,由干切剥力的方向未知,通常要同时测出其在三个既定方向的切削分力Fx、Fz、FY。

而径向切削力FY一般小于500kgf，如仍采用上述剪辐式原理设计,势必使轮辐截而积过小,以至不能满足其它二向分力和贴片的要求。

因此采用图1（b）的布片形式,即用轮辐的拉压变形分别测定Fz、FY二向切削分力,FY采用辐板的端面布片,还过轮辐的弯曲变形来测定。

考虑到主切削分力Fz、FY,而通常弯曲形与相同结构的拉压形传感器比较,前者的灵敏度较高,所以采用图工（b）的设计方案可使传感器在Fz、FY分力作用下的输出差距缩小,便于二次仪表的选配。

同时,这种方案也使传感器具有较好的抗干扰载荷能力,可通过桥路自动补偿各向切削分力间的相互千扰及偏心载荷的影响。

用薄壁圆筒式切削力传感器测定

传感器中部为空心薄壁圆筒,外表面粘贴有两组电阻应变片。

传感器的两端有法兰盘,以此用螺钉联接安装在试材夹具与制材跑车搁凳之间。

电阻应变片R1和R2纵向粘贴在圆筒表面Z方向的位置上,相互错开180,接成半桥。

应变片R3、R4、R5、R6与轴线交叉倾斜45角,周向均匀分布,接成全桥。

锯切时,带锯条对木材切削力的切向分量Fx和法向分量Fy分别在薄壁圆筒上形成弯矩M和扭矩Mx。

测Fx的电桥输出反映弯矩M的大小,与Fx成正比。

测Fy的电桥输出反映扭矩Mk的值,与Fy成正比。

为便于数据处理,切削试验时,保持力臂a不变。

在锯切过程中,切削分力Fx和Fy的作用点是不断变化的,但弯矩M和扭矩Mk不受力点变化的影响,所以电桥的输出也不受力点变化的影响。

这是在木材切削力传感器的设计和安装中必须满足的一个条件。

与之相反,薄壁圆筒上Z向弯矩因受Fx作用位置前后变化的影响,所以不能用来测Fy力。

由于R3、R4、R5、R6贴片位置的对称性,切向分力Fx在测Fy的电桥中理论上无输出。

因为应变片R1和R2的中心位于通过圆筒中心线平行于z轴的平面内,所以Fy产生的z向弯矩在测Fx的电桥中理论上也无输出。

各电桥输出信号的单一性是多分量切削力传感器又一个必须满足的条件。

因为Z向力在两个测力电桥中都产生输出,所以锯切时不允许有Z向力存在。

一般地,薄壁圆筒式传感器测切削力两个正交分量时,第三方向的切削力分量必须为零,否则将干扰两向分力的测定结果。

电桥系统框图如图2a所示。

木材切削力的两个分量Fx二和Fy,通过薄壁圆筒切削力传感器变为两组电桥的输出,经动态电阻应变仪放大后,输人光线示波器,记录在示波纸上。

切削力分量的记录曲线如图2b所示。

根据记录曲线的相对高度hx和hy,算得切削力分量Fx和Fy的数值。

Design,developmentandtestingofafour-componentmillingdynamometerforthemeasurementofcuttingforceandtorque

参考文献：

MechanicalSystemsAndSignalProcessing

作者：

FrankUnsacar，HaciSaglam，HakanLsik

优点：

具有很高的线性度和较低的误差，它已制定和提供必要的数据采集系统由硬件和软件。

测功机可以衡量三个垂直切割力和扭矩期间同时铣削和模拟测量值可以存储在计算机数据采集系统。

这是旨在衡量高达5000的最大力量和灵敏度的系统±5N。

Athree-forcecomponentanaloguedynamometercapableofmeasuringcuttingforcesduringmillingwasdesigned,developedandtested.Acomputerconnectionfordataacquisitionwasalsomadeandcalibrated.Theanaloguedatacanbeevaluatednumericallyonacomputerandwhenrequiredcanbeconvertedbacktoanalogue.Theschematicrepresentationofthecuttingforcemeasurementsystemiscapableofmeasuringfeedforce（Ff）,thrustforce（Ft）andmaincuttingforce（Fc）whichoccursduringmillingoperationsasseeninFig.1.ThisdynamometerconsistsoffourelasticoctagonalringsonwhichstraingaugesweremountedandnecessaryconnectionsweremadetoformmeasuringtheWheatstonebridges

On-lineandreal-timeinformationofthecuttingforcedataareautomaticallyreadandstoredbyasystemduringmetalcutting.SincetheoutputfromWheatstonebridgecircuitsisverylowduetothehighstiffnessrequirementofthedynamometer,theanaloguesignalscomingfromdynamometeramplifiedbystraingaugeinputmodules（AdvantechADAM3016）arethenconvertedtodigitalsignalsandcapturedbyPCI-1712dataacquisitioncardinstalledinMS-Windows-basedPC.Thestoreddatacanberetrievedandusedforanalysiswhenrequired.Thedataacquisitionsoftwareiscapableofaveragingandgraphicalsimulationofforcesignalsinprocess.ThelistsoftheexperimentalequipmentsusedareshowninTable1

Table1.Experimentalequipmentsandtheirtechnicalproperties

Machinetool

Universalmilling:

Taksan,FU-315V/2×1250

Dynamometer

Straingauge-basedfour-componentcuttingforcedynamometer

Straingauge

HBM:

LY41-10/350;effectivegaugelength10mm;Gaugefactor2.09±1%;gaugeresistance350±0.3%Ω;transversesensitivityof−0.3%

Strainring

Octagonalinshape;madeofAISI4140steel;b=30mm;r=32mm;t=8mm

Stra