应变式切削测力系统动态特性的研究

　　1　引言

　　切削力信号是由静态分量和动态分量两部分组成,其中静态分量可以理解为切削力的平均值,动态分量则包含了比较多的频率成分。所以,测量切削力需要高静、动态性能的切削测力仪。静态力比较容易测量。要准确测量动态力,则要求测力仪具有良好的动态性能,衡量测力仪动态性能的主要指标是固有频率。机械加工中切削力动态分量的频率范围一般为0～1.5 kHz[1],所以切削测力仪的固有频率最好大于4 kHz,这样才能准确测量出动态切削力。

　　随着对高性能(特别是高动态性能)切削测力仪的需求,现在人们将研究的重点集中在电阻应变式和压电晶体式测力仪上。应变式测力仪的测力原理是:在切削力作用下,测力仪的弹性元件发生弹性变形(非弹性元件则要求产生极小的变形),粘贴在弹性元件表面的应变片随之伸长或缩短,从而在测量电桥上形成电位差,电位差很小,需要经过应变仪放大,从应变仪输出的电压或电流才是可用的信号。图1—1是切削力测量系统的简图,动态切削力要经过若干环节才变成可用的信号,所以说动态力的测量不只是受测力仪本身的影响。严格地说,测力系统本身并非严格的比例环节而是振荡环节,所测的信号只是系统本身对动态切削力的响应,而不是发生在切削区的实际切削力。因为测力原理中这种响应特性的存在,所以要求我们掌握其中的规律,从而使测力系统的输出和实际切削力尽量相符。本文将讨论应变式测力系统的动态特性。

　　2　切削测力仪动态性能的实验研究

　　这里先讨论测力系统的中心环节——测力仪本身的动态特性。测力仪的动态指标主要有两个:固有频率和阻尼比。为了方便实验,笔者设计了一个简易测力仪,其结构见图2—2,这个测力仪的弹性元件是一个薄壁圆筒,这种弹性元件的主要特点是在保证灵敏度的前提下,可获得很高的固有频率。弹性元件上只粘贴了测量x方向力的应变片。

　　2.1　弹性元件的动态响应特性

　　本文采用锤击脉冲响应法测量弹性元件的动态指标。实验原理见图2—2,锤击测力仪上端产生一个力脉冲,由于弹性元件是整个测力仪中最薄弱的部位,所以变形主要发生在弹性元件上。粘附在测力仪上的压电晶体式加速度传感器(YD8)测量出弹性元件对力脉冲的瞬态响应,信号经过电荷放大后进入FFT动态分析仪(CF920)。图2—3是动态分析仪记录下的弹性元件x方向时域与频域内瞬态脉冲响应曲线。从图中可以读出弹性元件的固有频率为6 250 Hz。值得说明的是,在薄壁圆筒直径较小、壁厚较薄的情况下能获得如此高的固有频率原因在于测力仪上端是中空的,等效质量非常小。