车削测力装置设计开题报告(2)
三、调研报告
以刀具旋转运动为主运动的切削加工过程中的切削力监测对于提高切削制造水平影响重大。切削力监测技术分为两种，一种是利用机床驱动电机或控制系统时发出的电流信号或电压信号来监测切削力，一种是安装测力仪来测量切削力。使用测力仪在线监测是及时准确获得切削力最有效的方法，针对切削测力仪，国内外的专家学者开展了大量的研究工作。
切削测力仪就是将切削力这一力信号转换为容易检测和处理的其他物理量，如弹性位移、液体压力或者电信号等，从而使用仪器仪表测得力的大小。切削测力仪的发展已有数十年的历史，早期出现的是机械式和液压式切削测力仪，它们的测量原理相似，都是依靠切削测力仪受力后产生变形引起位移量改变，．从而使用百分表或压力表测得力的大小，由于它们的测量原理导致刚性不高，固有频率较低，它们只能测量切削力的稳态均值。随着切削加工技术的逐步发展，人们还需要了解切削过程的动态特性，因此还需要准确测得切削力的动态分量。因此，这两种切削测力仪逐渐被淘汰。
电容式和电感式切削测力仪分别是根据切削力使电容两极板间距改变或电感磁芯移动导致电容值或电感值发生变化，最终将切削力信号转换为电信号的原理制成的，它们本质上依然是一种位移计。由于这类测力仪抗干扰能力差，测量多文切削力时结构复杂，且因为电容、电感式是非比例环节导致静态线性度差，因此这两种测力仪也已慢慢被淘汰。
目前，应用最广泛的两类切削测力仪分别为：应变式和压电式，下面分别介绍这两种测力仪的研究现状。
1） 应变式切削测力仪
电阻应变式切削测力仪在国内外使用非常普遍，需要与数字测量仪表配套使用。应变式测力仪的测量原理是：在弹性结构上粘贴电阻应变片，受到外力时，电阻应变片随弹性结构一起产生弹性变形，电阻应变计将变形转化为电阻值的变化，然后通过计算可以测量力的大小。测力原理可以表示如下：
应变式测力仪具有精度高、性能稳定、非线性及滞后误差小、使用灵活等优点，且其技术已经非常成熟，配套仪表(如静、动态应变仪等)也已经标准化，因此应变式测力仪应用十分广泛。应变式切削测力仪研究的核心在于弹性体的结构，应变式测力仪的弹性体有环式、筋式、梁式、杆式等各种结构，但国内外最常用的是直筋式、薄壁圆筒式和八角环结构。
同济大学先是针对铣削加工过程研制了旋转式动态切削力测量系统。测力仪是一种基于电阻应变式传感器的刀柄结构，在原有刀柄上增加一个薄壁圆筒式结构的弹性环节，采用纯拉压和纯剪切的应变式的测力方式，可以安装在机床主轴上随刀具一起旋转。旋转式测力仪的切削力信号采用无线传输的方式来实现遥测，利用电磁感应传输能量的方式进行无接触供电，切削力信号的发射与接收采用电磁波传输的方法，整体结构如图1．1所示。但文献发表时尚未完成整体的装配，因此没有关于该测力刀柄性能方面的描述。随后，他们仍然选取薄壁圆筒为弹性元件，且只有一个弹性元件，实现了整体式结构，采用纯拉压和纯剪切方式，代替弯曲测力方式，以此来提高固有频率，研制了一套微型钻削测力仪，用来测量较小的钻削力。
于应变式测力仪是基于弹性元件的变形引起电阻应变片的阻值发生变化，从而实现切削力的测量，其测力原理决定了应变式测力仪器对于切削力的快速变化无法做出及时响应，测量速度较慢，适合静态力或准静态力测量。结构刚性与灵敏度之间存在着“此消彼长”的矛盾，因此测力仪的刚度不会很高，从而限制了固有频率的提高。但随着切削加工技术的发展，人们对切削力研究的逐步深入，要求切削测力仪能实时测量动态切削力，并且要有相对较宽的工作频带，对微小的切削力变化也要做到能够准确测量。从这一角度来讲，应变式切削测力仪存在不足。压电式切削测力仪的力敏元件是压电晶体(主要是石英)，是基于压电正效应来测量切削力的，压电传感器刚性高，固有频率高，可以解决刚度与灵敏度之间的矛盾，因此越来越受到人们的关注。
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