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安全可靠的现代机械加工自动化生产要求对切削过程和刀具状态进行实时监测，这样可及时识别由于刀具磨损或断裂而导致的切削条件恶化，以防止损坏工件或加工设备。

目前各类测量力、应变、振动、声发射和功率的传感器被用于切削过程和刀具的监测。一般而言，监测金属切屑分离过程中产生的力能够获得最有价值的信息。也就是说，要进行可靠的刀具磨损监测，必须精确地测量切削力。许多探测车床刀具磨损的研究表明，三向切削力分量的加权分析，远比只监测单个分力可靠。单向力监测通常只适用于监测碰撞和刀具断裂。即使是在这些场合，测量三向力无疑会提高监测可靠性。

基于测量三向切削力原理的压电式切削过程监测系统固有的长期稳定性，动态范围宽和频响高等优点，非常适合切削过程对监测系统的要求。然而，切削加工环境，现代精密加工过程对测量分辨率的高要求以及各种新式加工中心对监测系统可安装性的特殊要求，对现代切削监测系统提出了新的挑战。

1 现代切削加工监测系统

1. 内置式切削力传感器 多分量压电力传感器因其优异的刚性和小型化，已成功地用于车床来监测碰撞、断裂和磨损。新型内置式切削监测三向力传感器由于外壳气密，焊接电缆满足防护等级IP68和便于传感器安装和布线的电缆插接形式，更适合应用于严酷的工业生产环境。
   

   图1 内置式力传感器及其优异线性
   图2 用内置式力传感器监测车床加工过程
   (a)	(b)
   图3 高精度切削测力仪的设计
   图4 精密磨削的敏感棒的过程监测
   图5 多分量测力环
   图6 安装了测力环的监测主轴
   n=8000r/min,vc=2400mm/min 图7 铣削中心轴承测量主轴切削力的测量8mm钻头
   n=15000r/min,vc=3600mm/min 图8 钻削中心轴承测量主轴切削力的测量2mm钻头

   1. 设计原理 内置式多分量力传感器由一组精确安装在一个钢壳体内的石英晶片和内置微型电荷放大器组成。利用不同压电效应的晶片和晶轴的不同定位，一个力传感器可以同时测量三个力分量-轴向力(F_z)和两个正交剪切力(F_x和F_y)。依据传感器的安装位置和方向不同，相应的三向力与切削力(主切削力，切深抗力和进给抗力)的对应关系亦不同。因为垂直于传感器轴向的剪切力是通过摩擦力传递的。这意味着传感器必须在法线方向上预加载。多分量可靠监测的先决条件(线性好和交叉效应小)是传感器必须精密制造，保证载荷以最佳方式作用到敏感元件上。图1的线性标定曲线表明，新型内置式力传感器的线性极为优异。

      内置电荷放大器具有两个不同的测量范围，可通过外部信号控制来选择电荷放大器的放大倍数(1:5)。这为不同切削过程的监测提供了便利，因为不同的加工过程，比如粗加工和磨削，它们的加工力一般差异较大。

      
      

   2. 应用便利性 内置电荷放大器的力传感器具有标准化的外形尺寸(16mm高，25mm深，25mm宽)，使得不同传感器的互换安装相当便利。如果在车床设计时考虑传感器的安装槽，则为车床监测提供了便利接口。在现有车床上加工安装槽亦比较容易。利用一个双楔机构，可将传感器安装在结构的袋状凹槽或在两个机器部件之间(图2)，同时也提供了多分量传感器准确测量所需的预载荷。

   这类力传感器也可直接安装在部件连接处，比如车床拖板和刀架之间，或者主轴和磨床床身之间。在这些应用场合，传感器可以装在机床导轨的凹槽中，或者固定到一个中间安装板上。利用螺栓和传感器的环形安装孔，可将具有微凸安装表面的传感器预紧固定到机床部件上。

   多分量测力和分析可为车床碰撞，刀具断裂和磨损监测提供可靠的信息。特别是对于刀具的磨损监测，必须通过测量三向力来实现。要识别因刀具磨损而引起加工过程力的变化，对力传感器的质量要求较高。要求力传感器三个方向的灵敏度均匀，不同方向力分量之间的交叉效应小，同时要适于严酷加工条件。迄今的应用表明:新型内置式力传感器完全满足上述条件，是车床碰撞、刀具断裂和磨损监测的理想工具。

   
   

2. 高速精密切削过程的监测

   1. 高速精密切削测力系统的设计 高速精密切削过程由于加工力微小，转速高，要求监测系统具有很高的测量分辨率和固有频率，才能精确捕捉切削力峰值，获得可靠的监测结果。

      高精密切削测力计(图3a)采用了新型压电敏感材料和一种独特设计，主面板和两个翼板之间在铅垂方向上分别安装两个三向力传感器(图3b)，相对于两块翼板对称安装的传感器共用一个预载螺栓预紧。测力计通过两个翼板固定在机床工作台上。这种传感器对称推挽式的设计结构可完全补偿由于温度变化而引起的误差。实验室测量和工业应用表明:这种测力计受温度影响极小，比传统测力计的温度效应改善了15倍。由于设计巧妙，高精密切削测力计具有如下特点:

      • 测量阈值小(<2mN)可测量非常小的切削力，信号重复性强：

      • 完全没有漂移，单次测量可持续长达3min：

      • 温度误差小：

      • 刚度高即使在超载情况下，实际形变亦可忽略：

      • 固有频率高(5.5kHz)。

      
      

   2. 精密切削测力系统的监测应用 这种测力计由于其薄形设计，可简便地安装在各种机床上，适合于精密铣、车、磨削，晶片切割，硬材料的高精度车削等高速机加工和超精密机加工过程监测。图4表示的是这种高精密测力计用于硅敏感材料的磨削加工过程，根据切削力变化识别工件断裂，实时监测加工过程。

      由图4可见，此精密磨削过程的切削力很小，正常加工状态下的法向、切向和轴向切削力均小于0.1N，而工件断裂时轴向和法向切削力急剧增大，分别达到1.9N和0.8N。由此可实时识别出磨削过程中发生的工件断裂事件。

      
      

   
   

3. 现代加工中心测量主轴 由于加工中心结构复杂，工件尺寸大，特别是新式加工中心，几乎没有可能安装力传感器。通过专门制做一些内置力传感器的部件与主轴一起，构成所谓测量主轴来测量作用在主轴上的切削力，实现在加工中心上的切削过程监测。

   1. 多分量测力环—监测主轴 多分量测力环为内置若干个超薄型力传感器的环形架，传感器按测力方向对称安装见图5。图6显示的是一个在轴承后面安装了测力环的测量主轴。

      当传感器环正确安装在主轴结构上后，就可测量X，Y，Z三个方向的切削力。传感器环被固定在轴承法兰盘和外壳结构之间，因力传感器在测力环架上凸起，故作用在主轴和轴承上的力全部通过此测力环，以这种方式安装力传感器测力很灵敏。压电石英力传感器的高灵敏和高刚度特性使得主轴的静态和动态特性几乎不受影响。通过在后续仪器(电荷放大器)上选择测量范围，用同一个传感器环可以测量大小不同的切削力。将测量主轴获得的铣削信号与用台式测力计的测量结果比较，两者信号相当一致。

      
      

   2. 轴承测力环-监测主轴 为测量加工中心上的轴向切削力，采用内置力传感器的轴承测量环，将其安装在主轴前轴承(固定轴承)之间或后面。轴承测力环测量很敏感，精度较高。用旋转式切削测力计对轴承测力环的标定试验和部分铣削和钻削应用表明:轴承测量环的测量结果与旋转式切削测力计非常一致。图7和图8分别为铣削中心和钻削中心上用轴承测力环获得的切削测量结果。

   利用这种测量主轴，也可测量组装主轴时的轴承预紧力。还可识别影响主轴寿命的非正常载荷状态。

   
   

2 结论

现代切削加工要求可靠的过程测量和监测。针对各种切削加工过程监测而设计的不同的压电监测系统为这一领域的应用提供了有效手段。这些技术的深入研究和应用范围的开拓仍在进行，将为现代制造业的发展不断提供功能完善，性能可靠的测量手段。

文章来源：中国刀具信息网　　添加人：阿刀