專利名稱：一種集成微小三向切削力測量系統的智能刀具的制作方法
技術領域：
本發明屬于超精密切削加工及其切削力測量和實時監測領域，具體涉及為一種集成微小三向切削力測量系統的智能刀具。
背景技術：
切削力作為加工過程中最穩定和最可靠的信息來源，其大小和動態變化反應了切削過程中刀具與工件的相互作用的狀況和工件表面形成過程。大量研究結果表明，切削狀態的每個微小變化都能通過切削力的變化反應出來，檢測切削力是目前國內外研究與應用最多的監控加工過程方法之一。通過監測加工過程切削力的實時變化，經過時序分析或其相關的數據信號處理，就可以用來進行切削過程相關科學問題的研究，如切削機理研究、工 藝參數分析、材料切削性能研究等；優化加工過程工藝參數，提高加工質量；進行新型刀具設計和刀具涂層開發以及刀具切削性能評價；進行切削過程實時監測、刀具磨損和破壞的評估和預警以及實現自適應加工。目前，在超精密切削加工的機理分析、工藝參數分析、精密刀具設計和研發、切削過程實時監測、大表面質量一致性加工控制、恒力切削以及自適應加工等研究中，微小的切削力測量最可靠而實用的辦法依然是利用現有測力儀進行測量，但是由于現有設備復雜，價格昂貴，系統設備體積較大，不利于安裝，在使用時需要或多或少地要改變機床的原有部件，影響機床的整體特性，特別是對超精密數控機床剛度和精度產生的負面影響更大，并且在精密切削加工中，并受限于自身的動態特性和靈敏度大小，已經很難滿足準確的測量精密加工中微小切削力的要求，制約了超精密加工領域的相關科學研究和切削過程的實時監測以及自適應智能加工發展和產業化。
發明內容
本發明的目的是提供一種集成微小三向切削力測量系統的智能刀具，以解決在超精密加工過程中針對微小切削力的測量設備和儀器存在成本高，體積大，安裝空間受限以及帶來的剛度降低的影響，工業化實用性不足以及無法滿足超精密加工應用對測量精度和靈敏度的要求，制約了切削過程實時監測和自適應智能加工應用等問題。本發明的智能刀具通過集成在智能刀具刀桿中的微小三向切削力測量系統，融合微小三向切削力測量系統和刀具于一體，實現精密切削過程中微小三向切削力的自主實時監測。微小三向切削力測量系統通過四組相同應變感知單元對在三向切削力作用下產生的相應應變或位移等物理量進行感知，獲取相對應的感知信號，并通過對感知的信號進行標定解偶，實現微小三向切削力的準確求解。本發明可滿足超精密加工過程切削過程實時監測、大表面質量一致性加工控制、恒力切削、自適應智能加工以及超精密切削機理分析、工藝參數分析、精密刀具設計和研究的需要。實現上述目的，本發明的具體技術方案
一種集成微小三向切削力測量系統的智能刀具，所述的智能刀具包括刀桿及切削刀片，所述的智能刀具還包括微小三向切削力測量系統、密封蓋以及信號接口端；所述刀桿由刀頭、刀桿主體以及連接刀頭和刀桿主體的過渡段三部分組成；所述的切削刀片固定裝在刀頭上，切削刀片的刀尖位于刀桿主體的中心線上，切削刀片的上表面與刀桿主體中心面重合設置；所述的刀桿主體的前端設有感知測量段；所述的感知測量段設有測力凹腔；所述的微小三向切削力測量系統固接在感知測量段的測力凹腔內；所述的刀桿主體的后端沿軸向設有長孔，感知測量段設有與長孔連通的導線孔；刀桿主體的長孔后端有信號接口端。所述的感知測量段由兩個封裝段和位于兩個封裝段之間的八棱柱結構段組成，八棱柱結構段及兩個封裝段的中心線均與刀桿主體的中心線重合；所述的八棱柱結構段的八個側面的四個間隔側面均為感知側面，八棱柱結構段的八個側面中除四個感知側面外的其余四個側面為輔助側面；密封蓋固接于兩個封裝段位于相同側的外側面。微小三向切削力測量系統包括四個感知單元，四個感知單元與四個感知側面--
對應設置，感知單元安裝固接在感知側面的中心位置。 四個輔助側面上各設有一個與所述的長孔連通的導線孔。所述的四個感知側面以刀桿主體中心面成對稱分布，輔助側面與感知側面成45度角。所述的感知單元為單個傳感器或至少兩個傳感器組成的傳感陣列。所述的感知單元為電阻應變式傳感器、壓阻式傳感器、壓電晶體式傳感器、電容測微儀、微位移傳感器或聲表面波傳感器。本發明相對于現有技術的有益效果是
一、本發明的智能刀具實現刀具由切削加工的單一執行器向智能化的感知器轉變，實現精密加工和自我實時感知加工中微小三向切削力，實現在線實時感知監測和超精密自適應智能加工需求。二、本發明的智能刀具解決了以往精密加工中測力儀傳感系統測試精度和靈敏度不足，系統復雜，價格高，安裝和結構尺寸受限，并影響精密機床加工動態性能和工業化困難等問題。三、本發明的智能刀具具有結構簡單緊湊，使用方便簡單，能測量超精密加工中微小三向切削力，測量靈敏度高。本發明很好的滿足超精密加工過程切削過程實時監測、大表面質量一致性加工控制、恒力切削、自適應加工以及超精密切削機理分析、工藝參數分析、精密刀具設計、檢測和性能研究的需要。本發明能夠應用于超精密加工領域的相關科學研究、切削過程的實時監測以及自適應加工中。
圖I示出本發明的智能刀具的裝配立體圖，切削刀片可更換；
圖2示出本發明的智能刀具的裝配俯視圖，切削刀片與刀頭焊接；
圖3示出本發明的智能刀具的俯視圖，切削刀片可更換，感知測量段由兩個封裝段和位于兩個封裝段之間的八棱柱結構段組成；
圖4不出圖3的A-A截面首I]面 圖5示出圖4的B-B截面剖面 圖6示出圖3中刀桿的立體圖；圖7示出圖6中刀桿的感知測量段的橫截面剖面 圖8 (a)示出感知單元安裝在感知側面的橫截面剖面 圖8 (b)示出圖8 (a)所示單個傳感器的布置情況的示意 圖8 (C)示出圖8 (a)所示兩個傳感器的布置情況的示意圖。圖中，刀桿I、微小三向切削力測量系統2、切削刀片3、密封蓋4、信號接口端5、刀頭la、過渡段lb、刀桿主體lc、封裝段lea、八棱柱結構段les、感知側面6a、輔助側面6b、感知單元2a、長孔11、導線孔12a、刀片安裝螺紋孔13、可換刀片安裝凹槽14。
具體實施例方式
具體實施方式
一如圖I-圖4所不,一種集成微小三向切削力測量系統的智能刀具，所述的智能刀具包括刀桿I及切削刀片3，所述的智能刀具還包括微小三向切削力測量系統2、密封蓋4以及信號接口端5 ;所述刀桿I由刀頭la、刀桿主體Ic以及連接刀頭Ia和刀桿主體Ic的過渡段Ib三部分組成；所述的切削刀片3固定裝在刀頭Ia上，切削刀片3的刀尖位于刀桿主體Ic的中心線上，切削刀片3的上表面與刀桿主體Ic中心面重合設置；所述的刀桿主體Ic的前端設有感知測量段；所述的感知測量段設有測力凹腔；所述的微小三向切削力測量系統2固接在感知測量段的測力凹腔內；所述的刀桿主體Ic的后端沿軸向設有長孔11，感知測量段設有與長孔11連通的導線孔12a ;刀桿主體Ic的長孔11后端有信號接口端5。傳輸交換感知單元測量的信號數據，智能刀具可以內置或者外接信號處理和分析系統，進一步與機床控制系統融合，用于智能化的加工監測和控制。切削刀片3優選金剛石刀片。
具體實施方式
二 如圖I-圖7所示，具體實施方式
一所述的一種集成微小三向切削力測量系統的智能刀具，所述的感知測量段由兩個封裝段Ica和位于兩個封裝段Ica之間的八棱柱結構段Ics組成，八棱柱結構段Ics及兩個封裝段Ica的中心線均與刀桿主體Ic的中心線重合；封裝段Ica的橫截面為正方形，封裝段Ica的橫截面小于刀桿主體Ic的橫截面，八棱柱結構段Ics的橫截面小于封裝段Ica的橫截面，從而形成刀桿周側面上連通的測力凹腔，所述的八棱柱結構段Ics的八個側面的四個間隔側面6a均為感知側面，八棱柱結構段Ics的八個側面中除四個感知側面6a外的其余四個側面為輔助側面6b，兩個封裝段Ica位于相同側的外側面通過螺釘或者環氧樹脂膠與密封蓋4固接；所述的微小三向
切削力測量系統2包括四個感知單元2a,四個感知單元2a與四個感知側面6a--對應設
置，感知單元2a固接在感知側面6a的中心位置，四個輔助側面6b上各設有一個與所述的長孔11連通的導線孔12a。
具體實施方式
三如圖6及圖7所示，具體實施方式
二所述的一種集成微小三向切削力測量系統的智能刀具，所述的四個感知側面6a以刀桿主體Ic中心面成對稱分布，輔助側面6b與感知側面6a成45度角設置。
具體實施方式
四如圖8a-圖8c所示，具體實施方式
二或三所述的一種集成微小三向切削力測量系統的智能刀具，所述的感知單元2a為單個傳感器或至少兩個傳感器組成的傳感陣列。
具體實施方式
五如圖5所示，具體實施方式
二或三所述的一種集成微小三向切削力測量系統的智能刀具，所述的感知單元2a為電阻應變式傳感器、壓阻式傳感器、壓電晶體式傳感器、電容測微儀、微位移傳感器或聲表面波傳感器。
具體實施方式
六如圖4及圖6所不,具體實施方式
一所述的一種集成微小三向切削力測量系統的智能刀具，所述的刀頭Ia上表面的前端設有可換刀片安裝凹槽14，可換刀片安裝凹槽14的底面上設有螺紋孔13，可換刀片安裝凹槽14內匹配裝有可更換的切削刀片3，切削刀片3通過與螺紋孔13緊固連接的螺釘固定安裝在刀頭Ia上；所述的切削刀片3還可以以焊接形式固定裝在刀頭Ia的上表面。本發明的集成有微小三向切削力測量系統的智能刀具，解決了超精密加工過程中針對微小三向切削力的測量設備和儀器存在成本高，體積大，安裝空間受限以及帶來的剛度降低的負面影響。智能刀具打破了刀具只用于切削加工的單一執行器功能，實現刀具智能化，并且結構緊湊，和刀桿融為一體，刀桿上沒有突出部分，方便使用和安裝，工業化實用性強，具有高的精度和靈敏度，滿足超精密加工應用的要求的能力。
三向力在切削力中，指總切削合力F按照空間直角坐標系分解為三個相互垂直的切削分力。如圖I所示，通常情況，Fx為進給力、也稱軸向分力、走刀分力；Fy為背向力、也稱徑向分力、吃刀力；Fz為主切削力、也稱切向分力。工作原理
傳感器是基于具有相應的物理效應(如電荷變化、電阻變化、電壓變化、頻率變化、相位變化)原理。在載荷下，傳感器產生與所受機械載荷成比例的電荷、電阻、電壓、頻率和相位等；載荷變化，相應的物理量相應改變，通過測量相應物理量的大小解偶求解出載荷大小。
權利要求
1.一種集成微小三向切削力測量系統的智能刀具，所述的智能刀具包括刀桿(I)及切削刀片(3)，其特征是所述的智能刀具還包括微小三向切削力測量系統(2)、密封蓋(4)以及信號接口端(5);所述刀桿(I)由刀頭(la)、刀桿主體(Ic)以及連接刀頭(Ia)和刀桿主體(Ic)的過渡段(Ib)三部分組成；所述的切削刀片(3)固定裝在刀頭(Ia)上，切削刀片(3)的刀尖位于刀桿主體(Ic)的中心線上，切削刀片(3)的上表面與刀桿主體(Ic)中心面重合設置；所述的刀桿主體(Ic)的前端設有感知測量段；所述的感知測量段設有測力凹腔；所述的微小三向切削力測量系統(2)固接在感知測量段的測力凹腔內；所述的刀桿主體(Ic)的后端沿軸向設有長孔(11)，感知測量段設有與長孔(11)連通的導線孔(12a);刀桿主體(Ic)的長孔(11)后端有信號接口端(5)。
2.如權利要求I所述的一種集成微小三向切削力測量系統的智能刀具，其特征是所述的感知測量段由兩個封裝段(Ica)和位于兩個封裝段(Ica)之間的八棱柱結構段(Ics)組成，八棱柱結構段(Ics)及兩個封裝段(Ica)的中心線均與刀桿主體(Ic)的中心線重合；所述的八棱柱結構段(Ics)的八個側面的四個間隔側面(6a)均為感知側面，八棱柱結構段(Ics)的八個側面中除四個感知側面(6a)外的其余四個側面為輔助側面(6b);密封蓋(4)固接于兩個封裝段(Ica)位于相同側的外側面。
3.如權利要求2所述的一種集成微小三向切削力測量系統的智能刀具，其特征是微小三向切削力測量系統(2)包括四個感知單元(2a)，四個感知單元(2a)與四個感知側面(6a)--對應設置，感知單元(2a)安裝固接在感知側面(6a)的中心位置。
4.如權利要求2所述的一種集成微小三向切削力測量系統的智能刀具，其特征是四個輔助側面(6b)上各設有一個與所述的長孔(11)連通的導線孔(12a)。
5.如權利要求2、3或4所述的一種集成微小三向切削力測量系統的智能刀具，其特征是所述的四個感知側面(6a)以刀桿主體(Ic)中心面成對稱分布，輔助側面(6b)與感知側面(6a)成45度角。
6.如權利要求3所述的一種集成微小三向切削力測量系統的智能刀具，其特征是所述的感知單元(2a)為單個傳感器或至少兩個傳感器組成的傳感陣列。
7.如權利要求3所述的一種集成微小三向切削力測量系統的智能刀具，其特征是所述的感知單元(2a)為電阻應變式傳感器、壓阻式傳感器、壓電晶體式傳感器、電容測微儀、微位移傳感器或聲表面波傳感器。
全文摘要
一種集成微小三向切削力測量系統的智能刀具。屬于超精密切削加工及其切削力測量和實時監測領域。本發明可滿足超精密加工過程微小三向切削力的實時感知測量。智能刀具主要包括刀桿、切削刀片、切削力測量系統、密封蓋和信號接口端。切削刀片上表面與刀桿主體中心面重合，刀尖位于刀桿主體中心。刀桿主體的前端有感知測量段，微小三向切削力測量系統固接在感知測量段的測力凹腔內，信號接口端在刀桿后端實現信號輸出。在切削加工的同時，感知單元對三向切削力作用產生的應變和位移進行感知，獲取對應的信號，通過標定解偶實現微小三向切削力的準確求解。本發明用于超精密加工領域相關科學研究和切削過程實時監測以及自適應加工。
文檔編號B23Q17/09GK102847961SQ20121038902
公開日2013年1月2日 申請日期2012年10月15日 優先權日2012年10月15日
發明者肖才偉, 程凱, 丁輝, 陳時錦 申請人:哈爾濱工業大學