1  引  言

切削力是伴隨加工過程中所出現的現象之一．由于它蘊涵着豐富的實時加工狀態信息，已作爲傳感信號不同程度地應用于各種加工過程在線檢測與實時控制中，據此辨識加工狀態，是目前自動化加工領域中一個的重要的努力方向。但難予直接利用，因而開發適用于生產現場而不影響原有加工系統結構的通用測力傳感器，已成爲該項研究的一個關鍵。

作者研制出的微型通用測力傳感器，可同時測量車削中雙向切削分力，經過進一步的信號建模處理後，達到了預定識別刀具狀態的要求。

2、測量原理  

    在各種傳感器中，我們選用應變測力傳感方式，取其能綜合獲得較高的靜態測量精度和一定頻寬的動態測量範圍，也有較好的剛性和靈敏度，信號傳輸無特殊要求，成本低。 

  加工中的切削力作用在刀尖上，使粘貼在刀杆上、構成全橋電路的四個電阻應變片產生相應變形￡t，導致各電阻應變片阻值的變化R_i→R_i+△R_i，使電橋輸出電壓信號
   

    當各橋臂應變片靈敏度k相同時，則
         (1)

上述信號再經相應電路技術處理後，獲得正比于切削力的輸出信號Vi．

3  結構設計

    本傳感器的設計是按照國際生產工程協會CIRP提出的對一般車削測力傳感器的設計要求[2]設計的，也即：①測力傳感器輸出與切削力成正比的信號，有足夠高的精度(誤差<1%～5 %)，向間幹擾小（約<2％），②測力傳感器各測試方向都有足夠的靈敏度和足夠高的剛度（約>10⁸ N/m數量級）；③測力傳感器有足夠高的固有頻率(≥2.5kHz)，④制造工藝不過分複雜和困難，且安裝方便，具有通用性．

    爲不改動數控機床現有結構，並能最大程度地保證測力傳感器良好工作狀態，我們采用了，在通用刀杆上以不明顯降低剛度且又滿足正常切削要求的前提下，挖一小坑，將微應變片按特定方向貼于其內表面上來感受雙向切削分力引起的剪應變，提取力的信號，再以環氧樹脂密填坑穴，防水、防潮，由此設計制作了一種微型內藏式測力傳感器．

4感應分析與計算

作用在刀尖位置處的切削力可按空間直角座標分解爲三個方向的分力，即豎直分力Fz、横向水平分力Fx和縱向水平分力Fy，如圖2所示，刀杆在Fz、Fx和Fy，的作用下產生組合受力變形．將Fz、Fx和Fy平移到開口槽形截面彎曲中心O處，附加XY和ZY平面內的兩個彎矩Mz、Mx和一個軸向扭矩My．則平移後的Fz、Fx引起槽形截面的純剪切變形,Fy引起Y軸向壓縮變形，Mz、Mx引起XY和ZY平面內的純彎曲變形，My引起沿Y軸純扭轉變形（這裏在微小變形下；略去了翘曲影響）．
   

    爲了測量雙向切削分力Fz、Fx，首先考察槽形截面上由平移後的Fz和Fx及My

(圖3(a))聯合作用下產生的剪切應力分布，得到如圖3(b)，(c)，(d)所示的剪應力分布

圖，其中：

    (1)對應Fz。此時腹板(CD)上的剪應力呈Z軸對稱直線分布，且應力方向相反，在腹板上對稱中心（x=O）處的剪應力r=O。此時兩冀板(AC和BD)上的剪應力呈Z軸對稱抛物線分自i且應力力‘向相同，其中，在一Y軸位置（z一o）處，剪應力爲最大值
    
     

式中：G——材料的剪切彈性模量。
 

 即：切削分力Fz正比于剪應變y1。

    （2）對應Fx此時兩翼板上的剪應力呈Z軸對稱直線分布，且應力方向相反．此時腹板上的剪應力爲抛物線分布，且相對于Z軸是對稱的．其中，在腹板對稱中心（x=O）處，剪應力爲最大值

   

 

即：切削分力Fx正比于剪應變y2。

(3)對應My．此時槽形截面上剪應力相對于壁厚中線曼方向對稱線性分布，最大剪應   力發生在內、外表面上
     

綜合上面槽形截面在剪切和扭轉作用下的剪應力分布規律，根據它們的正負特性，利用電阻應變片組成的全橋電路的加強或抵消作用進行叠加，使得兩翼板內表面與X軸的兩個交點處所測量的剪應力不反映Fx和My，而只反映豎直切削分力Fz，並呈正比例關系，即由式

(2)所表達,腹板內、外表面與z軸的兩個交點處所測量的剪應力不反映Fz和My，而只反映縱向水平切削分力Fx，且呈正比例關系，即由式(3)所表達，同時，一由于這幾個位置上感知的有用剪應力也處于最大值，所以，選擇這些部位測量的靈敏度也最高．

 事實上，刀杆在組合受力狀態下，槽形截面上既有剪應力，也存在正應力．因此，還必須通過對微應變片的恰當布置，使截面上的正應力不從電橋輸出端反映出來，電橋上只輸出Fz和Fx作用下所產生的剪應變引起的電壓變化．另一方面，由于剪應是角應變，不能用應變片直接測出，而是借助于測點處與構件軸線成45°和135 °布片來間接獲得^[3],即剪應變γ＝ε₄₅－ε₁₃₅據此：

  (1)對應測量Fz：在，刃杆槽形截面兩翼板內表面與X軸的兩個交點處分別按45°和135 °布置相同的電阻應變片，構成全橋電路的四個臂，結合(1)式和(2)式，根據對稱性，則兩處Fz作用的下剪應力

故此時使電橋上產生的電壓輸出信號只正比于Fz．

 (2)對應測量Fx，在刀杆槽形截面腹板內，外表面與Z軸的兩個交點也處分別按45°和135°布置四個相同的電阻應變片組成全橋電路．由于此時兩處Fz作用下的剪應力爲零，My作用下產生的剪應力爲
 

故此時使電橋上產生的電壓輸出信號正比于Fx.

   最後，由于溫度的影響，使測點處ε₄₅和ε₁₃₅產生相等的變化，根據剪應變γ=ε₄₅-ε₁₄₅，故測量結果受溫度因素的影響也最小．

5  性能測定與結論

圖4(a)、(b)爲對所設汁的測力傳感器進行動、靜態標定的試驗曲線，其中，測力傳感器的信號輸出與輸入之間有較好的線性，兩向靜態全程線性度誤差小于1％。動態頻率響應兩向相似，測量頻寬範圍約可達0～1000Hz．其它測試數據見附表．

  由上表可見，內藏式測力傳感器已基本滿足國際生產工程協會CIRP推薦的項目，經大量切削實驗考證，它能適應生產現場的使用要求，具有推廣應用價值。上述動態性能只是實測的結果，致于信息傳遞引起的影響，尚待研究，

在測力傳感構的設計與研制過程巾，得到西安礦業學院孫蒲軍同志的幫助，並承蒙濟南第一機床廠的協助，在此表示感謝，

   

參考文獻

1 CIRP. STC C. Annals of the CIRP. 1974, 23(2): 2q6

2蔣智翔．材料力學，北京：清華大學出版社，1985

3石來德，袁禮甲，機械參數電測技水．上海;上海科學技術出版，1981：49~50

 

 

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