切削力測量技術現狀及其發展趨勢分析

摘 要：分析了目前切削力測量技術的現狀及存在問題，根據現代切削加工高速、高精度和強力切削的特點，提出了切削力測量技術新的要求及發展趨勢。

關鍵詞：切削力；測量技術；現狀；發展趨勢

1 切削力測量技術現狀分析

切削力測量系統一般由三部分構成：由測力儀、數據采集系統和PC機三部分組成，如圖1所示。測力儀（測力傳感器）通常安裝在刀架（車削）或機床工作臺上（銑削），負責拾取切削力信號，將力信號轉換為弱電信號；數據采集系統對此弱電信號進行調理和采集，使其變為可用的數字信號；PC機通過一定的軟件平臺，將切削力信號顯示出來，并對其進行數據處理和分析。

1.1 切削測力儀

1.1.1 應變式測力儀

應變式測力儀由彈性元件、電阻應變片及相應的測量轉換電路組成，其工作原理如圖2所示。把電阻應變片貼在彈性元件表面，并連接成某種形式的電橋電路，當彈性元件受到力的作用而產生變形時，電阻應變片便隨之產生變形，從而引起其電阻阻值的變化ΔR，即

應變片電阻值的變化ΔR造成電橋不平衡，使電橋輸出發生變化ΔU，通過標定建立輸出電壓與力之間的關系。使用時根據輸出電壓反算切削力的大小。

應變式測力具有靈活性大、適應性廣、性能穩定等優點，而且配套儀表（如靜態應變儀、動態應變儀等已標準化，因而得到廣泛應用。但是其測量原理決定了測量精度和動態特性主要取決于彈性元件的結構，如何有效解決靈敏度和剛度之間的矛盾，是提高應變式測力儀測量精度和動態特性的關鍵。

1.1.2 壓電式測力儀

壓電式測力儀是以壓電晶體為力傳感元件的切削測力儀，當石英晶體在外力作用下發生變形時，在它的某些表面上出現異號極化電荷。這種沒有電場的作用、只是由于應變或應力在晶體內產生電極化的現象稱為壓電效應。通過測量產生電荷量即可以達到測量切削力的目的。

從動態測力的觀點出發，壓電式測力儀是一種比較理想的測力傳感器，具有靈敏度高、受力變形小等優點。然而壓電式測力傳感器仍然存在一系列缺點：如由于電荷泄漏而不能測試靜態力、固有頻率的提高受裝配接觸剛度的限制、維護極不方便、價格昂貴，因此在使用上受到很大的限制。

1.1.3 電流式測力儀

直接使用測力儀測量切削力有其局限性：①安裝測力儀時，工藝系統結構遭到破壞從而導致其剛度發生變化，采集不到精確的切削力力信號；②測力儀的安裝、調試技術復雜；③測試設備花費較高；④測力儀測試系統可靠性較低。

文獻［4］提供了一種間接測量切削力的方法，即電流式測力儀，其測量原理是：切削力的變化會引起主軸電機電流的變化，通過測量主軸電機電流來估計切削力的大小。因機床主軸電機電流的測量比較容易和簡單，所以這是一種經濟而又簡便的方法。

電流式測力儀的局限性體現在兩個方面：①把主傳動系統的運動學模型看作是一個線性模型，所以加工過程中的非線性因素會在一定程度上降低測量精度；②當切削力發生變化時，相應的主軸電流信號有一定的滯后現象，無法滿足對切削力進行實時監測的較高要求。

1.2 數據采集系統

如圖3所示，數據采集系統通過一定的電子線路，對測力儀的輸出信號進行放大、濾波等處理后，將其進行A/D轉換，變為計算機的可用信號，再通過接口電路與PC機進行數據傳輸。

目前大多數切削力數據采集系統由放大器、濾波器、數據采集卡等分立元器件組成，體積較大，系統穩定性不高，測量精度和實時性也漸漸滿足不了現代測力系統的要求。

1.3 數據顯示和分析處理

早期的數據顯示和分析處理單元由指示儀表、示波器和記錄儀等組成，其數據顯示和分析處理功能都是很有限的。隨著計算機技術的快速發展，目前數據顯示和分析處理單元基本上被計算機終端所代替，顯示功能更加豐富和強大，但軟件的功能僅局限于數據擬合、圖表顯示和輸出等，對測力儀各向力之間的耦合沒有進行有效的處理，從一定程度上影響了測力精度。

2 切削力測量技術的發展趨勢

現代切削加工正在向高速強力切削、精密超精密加工方向發展，機床的振動頻率也會遠遠高于系統的固有頻率，這對切削力測量系統提出了新的要求：①測量范圍大、高精度和高分辨率；②實時性好，能夠在線實時測量；③數據處理和分析能力強，能夠對復雜多變的切削力信號進行各種處理和分析。

針對這些方面的要求，切削力測量技術將朝著以下幾方面發展：

（1）開發新型彈性元件，優化彈性元件結構及應變片布片方案，提高應變式測力儀固有頻率，有效解決應變式測力儀剛度和靈敏度之間的矛盾問題，降低各向力之間的耦合程度；

（2）應用集成電路和微電子技術，使數據采集系統集成化，提高數據采集的速度與精度；

（3）完善數據處理分析軟件的功能，例如通過解耦運算進一步減小測力儀各向力之間的耦合程度，以提高測量精度；將虛擬儀器技術引入切削力測試系統，以便對測量數據進行多種操作和數據庫管理；建立專家系統，通過對測試數據的分析處理，對刀具磨損、切削顫振等情況做出預報并提出相應的治理措施。

參考文獻

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