切削力测量系统传感器设计

分类号：ＴＰ２１２

ＵＤＣ：６２１密级：编号：

工学硕士学位论文

切削力测量系统传感器设计

硕士研究生：刘玉香

指导教师：王凡副教授

学科、专业：机械制造及其自动化

沈阳理工大学

２０１２年３月

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Ｙ２１５０３７５

分类号：ＴＰ２１２

ＵＤＣ：６２ｌ密级：编号：

工学硕士学位论文

切削力测量系统传感器设计

硕士研究生：刘玉香

指导教师

学位级别：王凡工学硕士

机械制造及其自动化

：：学科、专业所在单位：机械工程学院

论文提交日期：２０１１年１２月２６日

论文答辩日期：２０１２年３月１０日学位授予单位：沈阳理工大学

霞

ＣｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎＩｎｄｅｘ：ＴＰ２１２

Ｕ．Ｄ．Ｃ：６２１

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ＤａｔｅｏｆＳｕｂｍｉｓｓｉｏｎ：Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２０１１

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沈阳理工大学

硕士学位论文原创性声明

本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

作者（签字）：乡Ｉ五看

日期：力纽年３月Ｂ日

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沈阳理工大学硕士学位论文

摘要

测量切削过程中切削力和扭矩不仅有利于研究切削机理、计算功率消耗、优化切削用ｆ量和刀具几何参数，更重要的是可以通过切削力的变化来监控切削过程，反映刀具磨损或破损、机床故障、颤振等切削状态，以便及时控制切削过程，保证加工质量，提高生产效率。本文设计的切削力测量系统传感器主要针对旋转式动态切削加工过程中切削力和扭矩进行测量。

本文设计的对旋转式动态切削力的测量系统主要包括三个部分。首先针对切削加工的受力特点，利用石英晶体的压电效应，设计了一种切削力测量系统传感器，实现对切削过程中三个方向正交力及水平扭矩的同时测量。其次设计了适合于对旋转状态下动态切削力进行测量的具有标准刀柄的传感器载体。应用ＡＮＳＹＳ软件对所设计传感器载体的结构参数进行优化，选择了传感器处于最佳工作状态的结构参数。最后解决了如何传输传感器采集到的切削力信号的问题。因为需要在刀具加工状态下实时采集并传输切削力信号，不便使用有线传输方式，所以选择无线传输来实现我们的要求。本课题采用电磁波发射与接收的方法传输切削力信号的方案。

该切削力测量系统传感器与原有台式切削测力仪相比的突出特点是：它的外形接近～把标准的刀柄，与实际切削状态相同，能够实时显示切削过程中切削力的变化；刀具相互安装的互换性比较好，在同一把刀柄上能够安装不同型号的刀具；而且结构简捷、调试方便、成本较低，不但适用于实验室，并且将适用于实际生产的测试与实时监控中。关键词：动态切削力；压电效应；有限元法；无线信号传输

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Ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｉｇｎａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ

目录

目录

第１章绪论…………………………………………………………………………．１

１．１课题来源及研究意义………………………………………………………．．１１．２课题的研究背景……………………………………………………………一３

１．２．１切削力的测试方法……………………………………………………３

１．２．２国内外切削力测量的研究现状………………………………………５

１．３课题的研究内容……………………………………………………………．．８第２章切削力测量系统总体设计…………………………………………………．９

２．１切削力测量系统传感器综述………………………………………………一９２．２总体方案……………………………………………………………………１０２．３无线传输切削力测量系统…………………………………………………１１２．４切削力测量系统传感器静动态标定………………………………………１１２．５本章小结……………………………………………………………………１３第３章传感器的设计………………………………………………………………１５

３．１传感器中压电元件的材料选择……………………………………………１５３．２石英晶体产生压电性能的微观机理………………………………………１５

３。．２．１石英晶体的物理特性………………………………………………一１６

３．．２．２石英晶体的压电效应………………………………………………．．１７

３．２．３石英晶体的压电性能………………………………………………一２０

３．３石英晶体几何切型的选择…………………………………………………２５

置３．１测量法向载荷Ｅ石英晶片几何切型的选择………………………．２５

３．３．２测量切向载荷Ｆ。、Ｅ石英晶片几何切型的选择…………………２５

卫３．３测量扭矩Ｍ．石英晶片几何切型的选择……………………………２６

３．４晶组结构……………………………………………………………………２７

＝；－４．１晶轴方向的判别……………………………………………………．．２７

３．４．２单元晶组的组成结构………………………………………………一２８＝；．４．３组合晶组的组成结构………………………………………………一２８

沈阳理工大学硕士学位论：艾

３．４．４晶组灵敏度的计算……………………………………………………２９

３．５传感器的布置方式…………………………………………………………．３１

３．５．１切削力测量系统传感器的理论分析…………………………………３１

３．５．２三个方向正交力的测量………………………………………………３２

３．５．３扭矩的测量……………………………………………………………３３

３．５．４传感器的布置方式选择………………………………………………３３３．６压电晶组结构尺寸的确定…………………………………………………．３５３．７本章小结……………………………………………………………………３７第４章传感器载体刀柄结构设计…………………………………………………３８

４．１切削力测量系统的设计要求………………………………………………．３８４．２传感器载体刀柄结构优化设计………………．……………………………４０４．３刀柄结构设计数学模型及材料选择………………………………………．４６４．４传感器预紧方案选择………………………………………………………４８

４．４．１预紧方案的选择………………………………………………………４８４．４．２预紧力的计算…………………………………………………………４９４．５切削力测量系统传感器测量范围的计算…………………………………．５０

４．５．１切向力测量范围的计算………………………………………………５０４．５．２水平扭矩的测量范围计算……………………………………………５１

４．６压电式传感器有限元分析…………………………………………………．５１

４．６．１静力分析……………………………………………………………．．．５１４．６．２建模…………………………………………………………………………５３４．６．３仿真与结果分析………………………………………………………５４４．６．４灵敏度的计算…………………………………………………………５９４．７本章小结……………………………………………………………………．．６１第５章信号传输方案设计…………………………………………………………６２

５．１多路电荷放大模块…………………………………………………………．６２

５．１．１电荷放大器……………………………………………………………６２

５．２信号传输方法………………………………………………………………．６４５．２．１无线传输………………………………………………………………６５

＿＿＿＿．＿＿＿－一’．一——————————————————————————————————————＿Ｊ；ｉ——：ｉ！———————————————————————————————————————一５．２．２单片机芯片选型……………………………………………………一６６５．２．３串口通信芯片选型…………………………………………………一６７５．２．４无线收发芯片选型…………………………………………………．．６７５．３信号发射和接收……………………………………………………………６９５．４本章小结……………………………………………………………………７２结ｊ沦…………………………………………………………………………………………………………．７３参考文献……………………………………………………………………………．７５攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果……………………………．７８致谢………………………………………………………………………………．７９

第ｌ章绪论

第１章绪论

１．１课题来源及研究意义

切削状态、运动过程等切削加工是现代自动化机械制造的重要基础，切削力和扭矩更是描述自动化切削过程中刀具状态的重要参数。在现代机械自动化加工过程中，越来越重视对机床的加工过程的实时监控，安全可靠的现代机械加工自动化生产也要求对切削过程和刀具状态进行有效地实时监测，准确的知道切削力的大小，这样可及时识别在加工过程中刀具的磨损或断裂而导致的切削条件恶化，以防止损坏工件或加工设备【ｌ】。大量的研究结果表明，在切削过程中，切削力和扭矩不仅是描述切削过程中刀具状态的重要状态参数，也是对切削机理研究的的重要依据。因此，如何精确的测得实际切削力越来越成为人们所关注的课题了【２。Ｊ。

切削力的测量是机械测量中重要组成部分之一，所以切削力测量系统是研究切削过程所必须的基本仪器和方法［４１。在测力系统中，传感器是核心部件，因为传感器是测力系统中是最重要的工序，也是第一道工序。传感器性能的的好坏直接影响到切削力力值测量的精度，特别是在测量动态力时其动态性能的优劣直接影响测量的准确性和测量系统控制的时效性。在现代机械自动化加工过程中，传感器是自动检测与自动控制的首要环节。切削力测量系统传感器不仅具有良好的可靠性，还要具有良好的稳态性【５】。

随着社会的发展和科学的进步，对切削力测量系统不断提出了更高更新的要求。推动着生产技术与科学研究的发展。现代自动化加工制造实时监测与控制需要先进的动态实时测试技术与设备，这就要求采用动态参数特性来深入描述与刻画自动加工制造中物理系统的运动性质、实时地、有效地、准确地显示与记录自动加工制造中某些物理系统实验的动态变化过程，提取能描述其动态特性的动态特征参数。因此，必须采用动态测试技术与手段，快速地、实时地、准确地采集、处理与记录相关实验数据，并及时完成实验结果的处理与分析。

自古以来，测试技术就渗透在人类的生产活动、科学实验与日常生活的各个方面。翻开科学技术发展历史就会发现，科学上的每一个重大发现与突破几乎都与某种新型测量实验仪器的出现密切相关［６】。在现代科学技术支柱中传感器是系统

沈阳理工大学硕士学位论文

获取信息的首要部件，系统自动化技术水平越高，对传感器技术的依赖程度越大。“没有传感器就没有现代科学技术”的观点已被全世界公认。因此世界各国都将传感器技术列为尖端技术。

进入新世纪，伴随着微电子技术、信息技术、航空航天技术、生物技术和材料科学等高新技术的快速发展，先进制造技术主要追求高精度、高质量，向超精密加工和微细加工方向发展【７１。对切削过程的监控技术也提出了越来越高的要求，而各种自动化机械加工设备与制造系统绝大多数并：不具备加工过程的监控功能。为了使这些高度自动化加工设备充分发挥其优良性能，保证加工质量，提升生产效率和在加工过程中的刀具监测突显的越来越重要。现在切削过程已经向着多品种、中小批量的自动化生产方向发展。所以，对柔性制造系统（ＦＭＳ），计算机集成制造系统（ＣＩＭＳ）得到应用和发展［８】ｏ但在这些高弹性、高自动化制造技术，将需要很强的适应能力，以适应各种加工工艺对传感器监测技术。刀具磨削、损坏监测就是传感器应用的典型。

研究表明，由于数控系统配置监测仪器可以减少停工时间，提高生产率达５０％以上。随着加工自动化程度的日益提高，人判别工具状态已成为处理过程自动化的薄弱环节。大多数的过程是根据实际加工时问或加工的数量来决定是否改换工具，而不是实际状态的测试工具，这样可能会因为现实生活中没有达到预期的刀具和造成浪费。现有的自动线切割力测量仪器发展往往采用强制换刀的方法，但吐ｊ于多种因素的影响，刀具磨损的速度会有一些不同的改变，能降低加工效率和浪费，会影响加工质量，甚至造成机床事故。另一方面，可能因为没有及时解决过程的一个偶然的现象，使工件报废或损坏机床。因此，刀具监控技术已经成为主要的国际认可的关键技术，受到高度重视。

大量的研究结果表明，切削过程每一个细小的变化，可以通过切削力的变化反映出来，切削力检测是目前国内研究的监测方法。在加工过程中切削力是一个重要的状态参数，如何精确测量实际切削力，已成为越来越多人关注的学科。切削力的测量是一个重要的研究金属切削实验技术，不仅对研究金属切削机理，计算机床功率，刀具、机床、央具设计、优化切削用量参数和几何参数，具有十分重要的意义，并且与动态切削加工过程的深入研究及自适应控制和在线测试都需要知道精确的切削力的大小，而且要知道切削力最可靠的和实际的方式来测量。

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切削力测量传感器研究应该是国内研切削力测量的一个趋势。本课题研究的是切削力测量系统传感器的设计。在切削加工方法，其切削原理、切削参数对加工质量的影响也都在不断地研究和探索阶段。而且削力的大小及其变化是影响加工质量致关重要的物理量。因此，对于加工切削力的计算和测量是影响和推动金属切削理论研究的关键技术。

本课题设计的切削力测量系统传感器是一种用于测量旋转式动态切削力的专用测量仪器，为机电一体化产品。专门设计了可进行切削加工的刀柄，做为传感器的载体，将回转切削过程产生的切削力信号，用无线传输的方式传输到ＰＣ机，经运算处理后得到实际的切削力的大小。为研究和测量加工切削力提供一个实用可行的方法。不但适用于实验室，并且将适用于实际生产的测试与实时监控中。

切削力测量系统传感器不仅用于切削机理的深入研究。对推动金属加工技术的迅速发展和广泛应用具有十分重要的意义。

１．２课题的研究背景

１．２．１切削力的测试方法

切削力测量仪器已有近七十年的历史，１９３０年就出现了机械和液压切削力传感器。机械力测量仪是一种纯粹的位移的变化，它只有使用弱刚度的结构，这个力测量仪器才能获得足够的灵敏度，因此它的固有频率和『Ｆ常的切削力相同规模的改变。液压切削力传感器的原理和机械测力仪的一致，区别在于测量仪器的弹性变形部分的不同，所以它的显示仪表不是机械式的仪表而是压力表。因为复杂多离散体连接，力测量仪器本身的静刚度和液体限制，力测量仪器的固有频率仍然很低，对动态的力来说无能为力，所以机械和液压力的测量仪器已经取消。

电容和电感测力仪使用电容极间距或电感磁芯的弹性体的运动位移转换成电感的变化和电子信号的方式体现出来，其实质仍然是一个测位移距仪。在测量多向切削：力数据时，特别是当切削力变化点位置，测力仪器的结构复杂。加上电容、电感测：力仪的非比例特性，因而存在静态线性较差。这两种力量测仪器也已经被淘汰。

沈阳理工大学硕士学位论：丈

随着测试技术的发展和对高性能（特别是高动态性能）力测量仪器的追求，人们的工作重点是进行系统深入的研究压电力测量工具及电阻应变式测力实验仪器。压电力测量仪的压电晶体传感器测量切削力，从动力的角度测量、压电传感器是一种理想的测力传感器，它具有灵敏度高、变形小而被重视。压电晶体在力作用下变形线度约为１０Ａ量级，它的这个特性对压电传感元件来讲，几乎可以认为它是一个没有位移传感器类型。这是唯一的传感器输出电荷和变形测量仪的弹性体没有直接关系，因而从理论上可以大大改善其受力刚度而不致影Ⅱ向其灵敏度。到目前为止，在第二次世界大战之前，就已经有了这种测力仪器。然而，这种仪器没有解决好静电测量仪器的泄漏问题，不能测量静态和准静态力量，所以没有实用价值【９】。因为高阻抗电荷放大器的问世，成功的解决了静电荷泄漏这个问题以后，所以这种测力仪的发展有了前所未有的发展。只有在高阻抗电荷放大器问世后，并解决了静电泄漏后，使这种力测量仪器的应用和发展的有一个新突破【帕】。

动态力的测试和研究阶段是最近十几年来因为国防工程与机械加工动态测试迫切的需要，同时也由于在近代测试技术的高速发展奠定了坚实的基础而发展繁荣起来的，压电式切削测力仪就是这个阶段的典型代表。

１９６３年在德国阿亨工业大学首先：研发成功使用三向压电石英力传感器的三向车削的测力仪。另外瑞士苏黎士联邦工业大学对压电测力仪进行了基础理论的探讨，并且和瑞士Ｋｉｓｔｌｅ公司共同研发成功性能优越的压电石英传感器系列和车削、钻削、铣削测力仪以及多分量测力平台等等，并且对压电测试系统所需要成套设备进行了完善，翻开了压电测试研究新的一页。此后多种压电测力仪陆续问世了，例如意大利都灵工业大学成功研制出使用４个单向力的传感器制成的高刚度、高灵敏度三向车削测力仪。在机床自适应控制系统中，这种传感器已经作为反馈传感元件应用。加拿大蒙特利尔Ｓ．Ｇ．Ｗ大学利用压电测力仪与计算机相互配合对切削力稳态随机的特征进行了研究；同本山本明等把压电元件安放在刀片的下面，以至于可以测出刀尖处切削力的瞬间变动，可用来研究金属在切削形成过程中由于剪切滑移而发生的细微波动力。

在我国研究和使用压电切削测力仪相对比较晚一些，１９７７年大连工学院首先丌展对压电切削测力仪的研制，孙宝元教授等人先后研制成功单向、双向、三向压电石英力传感器和多种类型的测力仪。另外，华北．电力大学研发出了虚拟切削

第１章绪论

力测量仪器，对切削力的数据采集起到了保证作用，使显示和存储等功能更好的实现其功能，在线监控功能也有了很大的提高。

利用压电正逆效应做成的传感器与执行器进行测试与控制是现代测控技术的重要手段与发展方向之一。

石英力传感器和别的测力仪传感器相比较，有下面一些优点弘１４］：

１．静态特性更加稳定

（１）静态特性好，石英的弹性系数Ｅ＝８００００Ｎ／ｍｍ２，一般的厚度只有ｌｍｍ上下，因此整个传感器的刚性与实心铸铁块的刚性差不多，若把它支承在测力仪的变形器件上，就能够有效的改善测力仪的刚性度与固有频率值。

（２）：分辨率高、灵敏度高，因为压电力传感器是无位移型的，从理论上来说电荷量只和应力有关系，和位移是没有关系的，所以就很大程度上提高了测量系统的刚性度，而且灵敏度损失的也非常小，这样就能得到刚度、灵敏度都较为理想的传感元件。石英力传感器的分辨率一般可达最大的可测量程的７到１０倍或者更吉同Ｏ

（３）：石英传感器有非常好的动态和静态特性，滞后、重复性误差相对也较小。２．使用性能好

传感器体积小、结构严紧，安装、调试方便。

３．稳定性能优良

由于石英晶体能够较长时问保持静态和动态性能的相对稳定，抗干扰的能力也很强，因此它的传感器性能够长时间保持稳定，可以长期使用。

４．动态特性优良

（１）固有频率高，从大型测力平台的几百赫兹到超小型力传感。

（２）频率响应与瞬态响应良好，工作频带宽，动态测量误差小。因此特别适用于动态测量。

５．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。

１．２．２国内外切削力测量的研究现状

１．２．２．１国外发展状况瑞士的ＫＩＳＴＬＥＲ公司是全球著名的测力台生产商，于１９６９年生产了它的第

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