一种新结构多用途切削测力仪的研制姚英学，陈朔冬，袁哲俊（机械工程系）摘要以测力仪灵敏度与 刚度系数的乘积为测力仪评价指标，分析比较了几种典型测力仪变形筋结构的性能，开发研制了适 用于车、铣、刨、钻等切削过程的多用途测力仪。关键词测力仪；电阻应变；金属切削中国图书资 料分类号ＴＧ５０１．３０引言切削测力仪是研究切削过程最基本的仪器和手段ｌ‘］，也是现代 自动化切削加工过程中实现状态监控、自适应控制和最优控制必不可少的环节［４］。因此切削测 力仪的研究受到许多学者和工程技术人员的重视ｌ’－４］目前国内外应用最广的是电阻应变式切 削测力仪和压电式切削测力仪１’］。切削测力仪研究和发展的焦点集中在解决测力仪高灵敏度高 刚度要求的矛盾，良好的动特性和静态稳定性的矛盾，结构简单、易于制造与多用途、相互干扰小 的矛盾，合理的量程设计及其在自动化加工机床上的安装问题上，后者在现代自动化加工设备如加 工中心上表现尤为突出。针对上述问题，本文开展了新型结构多用途切削测力仪的研究。１测力仪 常用变形筋结构的评价与对比对应变式切削测力仪，变形筋结构的选择直接决定测力仪的性能，而 变形筋结构形式及其参数的设计则是测力仪设计的核心问题。目前，应变式切削测力仪所采用的常 用结构有悬臂梁、双端固定梁、行架结构、纯拉压结构、八角环结构及剪切结构等多种形式。为优 化选择和提高切削测力仪性能，本文引人评价指标Ｑ作为评价测力仪灵敏度和刚度的综合指标。其 定义为：式中，尸为测力仪灵敏度，即单位力作用下的应变输出；ｋ为测力仪的静刚度系数，即在 受力方向上产生单位位移所需的力；Ｆ为切削力；ｆ为在Ｆ作用下产生的位移。对于给定的测力仪 ，Ｑ值越大，灵敏度和刚度的综合性能越好，选择测力仪变形筋结构时本文联系人：姚英学，副教 授／哈尔滨工业大学机械工程系（１５０００１）应尽可能选择Ｑ值高的结构。几种常用的测力仪 变形筋的Ｑ值计算、分析如表１。表１几种常用变形筋结构的灵敏度，刚度及品质指标Ｔ邑ｂｌｅ ｌＴ仇ｅ吕＠回四ｄｄ口，ｓｏｆｆｎｅｒ吕玉ｎｄｅｗＮｕ巴ｄｏｎＩｎ加互Ｍｄｅｆｏｆｌｌ ｌ＠ｄｏｎｓｈ刀ｄｓ【ｅｒ＊ｍ旷ｈｌｌ８６从表１知，悬臂梁、桥架梁、八角环等变形筋结构 的灵敏度与力臂Ｌ或Ｒ成正比，而刚度系数则与Ｌ’或Ｒ’成反比。为满足一定灵敏度要求，必须 有一定的力臂长度，由此将会降低测力仪的刚度，即灵敏度的提高必须以牺牲刚度为代价。对于纯 拉压或剪切变形筋结构，灵敏度与变形筋的长度Ｌ无关而只与横截面尺寸有关，刚度系数只与变形 筋长度Ｌ成反比，故缩短变形筋长度可在不降低灵敏度’Ｍ情况下提高测力仪Ｎｇ度。更重要的是 ，对悬臂梁、双端固定梁、八角环等结构，Ｌ或Ｒ必须远大于应变片的栅长ｌ才能使贴片后实际灵 敏度接近理论灵敏度。一个极端的例子是如图１的桥架梁，如果Ｌ接近于应变片栅长且等于变形筋 高度ｈ，由表１知，桥架梁的理论灵敏度与剪切筋基本接近，而刚度系数大于剪切筋，可是若贴片 后实测灵敏度接近零，因为此时应变片一半受拉应力而另一半受压应力（如图１），两者相抵消导 致灵敏度为零。但是剪切结构则不同，其剪应力在Ｌ方向上是均匀分布的，在ｈ方向上略有变化（ 如图２），故Ｌ接近或略大于应变片栅长即可。弯曲变形的Ｌ值不能太小而剪切或拉压变形筋的Ｌ 可小至接近于应变片栅长。图ＩＲｊ架结构的应力分布Ｆｉｇ．ＩＴｈｅｂｅｎｄｉｎｇｓｔｒｅ ｓｓｄｌｓｔｒｌｂａｔｌｏｎｏｆｔｒｌｌｓｓｆｒａｎ地图２剪切梁的应力分布Ｆｉｇ．２Ｔ ｈｅＳｈｅａｒｉｎｇｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｓｈｅａｒｉｎｇｄｅｆｏｒ ｍａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅ综上分析知，用纯拉压或剪切变形筋设计切削测力仪，可得到灵 敏度和刚度均比较高的综合性能。２多用途测力仪的结构设计与力学计算万能切削测力仪曾一度成 为切削测力仪研究的目标，然而技术上难以实现，因为不同应用对向的切削测力仪各向灵敏度要求 不一样【’］，设计制造上难以保证一台测力仪满足各种条件下的要求。但扩大测力仪的功能，使 一台测力仪适用于更多的场合则是可能的。为此本文用剪切结构与拉压结构相结合的原理，研制了 可测量凡、凡人三个相互垂直方向的力和一个绕Ｚ轴扭矩的四向测力仪，可用于常用切削条件下的 车、铣、钻、刨削过程。其结构简图如图３所示。其中变形筋部分由八根截面尺寸为ｂＸｈ的短筋 及四根截面为ＣＸｈ的短变形筋组成，各方向上的最大量程分别为：＼－３０００Ｎ、几一４００ ０Ｎ、凡一５０００Ｎ、凤。＝４０刀＊·ｎ。根据经验和反复试算，取ｂ一４ｕｎ、６。３ｕｎ 、Ｃ一０·８，工作台面尺寸为１３０ＸＩ１０ｎｕｎＺ。测力仪的灵敏度、刚度计算归纳于表２ 中。图３测力仪结构简图Ｆｉｇ．３Ｓｋｅｔｃｈｏｆｔｈｅｍａｃｈｌｎｅｔｏｏｌｄｗａｍｏ ｍｅｔｅｒ表２测力仪的力学计算ｈｂｌｅ２ＭｅｃｈｎｉｃａｌＣａｌｃｕｌａｈｏｎｏｆｔｈ ｅｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｄｙｎａｍｏｍｅｔｅｒ３测力仪的贴片与性能测试图３表示了各检测 向力时应变片的分布。Ｆｘ、Ｆｚ、Ｍｚ采用剪切方式、Ｆｙ采用拉压方式贴片，构成四个测量电 桥（图４）完成四个方向的力、力矩的测量。贴片胶采用ＡＳＴ一互型高温固化胶。通过合理选择 贴片位置、合理组桥消除相互干扰，限于篇幅就不详述了。图４测力仪的测量电桥Ｆｉｇ．４Ｔｈ ＣｆｆｉＣ３ＳｌｌｌｌｆｌｇｂｆｌｄｇＣＯｆｔｈＣｆｆｉｄＣｈｌｆｌＣｔＯＯＩｄｙｆｌ ３ｆｆｉｏｆｆｉＣｔＣＴ表３测力仪的主要性能指标Ｔａｂｌｅ３Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ ｔｈｅｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｄ侧ａｍｏｍｅｔ６ｒ测力仪完成后进行了标定和性能测试。其主 要性能指标如表３所列。４测力仪用于各切削过程的安装测力仪用于车削、钻削、铣削、刨削时的 安装示意图如图５所示。实测切削力波形从略。图５测力仪用于车削、钻削、铣削、刨削时的安装 示意图Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｉｎｓｔａｌｌｉｎｇｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｍ ａｃｈｌｎｅｔｏｏｌｄｙｎａｍｍｅｔｅｒｆｏｒｔｕｒｎｉｎｇ，ｍｉｌｌｉｎｇ，ｄｒｉｌ ｌｉｎｇ，ｐｌａｎｉｎｇ５结论本文在总结、比较几种常用切削测力仪变形筋结构的基础上，采 用剪切与拉压相结合的变形筋结构研制了可检测Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ三向力和绕Ｚ轴的扭矩Ｍｚ的测 力仪，具有灵敏度高、刚度高等优点，其性能指标满足切削测力仪的标准，适用于车削、铣削、钻 削、刨削等加工过程，具有一定推广应用价值。参考文献｜｜１袁哲俊等．电阻应变式测力仪中几 个问题的探讨．哈尔滨工业大学学报，１９８０，（３）２蔡礼君，袁哲俊．应变式测力仪的剖析 与突破．哈尔滨工业大学学报，１９８５，（５）３袁哲俊．金属切削实验技术．机械工业出版社 ，１９８８４蔡礼君．切削测力仪与切削系统的动态特性研究．哈尔滨工业大学博士论文，１９８ ５ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆａＭｕｌｔｉｐｕｒｐｏｓｅＭａｃｈｉｎｅｔｏｏｌＤｙｎａｍ ｏｍｅｔｅｒｗｉｔｈＮｅｗＳｔｒｕｃｔｕｒｅ￥ＹａｏＹｉｎｇｘｕｅ；ＣｈｅｎＳｈｕｏｄ ｏｎｇ；ＹｕａｎＺｈｅｊｕｎ（Ｄｅｐｔ．ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃ ｅｏｆｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｄｙｎａｍｏｍｅｔｅｒｉｓｓｔｕｄｉｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈ ｅｅｖａｌｕａｔｉｎｇｉｎｄｅｘｄｅｆｉｎｅｄａｓｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｏｆｓｅｎｓｉｔ ｉｖｅａｎｄｓｔｉｆｆｎｅｓｓｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ．Ａｎｅｗｔｙｐｅｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌｄｙｎａｍｏｍｅｔｅｒｗｉｔｈｍｕｌｔｉｐｕｒｐｏｓｅｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄＷ ｈｉｃｈｃａｎｂｅｕｓｅｄｉｎｔｈｅｍｅｔａｌｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｓｕｃｈｕｓ ｔｕｒｎｉｎｇ，ｍｉｌｌｉｎｇ，ｄｒｉｌｌｉｎｇ，ｐｌａｎｉｎｇｅｔｃ．Ｋｅｙｗｏｒｄ ｓ：Ｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｄｙｎａｍｏｍｅｔｅｒ；ｓｔｒａｉｎｇａｕｇｅ；ｍｅｔａｌ－ ｃｕｔｔｉｎｇＹａｏＹｉｎｇｘｕｅ；ｂｏｒｎｉｎ１９６２，ｒｅｃｅｉｖｅｄＤ．Ｐｈ．ｄ ｅｇｒｅｅｆｒｏｍＨａｒｂｉｎｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎ１９９０． ＨｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｅｒｅｓｔＳｆｏｃｕｓｏｎｍｅｔａｌ￣ｕｔｔｉｎｇａｕｔｏ ｍａｔｉｏｎ，ＦＭＳ，ｓｅｎｓｉｎｇ，ｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｎｅｗｍａｔｅ ｒｉａｌｓｆｏｒｃｕｔｔｉｎｇｔｏｏｌ．一种新结构多用途切削测力仪的研制@姚英学，陈朔 冬，袁哲俊$哈尔滨工业大学机械工程系测力仪；电阻应变；金属切削以测力仪灵敏度与刚度系数 的乘积为测力仪评价指标，分析比较了几种典型测力仪变形筋结构的性能，开发研制了适用于车、 铣、刨、钻等切削过程的多用途测力仪。１袁哲俊等．电阻应变式测力仪中几个问题的探讨．哈尔 滨工业大学学报，１９８０，（３）２蔡礼君，袁哲俊．应变式测力仪的剖析与突破．哈尔滨工业 大学学报，１９８５，（５）３袁哲俊．金属切削实验技术．机械工业出版社，１９８８４蔡礼君 ．切削测力仪与切削系统的动态特性研究．哈尔滨工业大学博士论文，１９８５ｅｒ３测力仪的贴 片与性能测试图３表示了各检测向力时应变片的分布。Ｆｘ、Ｆｚ、Ｍｚ采用剪切方式、Ｆｙ采用 拉压方式贴片，构成四个测量电桥（图４）完成四个方向的力、力矩的测量。贴片胶采用ＡＳＴ一 互型高温固化胶。通过合理选择贴片位置、合理组桥消除相互干扰，限于篇幅就不详述了。图４测 力仪的测量电桥Ｆｉｇ．４ＴｈＣｆｆｉＣ３ＳｌｌｌｌｆｌｇｂｆｌｄｇＣＯｆｔｈＣｆｆｉｄＣｈｌｆｌＣｔＯＯＩｄｙｆｌ３ｆｆｉｏｆｆｉＣｔＣＴ表３测力仪的主要性能指标Ｔａｂｌｅ３Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｄ侧ａｍｏｍｅｔ６ｒ测力仪完成后进行了标定和性能测试。其主要性能指标如表３所列。４测力仪用于各切削过程的安装测力仪用
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