一種快速刀具伺服車削的三向切削力測量方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于超精密切削、切削力測量和光學(xué)零件切削加工等技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種 快速刀具伺服車削的=向切削力測量方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)雜光學(xué)自由曲面的制造是精密制造的重要研究內(nèi)容，例如非回轉(zhuǎn)對稱光學(xué)自由 曲面的制造。非回轉(zhuǎn)對稱光學(xué)自由曲面是一種沒有任何對稱軸的光學(xué)自由曲面，具有該曲 面的光學(xué)元件廣泛應(yīng)用在民用和軍事領(lǐng)域中，極大地改善了光學(xué)系統(tǒng)的性能。加工具有非 回轉(zhuǎn)對稱光學(xué)自由曲面的零件的一項關(guān)鍵的技術(shù)是快速刀具伺服，該項技術(shù)是在車床溜板 上安裝具備快速高頻響應(yīng)能力的刀具微進(jìn)給伺服機(jī)構(gòu)，具有精度高，效率高，成本低等優(yōu) 點(diǎn)?？焖俚毒咚欧丝蒞實(shí)現(xiàn)非回轉(zhuǎn)對稱光學(xué)自由曲面的高效、精密加工之外，還可W實(shí) 現(xiàn)誤差補(bǔ)償，加工微陣列光學(xué)元件等。
[0003] 快速刀具伺服技術(shù)可用于實(shí)現(xiàn)刀具相對于工件的快速往復(fù)進(jìn)給，消除機(jī)床重復(fù)性 誤差。研究快速刀具伺服加工的切削力具有重要的意義:第一，快速刀具伺服加工的切削力 可W有效反映快速刀具伺服機(jī)構(gòu)的加工過程，有助于監(jiān)測刀具磨損情況;第二，切削力的大 小和方向?qū)τ诳焖俑哳l進(jìn)給加工質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，準(zhǔn)確測量切削力有助于掲示快 速刀具伺服的切削加工機(jī)理；第=，有助于預(yù)測已加工表面的表面質(zhì)量，評估材料的切削 性;第四，為快速刀具伺服基于切削力的主動控制打下基礎(chǔ)。因此在快速刀具伺服中集成切 削力測量系統(tǒng)是十分必要的，而現(xiàn)有的具有切削力測量功能的快速刀具伺服機(jī)構(gòu)只能測量 單向切削力，且W測量Z向切削力為主，目前主要有兩種技術(shù)方案:一種將壓力傳感器置于 快速刀具伺服機(jī)構(gòu)的近刀具端，另一種將壓力傳感器置于快速刀具伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動器的后 方。其中，后一種方案所測出的切削力含有的驅(qū)動力成分較大，導(dǎo)致切削力測量的準(zhǔn)確性較 前一種方案的低。運(yùn)兩種布局方案均無法將=向切削力全部測出，而且在切削力測量方向 會受到壓電疊堆驅(qū)動力的干擾，導(dǎo)致壓力傳感器的測量值中含有壓電疊堆的驅(qū)動力成分， 所W無法準(zhǔn)確地測出全部的快速刀具伺服加工的切削力。而目前用于測量普通車削切削力 的=向測力儀存在體積較大，響應(yīng)頻率較低等問題，同時在設(shè)計時也沒有考慮在彈性基礎(chǔ) 上測量切削力的問題，所W用于測量普通車削切削力的S向測力儀不適用于快速刀具伺服 車削切削力的嵌入式精密測量。
[0004] 綜上所述，為了克服運(yùn)些不足之處，提高快速刀具伺服切削力測量的準(zhǔn)確性和全 面性，本發(fā)明提出了一種快速刀具伺服車削的=向切削力測量方法，并設(shè)計了一種具有= 向切削力測量功能的快速刀具伺服機(jī)構(gòu)，其主要構(gòu)成包括:基體、壓電疊堆、電容位移傳感 器、=個壓力傳感器、T形杠桿式刀架、金剛石車刀等，其中壓電疊堆的驅(qū)動方向沿Z向，=個 壓力傳感器的測量方向均為Y向，壓電疊堆的驅(qū)動方向和壓力傳感器的測量方向垂直，所 W，壓電疊堆的驅(qū)動力不會干擾=個壓力傳感器的切削力的測量。并將其切削力測量系統(tǒng) 做了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，通過對切削力測量系統(tǒng)做動力學(xué)分析，可得出了 XYZS向切削力真值與 對應(yīng)的實(shí)測值的關(guān)系式，將所測的實(shí)測值代入關(guān)系式中，即求得出=向切削力真值。實(shí)現(xiàn)本 發(fā)明的方法及裝置具有切削力測量全面、準(zhǔn)確性較高、避免壓電疊堆驅(qū)動力對切削力測量 的干擾等優(yōu)點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明提供一種快速刀具伺服車削的=向切削力測量方法及裝置，W解決目前具 有切削力測量功能的快速刀具伺服裝置的不能同時測量=向切削力、所測量的切削力測量 值含有驅(qū)動力成分等問題。
[0006] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：
[0007] -種快速刀具伺服車削的S向切削力測量方法，包括下列步驟：
[0008] (1)將=個完全相同的壓力傳感器沿Y向立著安裝在快速刀具伺服機(jī)構(gòu)的微動平 臺上，其中壓力傳感器一和壓力傳感器二安裝在前端，壓力傳感器=安裝在微動平臺的內(nèi) 部，=個壓力傳感器成等腰=角形分布，壓力傳感器一和壓力傳感器二位于該等腰=角形 的底邊上，壓力傳感器=位于頂點(diǎn)；
[0009] (2)用T形杠桿式刀架壓緊運(yùn)=個壓力傳感器，金剛石車刀安裝在杠桿式刀架上， 并與杠桿式刀架緊密結(jié)合在一起，=個壓力傳感器、T形杠桿式刀架、金剛石車刀和微動平 臺共同組成快速刀具伺服機(jī)構(gòu)的切削力測量系統(tǒng)；
[0010] (3)將具有切削力測量系統(tǒng)的快速刀具伺服裝置安裝在車床的溜板上，車床主軸 帶動工件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，快速刀具伺服裝置驅(qū)動金剛石車刀對工件進(jìn)行往復(fù)切削，從而在金 剛石車刀上產(chǎn)生切削力Fe,其分力為Z向切削力真值Fcz、Y向切削力真值Fcy、X向切削力真值 Fcx ；
[0011] (4)金剛石車刀和T形杠桿式刀架的整體將在分力Fez的作用下繞Tez點(diǎn)振動，經(jīng)過 動力學(xué)分析，可求得Z向切削力測量值與Z向切削力真值Fcz的關(guān)系，其中Z向切削力測量值由 壓力傳感器=給出；
[0012] (5)金剛石車刀和T形杠桿式刀架的整體將在分力Fey的作用下繞Tey點(diǎn)振動，經(jīng)過 動力學(xué)分析，可求得Y向切削力測量值與Y向切削力真值Fcy的關(guān)系，其中Y向切削力測量值由 壓力傳感器一和壓力傳感器二給出；
[0013] (6)金剛石車刀和T形杠桿式刀架的整體將在分力Fex的作用下繞Tex點(diǎn)振動，經(jīng)過 動力學(xué)分析，采用差動算法，可求得X向切削力測量值與X向切削力真值Fcx的關(guān)系，其中X向 切削力測量值由壓力傳感器一和壓力傳感器二給出。
[0014] 本發(fā)明所述步驟(4)中動力學(xué)分析具體如下：
[001引設(shè)Fcz為Z向切削力真值，F(xiàn)cy為Y向切削力真值，F(xiàn)s3為壓力傳感器立的測量值，F(xiàn)p為Z 向壓電疊堆的驅(qū)動力，Mi為金剛石車刀與T形杠桿式刀架的整體在Fcz的作用下的運(yùn)動質(zhì)量， Ms為壓力傳感器的運(yùn)動質(zhì)量，Zsz(t)是壓力傳感器；在抗3作用下的壓縮量，Cl是金剛石車刀 緊定螺釘?shù)穆菟ㄟB接阻尼，Cs是壓力傳感器的阻尼，F(xiàn)pre和F'pre是金剛石車刀緊定螺釘?shù)念A(yù) 緊力，ki為金剛石車刀緊定螺釘?shù)穆菟ㄟB接剛度Ab為柔性轉(zhuǎn)臺的扭轉(zhuǎn)剛度，ks為壓力傳感 器的剛度，Tez點(diǎn)為金剛石車刀與T形杠桿式刀架的整體在Fez的作用下的扭轉(zhuǎn)點(diǎn)，位于單向 直圓型柔性較鏈一、單向直圓型柔性較鏈=和單向直圓型柔性較鏈四的扭轉(zhuǎn)處，Tw點(diǎn)為金 剛石車刀與T形杠桿式刀架的整體在Fcy的作用下的扭轉(zhuǎn)點(diǎn)，位于雙向直圓型柔性較鏈的扭 轉(zhuǎn)處，Oz點(diǎn)為金剛石車刀與T形杠桿式刀架的整體在Fez的作用下的運(yùn)動部分的質(zhì)屯、，La為Oz 點(diǎn)到Tcy點(diǎn)的Z向距罔，Lb為Oz點(diǎn)到Tcz點(diǎn)的Z向距罔，Lc為金剛石車刀的刀尖到Tcy點(diǎn)或Tcz點(diǎn)的Y 向距離，當(dāng)切削力測量系統(tǒng)受到Z向切削力真值的作用時，金剛石車刀與T形杠桿式刀架的 整體會繞Tcz點(diǎn)擺動，因?yàn)榻饎偸嚨毒o定螺釘距離Tcy點(diǎn)和Tcz點(diǎn)的距離相等，所W壓力傳感 器S所受的預(yù)緊力為l/2FVe，則測量Z向切削力所需的動力學(xué)方程為：
…
[0017] 其中:M'z為阻尼力扭矩，M"z為慣性力扭矩，
(Ia)
[0020] 壓力傳感器S的測量值Fs3為：
[0021] Fs3 = ksZsz(t) (2)
[0022] 由于壓電驅(qū)動的微動平臺是欠阻尼的，所WCi和Cs可W忽略，貝化CZ與壓力傳感器 S的測量值Fs3的關(guān)系為：
(3)
[0024]其中F" Z為慣性力：
(扣）。
[0026] 本發(fā)明所述步驟(5)中動力學(xué)分析具體如下：
[0027] 當(dāng)切削力測量系統(tǒng)受到Y(jié)向切削力真值的作用時，金剛石車刀、T形刀座及Y向運(yùn)動 塊組成的整體會在Y向直板型柔性較鏈的引導(dǎo)下繞Tcy點(diǎn)擺動，設(shè)Fcy為Y向切削力真值，F(xiàn)sy為 壓力傳感器一或壓力傳感器二對應(yīng)于Y向切削力的測量值，F(xiàn)sl為壓力傳感器一的總測量值， Fs2為壓力傳感器二的總測量值，M2為金剛石車刀與T形杠桿式刀架的整體在Fcy的作用下的 運(yùn)動質(zhì)量，Ms為壓力傳感器一或二的運(yùn)動質(zhì)量，Oy為金剛石車刀與T形杠桿式刀架的整體在 Fcy的作用下的運(yùn)動部分的質(zhì)屯、，Ld為Oy點(diǎn)到Tcy點(diǎn)的Z向距離，Le為Oy點(diǎn)到Tcz點(diǎn)的Z向距離，k2 是Y向直板型柔性較鏈的剛度，C2是Y向直板型柔性較鏈的阻尼，Oy距壓力傳感器一中屯、線的 Z向距離與距壓力傳感器二中屯、線的Z向距離相等，均為Lf,且整個切削力測量系統(tǒng)是對稱 的，所W壓力傳感器一與壓力傳感器二的壓縮量在Fcy的作用下相同，均為Zsy(t);
[0028] 測量Y向切削力需要的動力學(xué)方程為：
[0030]其中:M'y為阻尼力扭矩，M"y為慣性力扭矩， (4)
[0033]壓力傳感器一或壓力傳感器二的測量值Fsv為：
(5)
[00對同理，忽略阻尼力成分，將Fcy用Fsy表示為：
[0037]其中的慣性力F"y為：
[0039] 本發(fā)明所述步驟(6)中動力學(xué)分析具體如下：
[0040] X向的切削力真值采用差動算法來測得，設(shè)Fcx為X向切削力真值，且方向向左，則壓 力傳感器二受拉，壓力傳感器一受壓，且變形量相同，F(xiàn)sx為壓力傳感器一或壓力傳感器二對 應(yīng)于X向切削力的測量值，M3為金剛石車刀與T形杠桿式刀架的整體在Fcx的作用下的運(yùn)動質(zhì) 量，Tcx為金剛石車刀與T形杠桿式刀架的整體在Fcx的作用下的扭轉(zhuǎn)點(diǎn)，位于單向直圓型柔 性較鏈二的扭轉(zhuǎn)處，O