1  引  言

切削力是伴随加工过程中所出现的现象之一．由于它蕴涵着丰富的实时加工状态信息，已作为传感信号不同程度地应用于各种加工过程在线检测与实时控制中，据此辨识加工状态，是目前自动化加工领域中一个的重要的努力方向。但难予直接利用，因而开发适用于生产现场而不影响原有加工系统结构的通用测力传感器，已成为该项研究的一个关键。

作者研制出的微型通用测力传感器，可同时测量车削中双向切削分力，经过进一步的信号建模处理后，达到了预定识别刀具状态的要求。

2、测量原理  

    在各种传感器中，我们选用应变测力传感方式，取其能综合获得较高的静态测量精度和一定频宽的动态测量范围，也有较好的刚性和灵敏度，信号传输无特殊要求，成本低。 

  加工中的切削力作用在刀尖上，使粘贴在刀杆上、构成全桥电路的四个电阻应变片产生相应变形￡t，导致各电阻应变片阻值的变化R_i→R_i+△R_i，使电桥输出电压信号
   

    当各桥臂应变片灵敏度k相同时，则
         (1)

上述信号再经相应电路技术处理后，获得正比于切削力的输出信号Vi．

3  结构设计

    本传感器的设计是按照国际生产工程协会CIRP提出的对一般车削测力传感器的设计要求[2]设计的，也即：①测力传感器输出与切削力成正比的信号，有足够高的精度(误差<1%～5 %)，向间干扰小（约<2％），②测力传感器各测试方向都有足够的灵敏度和足够高的刚度（约>10⁸ N/m数量级）；③测力传感器有足够高的固有频率(≥2.5kHz)，④制造工艺不过分复杂和困难，且安装方便，具有通用性．

    为不改动数控机床现有结构，并能最大程度地保证测力传感器良好工作状态，我们采用了，在通用刀杆上以不明显降低刚度且又满足正常切削要求的前提下，挖一小坑，将微应变片按特定方向贴于其内表面上来感受双向切削分力引起的剪应变，提取力的信号，再以环氧树脂密填坑穴，防水、防潮，由此设计制作了一种微型内藏式测力传感器．

4感应分析与计算

作用在刀尖位置处的切削力可按空间直角座标分解为三个方向的分力，即竖直分力Fz、横向水平分力Fx和纵向水平分力Fy，如图2所示，刀杆在Fz、Fx和Fy，的作用下产生组合受力变形．将Fz、Fx和Fy平移到开口槽形截面弯曲中心O处，附加XY和ZY平面内的两个弯矩Mz、Mx和一个轴向扭矩My．则平移后的Fz、Fx引起槽形截面的纯剪切变形,Fy引起Y轴向压缩变形，Mz、Mx引起XY和ZY平面内的纯弯曲变形，My引起沿Y轴纯扭转变形（这里在微小变形下；略去了翘曲影响）．
   

    为了测量双向切削分力Fz、Fx，首先考察槽形截面上由平移后的Fz和Fx及My

(图3(a))联合作用下产生的剪切应力分布，得到如图3(b)，(c)，(d)所示的剪应力分布

图，其中：

    (1)对应Fz。此时腹板(CD)上的剪应力呈Z轴对称直线分布，且应力方向相反，在腹板上对称中心（x=O）处的剪应力r=O。此时两冀板(AC和BD)上的剪应力呈Z轴对称抛物线分自i且应力力‘向相同，其中，在一Y轴位置（z一o）处，剪应力为最大值
    
     

式中：G——材料的剪切弹性模量。
 

 即：切削分力Fz正比于剪应变y1。

    （2）对应Fx此时两翼板上的剪应力呈Z轴对称直线分布，且应力方向相反．此时腹板上的剪应力为抛物线分布，且相对于Z轴是对称的．其中，在腹板对称中心（x=O）处，剪应力为最大值

   

 

即：切削分力Fx正比于剪应变y2。

(3)对应My．此时槽形截面上剪应力相对于壁厚中线曼方向对称线性分布，最大剪应   力发生在内、外表面上
     

综合上面槽形截面在剪切和扭转作用下的剪应力分布规律，根据它们的正负特性，利用电阻应变片组成的全桥电路的加强或抵消作用进行叠加，使得两翼板内表面与X轴的两个交点处所测量的剪应力不反映Fx和My，而只反映竖直切削分力Fz，并呈正比例关系，即由式

(2)所表达,腹板内、外表面与z轴的两个交点处所测量的剪应力不反映Fz和My，而只反映纵向水平切削分力Fx，且呈正比例关系，即由式(3)所表达，同时，一由于这几个位置上感知的有用剪应力也处于最大值，所以，选择这些部位测量的灵敏度也最高．

 事实上，刀杆在组合受力状态下，槽形截面上既有剪应力，也存在正应力．因此，还必须通过对微应变片的恰当布置，使截面上的正应力不从电桥输出端反映出来，电桥上只输出Fz和Fx作用下所产生的剪应变引起的电压变化．另一方面，由于剪应是角应变，不能用应变片直接测出，而是借助于测点处与构件轴线成45°和135 °布片来间接获得^[3],即剪应变γ＝ε₄₅－ε₁₃₅据此：

  (1)对应测量Fz：在，刃杆槽形截面两翼板内表面与X轴的两个交点处分别按45°和135 °布置相同的电阻应变片，构成全桥电路的四个臂，结合(1)式和(2)式，根据对称性，则两处Fz作用的下剪应力

故此时使电桥上产生的电压输出信号只正比于Fz．

 (2)对应测量Fx，在刀杆槽形截面腹板内，外表面与Z轴的两个交点也处分别按45°和135°布置四个相同的电阻应变片组成全桥电路．由于此时两处Fz作用下的剪应力为零，My作用下产生的剪应力为
 

故此时使电桥上产生的电压输出信号正比于Fx.

   最后，由于温度的影响，使测点处ε₄₅和ε₁₃₅产生相等的变化，根据剪应变γ=ε₄₅-ε₁₄₅，故测量结果受温度因素的影响也最小．

5  性能测定与结论

图4(a)、(b)为对所设汁的测力传感器进行动、静态标定的试验曲线，其中，测力传感器的信号输出与输入之间有较好的线性，两向静态全程线性度误差小于1％。动态频率响应两向相似，测量频宽范围约可达0～1000Hz．其它测试数据见附表．

  由上表可见，内藏式测力传感器已基本满足国际生产工程协会CIRP推荐的项目，经大量切削实验考证，它能适应生产现场的使用要求，具有推广应用价值。上述动态性能只是实测的结果，致于信息传递引起的影响，尚待研究，

在测力传感构的设计与研制过程巾，得到西安矿业学院孙蒲军同志的帮助，并承蒙济南第一机床厂的协助，在此表示感谢，

   

参考文献

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

2蒋智翔．材料力学，北京：清华大学出版社，1985

3石来德，袁礼甲，机械参数电测技水．上海;上海科学技术出版，1981：49~50

 

 

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