切削力测量方法研究报告.docx

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切削力测量方法研究报告

中国地质大学（武汉）

切削力测量方法研究报告

成员班级：

2012年10月22日

国内外传感器公司

国内各大传感器公司及其产品

公司、厂商、研究所名称

主要产品

中国船舶总公司707研究所

角度传感器、陀螺仪

中国科学院电工研究所

变压器式传感器，电磁式位置与转速传感器

合肥博通电子技术有限责任公司

压力传感器、电容式压力/差压变送器、力敏传感器、位移传感器

安徽电子科学研究所

半导体拉压力传感器

华东电子仪器厂

应变式压力传感器和荷重传感器

成都科学仪器厂

应变式压力传感器

宝鸡秦岭电子仪表公司

通用压力传感器

机械电子工业部49研究所

硅杯式压力传感器，硅盐宝石压力传感器，荷重传感器等各种传感器

北京建华电子仪器厂

超声液位传感器

北京光电器件厂

光敏二极管与三极管、光电传感器等

北京昆仑海岸传感技术中心

压力/差压/液位/船用压力/超声波物位/浸水变送器

大连仪表元件厂

集成温度传感器

安庆市无线电一厂

湿度传感器

上海森珀光电科技有限公司

光栅光纤传感器

沈阳仪表科学研究院

力/热/磁传感器

深圳清华大学研究院

应变传感器，石英晶体传感器

河南汉威电子股份有限公司

气体传感器及气体检测系统

天津市中环温度仪表有限公司

温度传感器等

绵阳市维博电子有限责任公司

WB直流漏电流传感器、1000A-2000A圆孔（Ф50）开启式霍尔传感器

国外各大传感器公司及其产品

公司名称

主要产品

美国

美国

美国PCB公司（美国压电有限公司）

加速度、压力、力等传感器及相应的测量仪器

美国MEAS传感器公司

压力及动态压力传感器、倾角及角位移传感器

飞思卡尔

压力传感器

霍尼韦尔国际公

扩散硅压力传感器、陶瓷电容式压力变送器

美国凯勒公司

压力传感器、压力变送器

美国艾默生电气公司

振动传感器、PH传感器

雷泰公司

温度传感器

MeritSensorSystems公司

压阻式压力芯片，压力传感器等

美国STS公司

称重传感器，高温传感器

FUTEK公司

应变式的传感器及其相关的电缆、放大器等等

AdvancedProcessControl,Inc

差压传感器、压力传感器、力传感器和液位传感器

AnalogDevices公司

旋转指示记录仪

Humphrey（汉弗莱）

角位移传感器

SchaevitzEngineering

加速度传感器、倾斜仪

美国RLElectrics

力传感器

美国ADE公司

机械位移传感器

德

国

西门子股份公司

温度/压力传感器，工业自动化产品中所用传感器

WIKAAlexanderWiegandGmbH&Co.KG

温度/压力传感器

爱普科斯公司

温度/液位/压力传感器

巴鲁夫公司

光电传感器、电感式/电容式接近传感器

图尔克公司

电容式接近开关类传感器，流量开关传感器，

倍加福公司

距离/测距传感器，对射式传感器，倾斜传感器

施克公司

超声波传感器，荧光传感器，颜色传感器

德国德森克公司

聚焦/对射/反射传感器，可编程色标传感器

德国爱尔邦公司

现场传感器

柏西铁龙公司

热式流量传感器，红外测温传感器

德国爱尔邦公司

室内各种参数测量，气象参数、水质分析、红外温度测量传感器

英飞凌科技股份公司

压力传感器，磁力传感器，胎压传感器等

FirstSensorTechnologyGmbH

力敏芯片，压力传感器等

DUDOCO公司

转速传感器

Kistler公司

冲击加速度计

Micro-Epsilon（德国米铱测试技术公司）

电感式位移传感器

德国SIKA公司

温度校准仪、压力校准仪

日本

日本

日本三菱化学有限公司

冲击传感器

日本昭和测器

位移传感器、小型位移计

日本奥井电机株式会社

液体界面传感器、超声液位传感器

日本三洋电机集团

半导体光传感器、光电二极管阵列

日本竹中电子工业株式会社

颜色传感器

日本三菱电机株式会社

湿度传感器

日本横河电机株式会社

EJA型谐振式压力传感器，PH传感器，流量传感器等

欧姆龙公司

温/湿传感器，开关量传感器等

富士电机集团

压力传感器，电容传感器和变送器等

基恩士集团

光纤传感器，光电传感器、近接传感器

英国

Druckltd（德鲁克ltd）

压力传感器、绝压传感器

意大利

MICROTELTecnologieElettronicheS.p.A.

陶瓷厚膜压力传感器等

DatalogicS.p.A.

色标传感器，微型传感器，管状传感器，反射及荧光传感器

GefranS.p.A

直线位移传感器，张力传感器

瑞士

MetalluxSA

线性及旋转式传感器，陶瓷及不锈钢压力传感器，金属箔型传感器

凯乐测量技术有限公司

扩散硅压力传感器，变送器，陶瓷电容式压力传感器

Endress+Hause（E+H公司）

程控制领域中的相关传感器，DB系列压力传感器、电容式液位传感器、物位计

堡盟集团

光电传感器，电感式传感器，超声波传感器

MEMSENS公司

传感器芯体，隔离式压力传感器，压力变送器等

印度

SunproInstruments（India）Pvt.Ltd.

压力传感器，风速传感器，温湿传感器

HarisSensorTechnologiesPvt.Ltd.

流量/物位传感器及变送器等

SysconInstrumentsPvt.Ltd.

称重传感器，位移传感器，压力传感器，扭矩传感器

AjaySensors&Instruments

特性温度传感器，湿度传感器

韩国

韩国GreenSensor公司

高温压力传感器，差压传感器，温度传感器

WiseControlInc

电容式压力传感器等

SensorSystemTechnologyCo.,Ltd.

变送器，电子式压力开关，温度传感器

PressureDevelopmentofKorea

压力传感器，变位传感器，温度传感器

芬兰

芬兰VTI公司

运动和压力传感器

切削力研究方法

关键词：

切削力（切削功、切削扭矩）；传感器；测力仪

cuttingforce；sennor；dynamometer

1.国别：

中国

研究机构：

南京航空航天大学

研究者：

赵威何宁李亮孙永华杨吟飞

研究成果：

超高转速切削三维动态力测试平台

该项目要解决的问题：

目前已有的切削测力仪，绝大多数固有频率在1一5KHz之内，且在安装刀具或零件后，测力系统的固有频率会进一步下降，无法满足超高转速切削时冲击频率为0.5一3KHz的铣削力信号的准确测量。

此外，超高转速切削时的振动非线性干扰强烈，获取准确的超高转速切削力信号极其困难，这给研究超高转速切削时的材料变形机理、超高转速切削摩擦学等带来了极大的挑战。

基于此，该项目提出一种超高转速切削三维动态力测试平台，其可满足超高转速铣削、钻削以及磨削时切削力信号测量的要求，实现超高转速切削时三维动态力的准确测量。

机构简介：

如图所示，超高转速切削三维动态力测试平台是一种由被加工材料块状毛坯直接加工出的并贴有电阻应变片组的整体式结构，包括待切削结构1、上表面平台2、弹性柱体3、弹性厚片4、弹性薄片5、电阻应变片组6和支撑基座7，其中，支撑基座7位于最底部，起到支撑作用;弹性柱体3位于支撑底座7上，在本实施例中，弹性柱体3位于支撑底座7的中心，且考虑到加工成本，采用正四棱柱结构;弹性厚片4设计为8个，其中，两个弹性厚片4设为一组，分别位于弹性柱体3的四周，而且弹性薄片5设计为4个，分别与4组弹性厚片4相配合，也分别位于弹性柱体3的四周，其中，在每组弹性厚片4中，其中一个的一端与支撑基座7连接，另一端与弹性薄片5的一端连接，而该弹性薄片5的另一端连接另一个弹性厚片4的一端，而该另一个弹性厚片4的另一端则连接上方的上表面平台2;上表面平台2位于弹性柱体3、弹性厚片4的上方，并与弹性柱体3连接，从而使得弹性柱体3、弹性厚片4间接连接;待切削结构1为长条状，设于上表面平台2上，其可以与其它结构一体成型，也可以设计为分体式，通过机械联结方式固定于上表面平台2上;电阻应变片组6设计为4组，与弹性薄片5的数目相同，并一一对应地固定于各弹性薄片5的中间位置。

原理简介：

总的来说，该项目是利用块状毛坯一体成型刚度不同的弹性柱体3、弹性厚片4和弹性薄片5，这样在受力时会有不同的弹性变形响应，通过设置弹性厚片4和弹性薄片5的刚度比值，并调整弹性薄片5上电阻应变片组6的排布，从而实现超高转速切削三维动态切削力的准确测量。

优点:

（1）具有较低的成本。

现有能够满足切削加工测试的商品化测力产品普遍价格昂贵，价格在几万元至几十万元之间不等。

该平台成本仅包括被加工材料费用、加工费、电阻应变片组费等，成本在千元以内；

（2）该研究通过改变待切削结构尺寸，除可满足超高转速铣削外，还可满足超高转速钻削、超高转速磨削等切削力测试要求;

（3）结构简单，工作可靠，可将顶端待切削结构做成分体式，从而重复使用。

2.国别：

中国

研究机构：

大连理工大学

研究者：

钱敏孙宝元张军

研究成果：

YDX-III9702压电式测力仪如图所示

压电测力仪结构：

如下图所示

压电传感测力仪的测试原理:

测力仪中支撑着4个传感器由于严格保持着同向一致，位置一致和一定的顶载，所以当空间任何方向外力作用在工作台上任何一点时，则它们马上不同程度的感受到这个外力，其各自受力的大小和方向完全取决于外力的大小，方向和作用点位置，基本上按照“杠杆原理”分配的。

力经各传感器分解后，同向代数和相加而输出。

这是若将各向总和的矢量合成，便是外力的大小和方向，而与作用点无关【1】。

传感器的线性和重复性都小于0.5%，各方向力之间的向间干扰<2%，达到了石英晶体力传感器设计与使用要求【2】

测力仪的性能参数：

如下图所示

优点：

该测力仪刚性好、固有频率高、灵敏度高，线性和重复性好，滞后小，在5%以下。

无论从结构刚性、结构对称性、结构工艺性还是结构稳定性，

向间干扰均该测力平台都具有明显的优越性。

它使用方便，便于操作，和国外同类产品相比，价格便宜得多。

缺点：

不适用于测量长时间作用的静态力，在静态与准静态测量中对环境湿度等要求较严，目前售价稍高，且需要进一步提高加工工艺水平和外观质量，扩大应用范围。

3.国别：

中国

研究机构：

大连理工大学

研究者：

谢印国张军

研究成果：

高能材料（HEM）切削力测试系统

项目研究意义：

随着航空航天以及先进动力驱动技术的发展，高能材料的地位越来越重要。

但是高能材料在加工过程中的危险性成了制约其发展的最大因素。

我国以前对高能材料的切削加工是靠手工来完成的，工作效率极其低下。

因此，为了保证高能材料在实际加工中的安全以及提高生产效率，研制开发高能材料切削力测试系统具有非常重要的意义。

动态力测试研究重要性：

高速切削加工所具有的高生产效率、高加工表面质量，低制造成本和短产品开发周期等突出优势，正满足制造业不断发展的需要【3】。

在测量动态力的场合，对传感器进行动态标定是十分必要的【4】。

国内外在对传感器动态特性方面研究较少主要的原因是:

受实验设备的限制，有些专业生产厂家不具有动态标定设备;没有认识到动态特性的重要性【5】。

测力仪的选择：

YDX-III9702压电式测力仪

测试系统功能：

①具有测试和采集Fx,Fy,Fz三个力的能力，计算并显示Fx,Fy合力的能力;

②通过外购的红外测温仪能够采集高能材料切削温度并显示数据;

③数据文件存入内容:

1）温度（实时一记录）;

2）切削过程的实时监测;

3）Fx,Fy,Fz;

4）Fx,Fy的合力;

5）伺服电机的转速（一次试验记录）;

设计参数以及要求:

①具有测试和采集Fx,Fy,Fz三个力的能力;

②切削过程中对高能材料温度进行测试;

③切削刀具的线速度大于10m/s;

④计算机控制与机械切削装置的距离大于20m，精确控制线速度;

⑤对切削过程进行实时观测。

测试系统总体结构简图：

4.国别：

中国

研究机构：

九江学院机械与材料工程学院

研究者：

郑冬喜王丞

研究成果：

数控加工误差补偿中切削力检测的实现

研究方法介绍：

该项研究是通过在实验中，模拟数控加工过程，给数控机床施加切削力，然后采用检测仪器测量切削力大小，在不同载荷下，进行大量的不同作用力下进行测量，同时通过电流传感器检测伺服电机的电流，根据测量数据可以推导出电机电流与切削力之间的关系式。

即切削力产生变化会将导致伺服电机电流也发生相应的变化，因此可以通过检测伺服电机电流间接检测出切削力。

优点：

在数控加工的过程中，可以通过检测伺服电机电流来检测切削力的大小，且具有精度高、抗干扰、成本低、可以实时检测，以及对机床的改动小等优点。

5.国别：

中国

研究机构：

湖北汽车工业学院

研究者：

朱芳来李彦璐

研究成果：

重型机床切削力的测量方法

研究方法介绍：

该项研究是通过对MX-4曲轴连杆颈车床的切削力进行测量和分析，归纳总结了重型机床切削力的测量方法：

功率粗估法和模拟法。

并且实验证明两种方法的结果基本一致。

测量原理：

（1）功率粗估法

测量原理利用功率的定义:

P=F·v

式中F——切削力

V——切削速度

P——切削功率

先计算实际的切削速度，然后再用功率表测量机床电机的输入功率P，即可粗估出切削力F。

（2）单刀模拟测量法：

将外圆刀片装入自制的模拟试验用刀杆上，此刀杆贴有电阻应变片，并经组桥和标定而成为一电阻应变式传感器。

此测力传感器与动态电阻应变仪和光线示波器一起构成测力系统，在普通车床CW6163上模拟MX-4的实际工况进行切削力测量。

优点：

对于结构复杂、切削负荷很大的重型机床，测量切削力可采用功率法和模拟法，功率法简单可直接用在重型机床上，模拟法可测量瞬时力，并可进

行切削用量参数和刀具几何参数优化。

缺点：

功率法测出的切削力是平均值，模拟法需要模拟重型机床工况，测量方法复杂。

6.国别：

中国

研究机构：

大连理工大学

研究者：

钱敏曲国杰 张军

研究成果：

一种压电式四维切削测力平台

仪器构造：

测力平台由底座、中板、上板、引线输出插头、引线、隔热板、密封圈、四个压电石英传感器、防护垫以及连接螺钉组成；夹在底座与中板之间呈菱形分布的四个压电石英传感器均布于同一水平面的同一圆周上。

优点：

实现了对任一切削过程中的三个方向正交力及扭矩进行同时测量，具有灵敏度高，线性度、重复性好，横向干扰小，测量精度高的良好特性。

此压电式四维切削测力平台对于测量钻、磨、铣、车、铇具有通用性，应用面宽。

7.国别：

中国

研究机构：

东北林业大学

研究者：

王俭狄海廷董景峰

研究成果：

一种链锯切削力测试装置

仪器构造：

由力矩电机、切削平台、切削电机、链锯支架、分度盘组成。

切削电机通过联轴器和力矩传感器相连，力矩传感器再通过另一联轴器与固定在链锯支架上的链锯相连，向后压力传感器安装在切削平台上，向上压力传感器与链锯支架和链锯相连，可对链锯切削过程中的切削力进行测试。

力矩电机通过齿轮齿条传动，带动切削平台实现偏转，结合分度盘，实现链锯切削时的送锯角度控制。

优点：

该装置可实现链锯在任一送锯角度切削过程中的切削力及切削扭矩。

8.国别：

中国

研究机构：

陕西国防工业职业技术学院

研究者：

郭　力

研究成果：

基于AT89S51的数控机床切削力测量系统研究

研究方法简介:

切削力在工程设计中是一个很重要的参数,传统测力方法工作繁琐、耗费时间长、数据处理麻烦。

针对这些不足,对原有测力方法进行改进,应用AT89S51单片机进行辅助测试,使测量切削力的过程变得简单、方便,测量精度高。

结论：

通过试验证明计算机辅助测试切削力确实可行,并能达到预期的效果,经过不断改进,就可以研制出专门仪器,使测切削力的过程更简便,更有利于现代化的生产现场。

9.国别：

中国

研究机构：

武汉理工大学机电工程学院，

研究者：

刘明尧，陶小亮，周祖德，谭跃刚

研究成果：

基于FBG的切削力测量装置设计与分析

研究方法简介：

在分析光纤光栅（FBG）应变传感器原理的基础上，结合切削力测量特点，提出将FBG应用于切削力测量，设计了八角环结构的切削测力装置并对结构进行受力分析。

利用FBG传感器测量八角环弹性体应变，构建了切削力测量系统，并进行了不同协削用量切削试验。

实验结果表明，所提出的基于FBG的切削力测量方法可行，结构可靠。

结论：

笔者提出将FBG新型传感器应用于切削力，测量的方法。

设计了切削测力仪弹性元件及测量装置整体结构，搭建了切削力测量系统，将FBG传感器应用于检测弹性元件应变，再转化为相应切削力大小。

FBG采用波长绝对解码方式，测试数据不受电磁干扰影响。

通过不同切削用量的切削实验，验证了该测力仪具有重复性较好，能够可靠地应用于车削过程切削力的测量工作中。

10.国别：

中国

研究机构：

同济大学

研究者：

陈少波

研究成果：

旋转式动态切削力测量技术的研究

研究方法：

该研究对旋转式动态切削力测量仪的研制主要包括三部分。

首先是测力仪的传感器的设计，其主要问题在于测力方式和弹性元件的选择。

该项研究分析比较了各种不同的弹性元件的测力性能，并研究了以前人们在设计测力仪中所存在的问题，选取了以薄壁圆筒为弹性元件，采用纯拉压和纯剪切的应变式的测力方式，这样可以获得较好的测量性能。

由于是旋转式的测力仪，接下来要考虑的就是要解决它的无接触供电装置和无线信号的传输问题。

无接触供电问题一直是影响测力仪的实用性的重要因素，该项研究研制的无接触感应电源较好的解决了这个问题，它是利用电磁感应传输能量的方式实现无接触供电，可完全满足电路的功率要求，性能可靠，且受切削环境影响很小。

最后要解决的是应变式薄壁圆筒刀柄测量出来的切削力信号的无线传输问题，该项研究采用数字脉冲对信号进行增量调制的方式，其编解码电路简单；然后利用高频无线收发电路实现信号的短距离无线传输

11.国别：

中国

研究机构：

中国工程物理研究院机械制造工艺研究所

研究者：

绵阳

研究成果：

切削力实时检测系统

原理：

通过传感器受力获得的信号，送到电荷放大器，经放大后传入A/D数据转换卡，由软件系统读取数据，实时显示受力曲线及力值并保存数据，供工艺人员对工件加工过程中刀具受力情况进行分析。

切削力实时检测系统的主要技术指标：

量程：

50kgf（1kgf=9.80665N）；精度：

2%F·s；

迟滞：

1%F·s；灵敏度：

x－30.8；y－-22.0；z－30.6；

重复性：

＜1%F·s；静刚度：

2×108N/m；分辨率为：

0.01kgf。

切削力实时检测系统的组成：

优点：

可以优化刀具的切削参数，以提高工件的加工质量。

12.国别：

中国

研究机构：

内蒙古农业大学机电工程学院内蒙古农业大学林业工程学院

研究者：

马弘跃童淑敏安珍

研究成果：

用于沙柳切削力检测的小型力传感器的设计与应用

原理简介：

在实际的木材切削过程中，刀具刃口不是绝对锋利的一条边，而是一个具有半径p的圆弧面，一般刀刃圆半径在刚磨过刀以后为5～10微米。

因此刀具对木材的作用力，除了考虑前刀面对切削层木材和切屑的作用外，还不能忽略由于刃口变圆而导致的后刀面对切削表面木材的作用。

直线运动刀具上的作用力如下图所示。

13.国别：

瑞士

研究机构：

kistler公司

研究者：

不详

研究成果：

微型切削力测量系统（包括六分量切削力测量系统和三分量切削力测量系统）

所用的切削力传感器型号：

9256CQ01、9256C1

切削力传感器的技术指标：

14.国别：

英国

研究机构：

门切斯特大学

研究者：

不详

研究成果：

二向压电晶体式平面磨削测力仪

机构简介：

如下图，图中a、b、c为压电传感器，用螺栓把它和基座及工作台紧固在一起。

传感器上下各有5°的斜楔面，形成刃口。

用这种办法清除二个分力间的相互干扰以及力点位置改变时对测量精度的干扰，a，b二个传感器的Z向刚度高，x向刚度很低，反之，c传感器的Z向刚度很低，x向的刚度很高，Pz作用时主要由a、b两个传感器受力，对c的影响很小，反之Px作用时主要由c传感器受力。

对a，b影响很小。

这种测力仪必须经过耐心调试，才能把互相干扰控制在较小的范围内。

参考文献：

[1]ElizabethRobson,etal.Molecularmodellingofnovelenergeticmaterials[C].28thICTV95.

[2]孙宝元，张贻恭.压电石英力传感器及动态切削测力仪.北京:

计量出版社，1985.

[3]艾兴.高速切削加工技术〔M].北京:

国防工业出版社，2003.

[4]张于北.从实验看力传感器动态标定的必要性.测试技术学报，1994.8

（2）

[5]徐科军.传感器动态特性的实用研究方法.中国科学技术大学出版社，1999.2.

参考网址：

1.

2.

3.

4.

成员分工：

张鹏：

查阅传感器公司及国内外切削力测量研究方法的调研成果相关资料，切削力测量方法的1、2、3的书写，整个报告的最终整理。

赵赟劼：

查阅传感器公司及国内外切削力测量研究方法的调研成果相关资料，整理国内传感器公司及产品，切削力测量方法的4、5、6、7的书写。

吴全红：

查阅传感器公司及国内外切削力测量研究方法的调研成果相关资料，整理国外传感器公司及产品，切削力测量方法的8、9、10的书写。

徐亮忠：

查阅传感器公司及国内外切削力测量研究方法的调研成果相关资料，切削力测量方法的11、12、13、14的书写。