非接触式车削测力仪设计与开发

呼 烨，徐明旭，张 富，曹 晋

（1.吉林大学 机械科学与工程学院，吉林 长春 130025；2.长春理工大学 光电信息学院，吉林 长春 130022）

在切削加工中，切削力是一个非常重要的参数。切削力信号含有丰富的刀具磨损信息，反映刀具的磨损情况最为直接，与刀具磨损的相关性好，信号处理的实时性强，因此可利用它作为特征量来实时在线监测刀具磨损［1－3］。切削力还是设计和合理使用机床、刀具、夹具的重要依据［4－7］。因此设计一种高精度的切削力测量装置很必要的。目前，我校机械制造实验室用于测量车削力的装置为八角环应变片式测力仪，其结构简单、制造容易、成本低廉，可进行多个方向上分力的测量［8］，因此在切削力测量方面得到了广泛的应用［9－11］。然而长期以来，人们对八角环应变式测力仪应变片的布片方式一直存在不同的看法，这主要是由于单个八角环和测力仪上的耳环的变形规律有一定的差异［8，12］。同时，应变片粘贴时不可避免地存在定位误差，造成的测量误差无法通过标定来消除。

本文针对八角环应变片式测力仪存在的不足，提出一种非接触式切削力测力仪，以消除因贴片位置不准确造成的测量误差。利用3个电容式位移传感器取代应变片来测量八角环刀架在x、y、z3个方向上的变形，进而较精确计算3个方向切削力的大小。

1 八角环刀架的力学模型分析

1.1 八角环刀架的力学模型

本文以传统的八角环刀架为力学模型，对其分别施加x、y、z3个方向上的力Fx、Fy和Fz，来研究八角环刀架的变形规律。为了便于分析，首先对八角环测力刀架的几何模型进行了简化处理（见图1），过程如下：

（1）去掉刀架的压紧螺栓，把车刀直接与八角环刀架粘结于一体；（2）八角环刀架后端面全约束；（3）对车刀进行刚化处理。

图1 八角环测力刀架简化模型

1.2 力学模型分析

刀架材料为45钢，车刀为硬质合金，在刀尖处分别施加Fx＝1 500N、Fy＝1 500N、Fz＝2 500N，利用ANSYS软件求解有限元模型，可以得到八角环刀架的应变分布，如图2所示。

图2 八角环刀架的应变分布

由图2（a）可以看出，在刀尖处施加力Fx时，八角环刀架左侧耳环受拉应力，右侧耳环受压应力，这样八角环刀架前端沿x方向向右产生了位移，而八角环刀架前端的中间部分在y方向上未产生位移。由图2（b）可以看出，在刀尖处施加Fy力时，所有耳环承受y方向上的压力，使得八角环刀架前端只在y方向向后端产生了位移。图2（c）可以看出，在刀尖处施加Fz力时，八角环刀架的上部耳环承受拉应力，下部耳环承受压应力，即上部耳环产生拉变形，下部耳环产生压变形。

2 位移传感器安装位置确定

在实际车削加工过程中，由于刀尖处承受的切削力的方向无法确定，很难直接测量到切削力的大小，为此将切削力分解为Fx、Fy和Fz3个分力，如图3所示。传统八角环应变片式测力仪通过对各面的应变进行适当的组合，以抵消其他各分力的影响，实现各分力之间的解耦。本文根据八角环刀架的有限元分析结果，来确定位移传感器的安装位置，实现各分力之间的解耦。

根据上述八角环刀架力学模型的分析结果可知，当刀尖承受力Fx时，八角环刀架的一侧耳环受拉，另一侧耳环受压，则在两侧耳环之间存在一个受力为零的平面M（见图4），在平面M刀架材料未发生受力变形。同理，当刀尖刀尖承受力Fz时，八角环刀架的上部耳环受拉，下部耳环受压，耳环之间存在一个受力为零的平面N，在平面N刀架材料未发生受力变形。因此，将x、y、z轴位移传感器安装于平面M内，同时y轴位移传感器轴线位于平面M与平面N的交线上。

图3 车削加工切削力分解

图4 位移传感器安装位置

3 测量原理分析

本文所述测力仪是根据八角环刀架受力时在x、y、z方向上的微位移来测量Fx、Fy、Fz的大小，减小了维间干扰，其具体分析如下：

在测量进给力Fx时，主切削力Fz及背向力Fy不会对x轴位移传感器产生干扰，这是因为x轴位移传感器是通过测量八角环刀架的前端与固定端之间沿x轴方向上的位移变化来测量进给力Fx大小的，且主切削力Fz使得八角环刀架产生弯曲变形，背向力Fy使得八角环刀架的前端向八角环刀架的固定端移动，即主切削力Fz和背向力Fy均不会使八角环刀架的前端和固定端在x轴方向上发生相对位移变化。

如图5（a）所示，在测量背向力Fy时，进给力Fx也不会对y轴位移传感器产生干扰，y轴位移传感器是通过测量八角环刀架的前端与固定端之间沿y轴方向上的位移变化来测量背向力Fy大小的；由于y轴位移传感器轴线在平面N内，主切削力Fz也不会对y轴位移传感器产生干扰。同时，与八角环应变片测力仪相比，该测力仪消除了因平衡梁变形产生的测量误差，刀架平衡梁变形如图5（b）所示。

在测量主切削力Fz时，z轴位移传感器是通过测量八角环刀架的前端与固定端之间沿y轴方向上的位移变化来测量主切削力Fz的，进给力Fx使得八角环刀架前端相对于固定端在x方向上产生位移，因此不会对z轴位移传感器产生干扰；由于背向力Fy的作用会使得八角环刀架的前端与固定端之间沿y轴方向上的位移发生变化，即对z轴位移传感器测量产生干扰。设z轴位移传感器所测量到的变形量Δ为

图5 八角环应变片式测力仪示意图

式中：Δz为主切削力Fz作用于车刀刀尖部位使得八角环刀架所产生的变形量；Δy为背向力Fy作用于车刀刀尖部位使得八角环刀架所产生的变形量；K为影响因子。

得到主切削力Fz所产生的变形量为

4 总结

本文对传统八角环应变片式测力仪进行了改进设计，通过对八角环刀架进行有限元分析，得出了八角环刀架的受力变形特点。根据受力变形特点，对位移传感器的安装进行确定。该切削测力仪可以准确测量三维切削力，并实现了维间解耦，消除了传统应变片式测力仪中的平衡梁误差，提高了测量精度，为刀具的磨损信息采集提供了数据基础，为工艺参数的选择提供了必要的信息。通过在本科生实验教学中使用表明，该测力仪减小了传统切削力存在的零点漂移，有利于学生对切削力原理的理解，取得了良好的教学效果。

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