文 献 综 述

1.课题的意义

切削力的研究是机床设计的理论基础，但是目前一直是处于间接测量与类比推导的阶段上，而本实验室所开发的具有国内一流水平的数控铣齿机，在切削性能上处于领先水平，但是在动态刚度、切削力测量等方面无法与成就匹配，目前研究处于初期水平，还无法确切了解加工中的切削力变化水平，因此核心技术的提高没有方向；同时，该工艺加工过程中，承受断续切削力，刀具的损耗比较大，了解其动态，可指导改进刀具的设计，降低企业成本，提高机床寿命。

切削加工过程中，以切削力作为一项重要的直接测试对象进行分析和监测的可行性，已经成为从事机械加工与研究领域人们的共识[1]。无论是传统的机械加工方式还是新兴的特种加工方式，特别是新兴刀具材料，刀具参数的不断出现，以及新型加工机床性能的不断提高，特别是基于现代制造方法的自动化程度很高的加工方式的出现，使得以往通过大量切削试验得到的基于刀具材料，工件材料和当时特定机床的切削数据已经很不适用，只能作为参考，因此采用合理的试验手段和测量方式的研究和很值得探讨。

综上所述，以切削力为监控对象的测试研究是十分必要的，基于设备配备具有一定通用性的监测监控系统很有必要[2]。于是笔者在陈捷导师的指导下，尝试设计一种基于虚拟仪器的切削力测试系统，此种系统的设计理论上不仅能很好地很好的解决传统加工中切削数据不适用于现代加工技术的提高的不足，而且对于本实验室所开发的数控铣齿机的动态刚度、切削力测量技术的提高等方面有非常大的帮助，能够为本实验的数控铣齿机的综合性能的提高做出贡献。

2.该领域的研究进展情况

2.1目前国内外的研究情况

从切削力测力仪的发展来看，大致可以分为三个阶段^[3]，第一阶段是将力转换为其它物理量的探索阶段，第二阶段是静态分力测试研究阶段，在各种实际加工条件下正确测出静态切削力3个分力，作为这个时代代表的电阻应变测力仪得到进一步完善。第三阶段是动态力的测试与研究阶段，这是最近十几年由于国防工程和机械加工动态测试的需要，同时也因为近代测试技术的发展提供了可能性而发展起来的，作为这个阶段的代表就是压电式切削力测力仪。^[4]

以压电石英晶体作为力传感元件的测力仪，远在第二次世界大战就有了，由于这些测力仪没有很好地解决静电荷的泄露问题，不能测量静态和静态阻力，所以没有实际价值，致使压电测力仪此后多年一直处于停滞状态。由于高阻抗电荷放大器的出现，解决了静电荷泄露这个关键问题，使这种测力仪的发展和应用才有了新的突破。1963年德国阿亨工业大学首先研制成功采用三向压电石英力传感器的三向车削测力仪。此外瑞士苏黎世联邦工业大学对压电测力仪进行了基础理论的研究，并与瑞士Kistler公司协作研制成功具有优良性能的压电石英传感器系列和车削、钻削、铣削测力仪及多分量测力平台，电荷放大器等等，从而完成了压电测试系统所需要成套设备，开辟了压电测试的新局面。此后各种形式的压电测量仪相继出现了，如意大利都灵工业大学研制出用4个单向力传感器研制成的高刚度、高灵敏度三向车削测力仪，它已被作为反馈传感元件应用在机床自适应控制系统中：加拿大蒙特利尔S.G.W大学利用压电测力仪配合计算机对切削力稳控态随机特征进行了较深入的研究；日本山本明等将压电元件直接安放在刀片下方，从而可以测得刀尖处切削瞬态变化，可以用来研究切削形成过程中由于金属剪切滑移而引起的微笑波动力。

我国研究和使用压电切削力测力仪比较晚些，1977年大连工学院首先开始研制压电切削测力仪，孙宝元教授等人先后研制成功单向、双向、三向压电石英力传感器和各种类型的测力仪。此外，华北电力大学研制出了切削力测量虚拟仪器，实现了切削力的数据采集，显示和存储等功能，实现了在线监测功能。

目前国内外常用的测力仪主要有以下几种形式：1）应变式测力仪 2)压阻式测力仪 3)压磁式测力仪 4)压电式测力仪^[5]

此外国内外许多大学都在尝试将虚拟仪器应用到实验教学和计算辅助教学中，美国的Gematics和Goldsmith公司等利用虚拟仪器开发工具，研制开发除了农业自动化灌溉系统和秧苗分析系统：清华大学利用虚拟仪器技术构建汽车发动机检测系统，用于汽车发动机出厂前的自动检验；虚拟仪器已在超大规模集成电路测试、现代家用电气测试、电子组件/电力电子器件测试以及军事、航天、生物医学、工厂测试、电工技术领域等可移动现场测试工作中得到应用，且应用领域还将不断拓宽，华南理工大学机械工程学院开打了圆度误差测力仪，能根据测得的信号直接计算出圆度误差，并将结果显示出来；在加工表面的粗糙度的测量方面，设计者利用现有的触针式轮廓仪与虚拟仪器技术相结合，在计算机上开发了新型的虚拟仪器表面粗糙度测量系统，实现了粗糙度测量评定一体化，并能实时记录表面粗糙度轮廓曲线、存储测量数据，具有良好的性能价格比；在本课题开发设计方面，南昌工业学院机械工程系开发设计了切削力和切削温度测量虚拟仪器，实现了切削力和切削温度的数据采集、显示和存储等功能，实现了在线监控功能^[6]。

2.2切削力监测的六分力传感器

Sheng A. Liu , Hung L. Tz^[7]提出了一种新型的具有优越的测量各向同性和敏感性的六维力传感器，Jin Zhenlina,#8727;, Gao Fengb, Zhang Xiaohuia^[8]独特的提出了一种新的并行架构，基于Stewart平台的机器人六维力/力矩传感器，张立辉 李君兴^[9]设计了电阻应变式拉（压）力传感器进行测量六分力（切削力），Yakup Turgut* and Ihsan Korkut^[10]设计高容量三分量测力计，王辉^[11]提出了八角环形电阻式三向测力仪，张景文, 梁大开, 徐明辉^[12]提出了一种新型的数字式提出了一种测力系统的设计方案, 该系统以单片机作为中心控制单元, 利用了石英谐振器力- 频特性, 采用了多周期同步法测频、数字滤波等技术,得到了高精度、高稳定性和响应快速的力传感数据,而早在1987年，我们国内，河海大学工程力学实验室就已经成功研制了六分力传感器^[13] ，目前世界最先进的要数瑞士奇士乐9255B六分力测量装置。而这也是笔者本次毕业设计实验所需使用的测力计。