專利名稱：具有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，具體涉及為具有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具有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，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
具有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；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；切削刀片固定裝在刀頭上，切削刀片的上表面與刀桿主體中心面重合設置,切削刀片的刀尖位于刀桿主體的中心線上；刀桿主體的前端設有感知測量段，感知測量段設有測力凹腔；微小三向切削力測量系統固接安裝于感知測量段的測力凹腔中，微小三向切削力測量系統通過與感知測量段固接的密封蓋密封于測力凹腔內；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；信號接口端位于刀桿主體的長孔后端部。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四棱柱結構段組成，從而形成刀桿周側面上的測力凹腔，四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，兩個封裝段位于相同側的外側面與密封蓋固接，四棱柱結構段的四個外側面各設有一個與長孔連通的導線孔。所述的微小三向切削力測量系統包括四個感知單元，兩個封裝段位于同一外側面的中心處橫跨配對固定一個感知單元，感知單元與四棱柱結構段間形成中空間隔腔。
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。所述的封裝段的四個外側面中心處分別加工有一個感知單元安裝凹槽，每個感知單元匹配安裝在兩個封裝段位于同一側面的兩個感知單元安裝凹槽內。具有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、信號接口端以及感知基片；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；切削刀片固定裝在刀頭上，切削刀片的上表面與刀桿主體中心面重合設置，切削刀片的刀尖位于刀桿主體的中心線上；刀桿主體的前端有感知測量段，感知測量段設有測力凹腔，感知基片固定于感知測量段的測力凹腔上；微小三向切削力測量系統固接安裝在感知基片面向測力凹腔的內側面上，微小三向切削力測量系統通過感知基片密封于測力凹腔內；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；信號接口端位于刀桿主體的長孔后端。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四棱柱結構段組成，從而形成刀桿周側面上連通的測力凹腔，四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；兩個封裝段的同一外側面上橫跨配對固定安裝一個感知基片；四棱柱結構段的四個側面上各設有一個與刀桿主體的長孔連通的導線孔。所述的微小三向切削力測量系統包括四個感知單元，傳感器單元固接安裝在感知基片面向測力凹腔內側面的中心位置。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。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，感知測量段通過密封蓋密封； 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四棱柱結構段組成；
圖4示出圖3的主視剖視 圖5示出圖4的感知測量段的C-C剖面 圖6示出圖I中刀桿的立體 圖7示出圖6中感知測量段橫截面剖面 圖8 Ca)示出圖6中智能刀具的感知單元安裝位置示意 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9示出本發明的智能刀具的主剖視圖，采用感知基片9 ；
圖10示出圖9中感知測量段的D-D剖面 圖11 (a)示出圖9中測量系統的感知單元安裝位置示意 圖11 (b)示出圖11 (a)所示單個傳感器的布置情況的示意 圖11 (C)示出圖11 (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、四棱柱結構段leb、感知單元2a、感知基片9、長孔11、導線孔12a、螺紋孔13、可換刀片安裝凹槽14、感知單元安裝槽15a。
具體實施例方式具體實施方式
一如圖I-圖6所不,具有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 ;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；切削刀片3固定裝在刀頭Ia上，切削刀片3的上表面與刀桿主體Ic中心面重合設置，切削刀片3的刀尖位于刀桿主體Ic的中心線上；刀桿主體Ic的前端設有感知測量段，感知測量段設有測力凹腔；微小三向切削力測量系統2固接安裝于感知測量段的測力凹腔中，微小三向切削力測量系統2通過與感知測量段固接的密封蓋4密封于測力凹腔內；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 ;信號接口端5位于刀桿主體Ic的長孔11后端部。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；或者切削刀片3以焊接形式固定裝在刀頭Ia的上表面。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4-圖7所示，具體實施方式
一所述的具有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之間的四棱柱結構段Icb組成，四棱柱結構段Icb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及四棱柱結構段Icb的橫截面均為正方形，封裝段Ica的橫截面小于刀桿主體Ic的橫截面，四棱柱結構段Icb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；微小三向切削力測量系統2包括四個感知單元2a，兩個封裝段Ica位于同一外側面的中心處橫跨配對固定一個感知單元2a，感知單元2a與四棱柱結 構段Icb間形成中空間隔腔；兩個封裝段Ica位于相同側的外側面與密封蓋4固接，即兩個封裝段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；四棱柱結構段Icb的四個外側面各設有一個與長孔11連通的導線孔12a，用于感知信號輸出線導出。
具體實施方式
三如圖8b及圖8c所示，具體實施方式
二所述的具有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
四如圖8b及圖8c所示，具體實施方式
二所述的具有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
五如圖6及圖7所示,具體實施方式
二、三或四所述的具有微小三向切削力測量系統的智能刀具，所述的感知單元固接安裝還可以在每個封裝段Ica的四個外側面中心處分別加工有一個感知單元安裝凹槽15a，每個感知單元2a匹配安裝在兩個封裝段Ica位于同一側面的兩個感知單元安裝凹槽15a內，使得結構更加緊湊。
具體實施方式
六如圖9所不,具有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、信號接口端5以及感知基片9 ;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；切削刀片3固定裝在刀頭Ia上，切削刀片3的上表面與刀桿主體Ic中心面重合設置，切削刀片3的刀尖位于刀桿主體Ic的中心線上；刀桿主體Ic的前端有感知測量段，感知測量段設有測力凹腔，感知基片9固定于感知測量段的測力凹腔上；微小三向切削力測量系統2固接安裝在感知基片9面向測力凹腔的內側面上，微小三向切削力測量系統2通過感知基片9密封于測力凹腔內；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 ;信號接口端5位于刀桿主體Ic的長孔11后端。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；或者切削刀片3以焊接形式固定裝在刀頭Ia的上表面。
具體實施方式
七如圖6及圖9-圖Ila所示，具體實施方式
六所述的具有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之間的四棱柱結構段Icb組成，四棱柱結構段Icb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及四棱柱結構段Icb的橫截面均為正方形，封裝段Ica的橫截面小于刀桿主體Ic的橫截面，四棱柱結構段Icb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；兩個封裝段Ica的同一外側面上橫跨配對固定安裝一個感知基片9，兼具感知測量段的密封；四棱柱結構段Icb的四個側面上各設有一個與刀桿主體Ic的長孔11連通的導線孔12a，用于感知信號輸出線導出；微小三向切削力測量系統2包括四個感知單元2a，傳感器單元2a固接安裝在感知基片9面向測力凹腔內側面的中心位置。
具體實施方式
八如圖Ilb及圖Ilc所示，具體實施方式
七所述的具有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
九如圖Ilb及圖Ilc所示，具體實施方式
七所述的具有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等感知器件。本發明的具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。本發明智能刀具的集成微小三向切削力測量系統的方式保證了刀具的更高的剛度，并保證了測量系統的高精度和高靈敏度，更好地滿足了超精密加工對智能刀具的要求。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
1.一種具有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);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；切削刀片(3)固定裝在刀頭(Ia)上，切削刀片(3)的上表面與刀桿主體(Ic)中心面重合設置，切削刀片(3)的刀尖位于刀桿主體(Ic)的中心線上；刀桿主體(Ic)的前端設有感知測量段，感知測量段設有測力凹腔；微小三向切削力測量系統(2)固接安裝于感知測量段的測力凹腔中，微小三向切削力測量系統(2)通過與感知測量段固接的密封蓋(4)密封于測力凹腔內；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);信號接口端(5)位于刀桿主體(Ic)的長孔(11)后端部。
2.如權利要求I所述的具有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)之間的四棱柱結構段(Icb)組成，從而形成刀桿周側面上的測力凹腔，四棱柱結構段(Icb)及兩個封裝段(Ica)的中心線均與刀桿主體(Ic)的中心線重合，兩個封裝段(Ica)位于相同側的外側面與密封蓋(4)固接，四棱柱結構段(Icb)的四個外側面各設有一個與長孔(11)連通的導線孔(12a)。
3.如權利要求2所述的具有微小三向切削力測量系統的智能刀具，其特征是所述的微小三向切削力測量系統(2)包括四個感知單元(2a)，兩個封裝段(Ica)位于同一外側面的中心處橫跨配對固定一個感知單元(2a)，感知單元(2a)與四棱柱結構段(Icb)間形成中空間隔腔。
4. 如權利要求3所述的具有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。
5.如權利要求3或4所述的具有微小三向切削力測量系統的智能刀具，其特征是所述的封裝段(Ica)的四個外側面中心處分別加工有一個感知單元安裝凹槽(15a)，每個感知單元(2a)匹配安裝在兩個封裝段(Ica)位于同一側面的兩個感知單元安裝凹槽(15a)內。
6.一種具有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)、信號接口端(5)以及感知基片(9);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；切削刀片(3)固定裝在刀頭(Ia)上，切削刀片(3)的上表面與刀桿主體(Ic)中心面重合設置，切削刀片(3)的刀尖位于刀桿主體(Ic)的中心線上；刀桿主體(Ic)的前端有感知測量段，感知測量段設有測力凹腔，感知基片(9)固定于感知測量段的測力凹腔上；微小三向切削力測量系統(2)固接安裝在感知基片(9)面向測力凹腔的內側面上,微小三向切削力測量系統(2 )通過感知基片(9 )密封于測力凹腔內；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);信號接口端(5)位于刀桿主體(Ic)的長孔(11)后端。
7.如權利要求6所述的具有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)之間的四棱柱結構段(Icb)組成，從而形成刀桿周側面上連通的測力凹腔，四棱柱結構段(Icb)及兩個封裝段(Ica)的中心線均與刀桿主體(Ic)的中心線重合；兩個封裝段(Ica)的同一外側面上橫跨配對固定安裝一個感知基片(9);四棱柱結構段(Icb)的四個側面上各設有一個與刀桿主體(Ic)的長孔(11)連通的導線孔(12a)。
8.如權利要求6或7所述的具有微小三向切削力測量系統的智能刀具，其特征是所述的微小三向切削力測量系統(2)包括四個感知單元(2a)，傳感器單元(2a)固接安裝在感知基片(9)面向測力凹腔內側面的中心位置。
9.如權利要求8所述的具有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。
全文摘要
具有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、切削力測量系統和信號接口端。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，感知單元分別橫跨安裝在感知測量段或安裝在各感知基片內側面中心，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B23B27/00GK102873353SQ201210389040
公開日2013年1月16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