一種壓電式深小孔鑽削測力裝置的製作方法

2023-11-10 11:35:52

專利名稱：一種壓電式深小孔鑽削測力裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於傳感測控技術領域，涉及一種壓電式深小孔鑽削測力裝置，特別涉及一種深 小孔鑽削加工過程中鑽削力及扭矩的檢測裝置。
背景技術：
鑽削加工過程是一種半封閉式的加工過程，對於深小孔的鑽削加工而言，這種封閉性尤 為突出。切削液無法到達切削區，切屑細小，容易產生堆積，排屑困難，形成封閉環境，使 切削區域局部溫度迅速升高，導致切削刃部分過熱燒損，引起鑽頭急劇磨損。通常採用的解 決辦法是定時的提鑽排屑，這勢必嚴重影響生產效率。近年來，隨著自動化、高效率、柔性 化在機械加工領域的飛速發展以及難加工材料的廣泛應用，上述問題顯得尤為突出。
在整個鑽削過程中，加工狀態惡化會導致鑽削力及扭矩急劇增大。根據加工狀態給鑽削 力及扭矩設置一個臨界值，若實測鑽削力及扭矩小於預置臨界值，則通過提高鑽削進給量來 提高鑽削效率；若實測鑽削力及扭矩大於臨界值，則減小進給量。鑽削到一定深度後，若檢 測到鑽削力及扭矩連續增大，此時減小進給量已不能使實測值小於臨界值，只要鑽削力及扭 矩實測值中有一項大於給定臨界值，就需退出鑽頭排屑。排屑後，鑽頭重新接近工件，繼續 鑽削。因此，在加工系統中設置鑽削測力裝置，適時監控加工狀態，有利於優化鑽削參數， 合理控制鑽削加工過程，降低零件廢品率，對改善深小孔加工質量和提高鑽削加工效率具有 重要意義。
目前，鑽削力及扭矩的測量方法有應變式和壓電式。應變式測力裝置當靈敏度高時，其 剛性較差，固有頻率較低，在周期性正負變化的徑向力作用下容易產生振動，當剛度高時， 其靈敏度較低，深小孔鑽削力測量精度差，此外，應變式測力裝置對應變片的粘貼位置要求 也較高；壓電式測力裝置具有剛度高、線性好、靈敏度高、遲滯小、固有頻率高等優點，非 常適用於各種動態力的測量，能夠實時準確地反映出鑽削力及扭矩的變化。以往的壓電式鑽 削測力儀雖然能夠實時檢測鑽削力及扭矩，但對於深小孔加工過程中的鑽削力測量，其靈敏 度相對較低，扭矩測量精度不高，因而本發明設計了一種專門用於深小孔加工的鑽削測力裝 置。

發明內容
本發明要解決的技術難題是克服現有傳感器對於深小孔加工過程中鑽削力測量時靈敏度 和固有頻率不能同時達到測量要求，扭矩測量精度不高等性能方面存在的缺欠，針對深小孔
加工的受力特點，結合石英晶體的壓電效應，提供了一種壓電式深小孔鑽削測力裝置。該壓電式深小孔鑽削測力裝置以一個由分割電極、完整電極以及石英晶片組成的傳感器為核心， 實現了對深小孔加工過程中鑽削力及扭矩的測量。
本發明採用的技術方案是該裝置由底座、上蓋、壓電石英傳感器、引線輸出插頭、引 線、大環形密封圈、小環形密封圈、三個連接螺釘、大防護墊以及小防護墊組成。夾在底座 與上蓋之間的壓電石英傳感器位於測力裝置的正中心，通過三個連接螺釘將底座、壓電石英 傳感器和上蓋剛性連接在一起，三個連接螺釘的頭部由大防護墊和小防護墊進行密封，底座 和上蓋之間由大環形密封圈和小環形密封圈進行密封，引線由引線輸出插頭引出。
底座為圓柱形階梯式結構。底座上表面為圓形平面，其上安裝壓電石英傳感器。底座下 表面為圓形平面，其上開有三個均勻分布的階梯孔，用於安裝三個連接螺釘，三個階梯孔以 0°線為基準線，其位置角度分別為0。 、 120° 、 240° ，在底座(1)的下圓柱面上開有均 勻分布的四個可調整安裝U形槽，四個可調整安裝U形槽以O。線為基準線，其位置角度分別 為0° 、 90° 、 270° 、 360° 。上蓋為圓柱式結構。上蓋上表面為圓形平面，其上均布八個 固定被測加工工件的工件固定螺紋孔，八個工件固定螺紋孔以0。線為基準線，其位置角度 分別為0。 、 45° 、 90° 、 135° 、 180° 、 225° 、 270° 、 315° 。上蓋下表面為環形平面， 其上開有小環形密封環槽和大環形密封環槽和三個均布的連接底座和上蓋的螺紋孔，三個螺 紋孔以0。 、 120° 、 240° ，三個連接螺釘分別通過底座上的三個階梯孔安裝到三個螺紋孔 中，上蓋下表面的中心開有安裝壓電石英傳感器的圓形孔槽。上蓋外圓柱面上開有引線輸出 孔和引線輸出插頭螺紋孔，它們的位置以0。線為基準線，其位置角度為157.5。。引線輸出 插頭安裝在引線輸出插頭螺紋孔中，引線由引線輸出插頭中引出。
壓電石英傳感器由兩對yx型單元晶組、兩對xy型單元晶組、六片扭矩測量引出信號的分 割電極、兩片軸向力測量引出信號的完整電極、四片接地完整電極、信號引出線和接地導線 構成。單元晶組自上而下依次為測量扭矩的兩對yx型單元晶組和測量軸向力的兩對xy型單元 晶組。每對單元晶組將兩片石英晶片對裝，即在電路上為並聯結構，信號通過夾在兩片石英 晶片間的電極引出。測量扭矩的兩對yx型單元晶組的四片石英晶片之間採用六片分割電極通 過扭矩正負信號弓1出線分別引出正負電荷。測量軸向力的每對xy型單元晶組的兩片石英晶片 之間各採用一片完整電極通過軸向力信號引出線引出負電荷。兩對yx型單元晶組疊加後的上 下兩面與每對xy型單元晶組的上下兩面採用四片接地完整電極通過接地導線連接起來。
本發明的有益效果是本發明利用壓電石英力傳感器對深小孔加工過程中的鑽削力及扭矩 進行實時檢測，有利於實現加工過程的自動控制，優化加工參數，提高加工效率，改善加工 質量。傳感器由分割電極、完整電極以及石英晶片組成，採用石英晶體多片組合的方法來提高靈敏度，且只需一個傳感器，具有結構簡單，靈敏度高，線性度、重複性好，測量精度高 的良好特性。


圖l為壓電式深小孔鑽削測力裝置三維圖。圖2為測力裝置裝配圖的俯視圖。圖3為圖2的A-A剖視圖。圖4為測力裝置底座的俯視圖。圖5為圖4的B-B剖視圖。圖6為測力裝置上蓋的俯視圖。圖7為圖6的C-C剖視圖。圖8為壓電石英傳感器的三維圖。圖9為壓電石英傳感器的俯視圖。圖中l底座；2上蓋；3壓電石英傳感器；4引線輸出插頭；5引線；6大環形密封圈；7 小環形密封圈；8連接螺釘；9大防護墊；IO小防護墊。a底座上表面；b底座下表面；C階梯孔；d可調整安裝U形槽；e上蓋上表面；f固定工件 螺紋孔；g引線輸出？L; h引線輸出插頭螺紋孔；i上蓋下表面；j圓形孔槽；k小圓形密封槽;m大圓形密封槽；n連接底座和上蓋的螺紋孔；o測量扭矩的2對yx型單元晶組；o'測量軸 向力的2對xy型單元晶組；p軸向力信號引出線；q接地導線；rl扭矩負信號引出線；r2扭矩 正信號引出線；sl測量扭矩時引出負信號的分割電極；s2測量扭矩時引出正信號的分割電極;S3測量扭矩時引出負信號的分割電極；tl測量扭矩時引出正信號的分割電極；t2測量扭矩 時引出負信號的分割電極；t3測量扭矩時引出正信號的分割電極；U接地完整電極；V測量軸向力時引出負信號的完整電極。
具體實施方式
結合附圖和技術方案詳細說明本發明的具體實施方式
。如附圖l-8所示，裝配時，首先將壓電石英傳感器3裝到底座上表面a上，然後，蓋上上 蓋2，使壓電石英傳感器3裝在上蓋2的圓形孔槽j中，用三個連接螺釘8分別通過三個階梯孔c 和三個螺紋孔n將底座l、上蓋2與壓電石英傳感器3剛性連接在一起，同時三個連接螺釘8對 壓電石英傳感器3進行預緊，以獲得足夠的預緊力。測量時，用四個螺釘分別通過可調整安 裝U形槽d將壓電式深小孔鑽削測力裝置固定到一個基座上，用八個螺釘通過固定工件螺紋孔 f將被測加工工件固定到測力裝置上。靠整個殼體將力作用到壓電石英傳感器3下面兩組具有縱向效應的 xy型單元晶組O'上，單元晶組的石英晶體表面產生相應的電荷，電荷傳遞到夾在石英晶片間 的兩片完整電極v上，通過軸向力信號引出線P將電荷串聯疊加後引出；當扭矩作用到測力裝 置上時，依靠壓電石英傳感器3與底座上表面a以及圓形孔槽j的頂面之間的摩擦力，將扭矩 作用到壓電石英傳感器3的上面兩組具有剪切效應的yx型單元晶組o上，兩組單元晶組的石英 晶體表面產生相應的電荷，電荷傳遞到夾在兩片石英晶片間的六片分割電極sl、 s2、 s3、 tl 、t2、 t3上，每兩片石英晶片之間的兩個分割電極上的電荷大小相等，符號相反，即分割電 極sl、 s2、 s3、 tl、 t2、 t3上的電荷大小相等，分割電極sl、 s3、 t2上的電荷為負電荷，分 割電極s2、 tl、 t3上的電荷為正電荷，分割電極sl、 s3、 t2上的負電荷通過扭矩負信號引出 線rl串聯疊加後引出，分割電極s2、 tl、 t3上的正電荷通過扭矩正信號引出線r2串聯疊加後 引出，將引出後的正負電荷相減。將輸出電荷通過電荷放大器進行放大，並轉換成電壓信號輸出，經過A/D數據採集卡將 模擬信號變成計算機接受的數位訊號，輸入計算機，經計算機採集、處理、運算後得出所測 扭矩及軸向力的大小，最後由終端顯示、存儲、分析、記錄、列印等。本發明一種壓電式深小孔鑽削測力裝置可以對深小孔加工過程中的鑽削力及扭矩進行測 量，能夠實時的反映出各種加工狀態下進給力和扭矩的變化，具有靈敏度高，線性度、重複 性好，測量精度高的良好特性。
權利要求
1.一種壓電式深小孔鑽削測力裝置，其特徵在於，測力裝置由底座(1)、上蓋(2)、壓電石英傳感器(3)、引線輸出插頭(4)、引線(5)、大環形密封圈(6)、小環形密封圈(7)、三個連接螺釘(8)、大防護墊(9)以及小防護墊(10)組成，夾在底座(1)與上蓋(2)之間的壓電石英傳感器(3)位於測力裝置的正中心，通過三個連接螺釘(8)將底座(1)、壓電石英傳感器(3)和上蓋(2)剛性連接在一起，三個連接螺釘(8)的頭部由大防護墊(9)和小防護墊(10)進行密封，底座(1)和上蓋(2)之間由大環形密封圈(6)和小環形密封圈(7)進行密封，引線(5)由引線輸出插頭(4)引出；底座(1)為圓柱形階梯式結構，底座上表面(a)為圓形平面，其上安裝壓電石英傳感器(3)，底座下表面(b)為圓形平面，其上開有三個均勻分布的階梯孔(c)，用於安裝三個連接螺釘(8)，在底座(1)的下圓柱面上開有均勻分布的四個可調整安裝U形槽(d)；上蓋(2)為圓柱式結構，上蓋上表面(e)為圓形平面，其上均布八個固定被測加工工件的工件固定螺紋孔(f)，上蓋下表面(i)為環形平面，其上開有小環形密封環槽(k)和大環形密封環槽(m)和三個均布的連接底座和上蓋的螺紋孔(n)，三個連接螺釘(8)分別通過底座(l)上的三個階梯孔(c)安裝到三個螺紋孔(n)中，上蓋下表面(i)的中心開有安裝壓電石英傳感器的圓形孔槽(j)，上蓋外圓柱面上開有引線輸出孔(g)和引線輸出插頭螺紋孔(h)，引線輸出插頭(4)安裝在引線輸出插頭螺紋孔(h)中，引線(5)由引線輸出插頭(4)中引出；壓電石英傳感器(3)由兩對yx型單元晶組(o)、兩對xy型單元晶組(o』)、六片扭矩測量引出信號的分割電極(s1、s2、s3、t1、t2、t3)、兩片軸向力測量引出信號的完整電極(v)、四片接地完整電極(u)、信號引出線(p、r1、r2)和接地導線(q)構成。單元晶組自上而下依次為測量扭矩的兩對yx型單元晶組(o)和測量軸向力的兩對xy型單元晶組(o』)，每對單元晶組將兩片石英晶片對裝，即在電路上為並聯結構，信號通過夾在兩片石英晶片間的電極片引出；測量扭矩的兩對yx型單元晶組(o)的四片石英晶片之間採用六片分割電極(s1、s2、s3、t1、t2、t3)通過扭矩正負信號引出線(r1、r2)分別引出正負電荷；測量軸向力的每對xy型單元晶組(o』)的兩片石英晶片之間各採用一片完整電極(v)通過軸向力信號引出線(p)引出負電荷；兩對yx型單元晶組(o)疊加後的上下兩面與每對xy型單元晶組(o』)的上下兩面採用四片接地完整電極(u)通過接地導線(q)連接起來。
2.根據權利要求l所述的一種壓電式深小孔鑽削測力裝置，其特徵還 在於根據權利要求l所述的一種壓電式深小孔鑽削測力裝置，其特徵還在於底座下表面 (b)上的三個階梯孔(c)以0°線為基準線，其位置角度分別為0。 、 120° 、 240° ，底座 (1)下圓柱面上的四個可調整安裝U形槽(d)以0°線為基準線，其位置角度分別為O。、 90° 、 270° 、 360° ;上蓋上表面(e)上的八個工件固定螺紋孔(f)以線為基準線，其位 置角度分別為O。 、 45° 、 90° 、 135° 、 180° 、 225° 、 270° 、 315° ，上蓋下表面(i) 上的三個連接底座和上蓋的螺紋孔(n)以0°線為基準線，其位置角度分別為O。 、 120° 、 240° ，上蓋(2)外圓柱面上的引線輸出孔(g)和引線輸出插頭螺紋孔(h)以0°線為基 準線，其位置角度為157.5。。
全文摘要
本發明公開了一種壓電式深小孔鑽削測力裝置，屬於傳感測控技術領域，特別涉及深小孔鑽削加工過程中鑽削力及扭矩的檢測裝置。其特徵是該裝置由底座、上蓋、壓電石英傳感器、引線輸出插頭、引線、密封圈、連接螺釘以及防護墊組成；夾在底座與上蓋之間的壓電石英傳感器位於測力裝置的正中心。壓電石英傳感器由分割電極、完整電極以及石英晶片組成。採用石英晶體多片組合的方法來提高靈敏度；只需一個傳感器，具有結構簡單，靈敏度高，線性度、重複性好，測量精度高的良好特性。此壓電式深小孔鑽削測力裝置能夠對深小孔加工過程中的鑽削力及扭矩進行實時檢測。
文檔編號G01L5/10GK101650243SQ20091030444
公開日2010年2月17日 申請日期2009年7月16日 優先權日2009年7月16日
發明者軍 張, 勤 邢, 敏 錢 申請人:大連理工大學