【摘 要】
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在快速刀具伺服（Fast tool servo,FTS）上集成力测量功能,可感知切削过程刀具与工件交互作用信息。本文将双端固定石英音叉作为力敏感单元,设计了具有力感知能力的FTS,可实现FTS加工过程切削力测量的目的。基于双端固定石英音叉的谐振频率与其轴向受力近似线性相关的测力原理,提出了将基于石英音叉的谐振式力传感单元集成到FTS上,通过合理布置石英音叉位置,实现三轴切削力的鲁棒性测量。基于弹性
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（No.51705254）微纳结构光学表面快速力伺服切削新方法；
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在快速刀具伺服（Fast tool servo,FTS）上集成力测量功能,可感知切削过程刀具与工件交互作用信息。本文将双端固定石英音叉作为力敏感单元,设计了具有力感知能力的FTS,可实现FTS加工过程切削力测量的目的。基于双端固定石英音叉的谐振频率与其轴向受力近似线性相关的测力原理,提出了将基于石英音叉的谐振式力传感单元集成到FTS上,通过合理布置石英音叉位置,实现三轴切削力的鲁棒性测量。基于弹性梁理论与柔度矩阵法对力感知FTS的力感知单元进行了力-频解析建模,从石英音叉和FTS本体两者强度约束的角度,理论解析了力感知FTS的测力量程,解析结果与有限元分析进行对比验证,获得了10%以内的建模误差,论证了解析模型的准确性。提出了一种基于多目标分步优化的力感知FTS关键结构参数最优确定方法,以权衡大行程-高固有频率和高测力分辨率-高输出刚度分别构建了优化目标函数,运用差分进化算法分两步对力感知FTS进行了优化设计。以优化后的参数加工出样机来进行实验验证,测得力感知FTS的行程为9.25μm,固有频率为4307 Hz,运动分辨率为8 nm。实验测得的主切削力、进给力和背吃刀力方向对应的灵敏度依次为42.935 Hz/N、33.791 Hz/N和3.621 Hz/N,力感知FTS与奇石乐力传感器所测的力具有很好的一致性,验证了所制作力传感FTS的力感知准确性。最后,通过恒切深和正弦切深划痕实验验证了所设计力感知FTS对切削过程力的感知能力。实验结果表面:在切深为0.925μm和1.85μm时,主切削力分别为3 N和5 N,背吃刀力为0.5 N和0.6 N。
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