本发明涉及机械加工技术领域，尤其是涉及一种快刀伺服技术的复合式智能检测方法及切削装置。
背景技术：
产品在进行加工时，需要采用各种加工技术以方便成型为需要的成品，快刀伺服机构使用高频切削，是加工技术领域中切削效率和切削精度最高的。目前大部分快刀伺服技术仅采用位移传感器反馈切削量且无法反馈切削力，在刀头磨损后切削精度会下降。针对这种情况，日本学者进行了改进，即增加了用力传感器刀头切削力并反馈，可以检测刀头磨损。但该改进的快刀伺服技术通过力传感器直接检测切削反馈的力，其力传感器的读数包含机构惯性力成分，受到机构惯性力的影响，无法反馈真实切削力的大小，因此快刀伺服技术精度仍可以提高。
日本专利jp4528937b2中将力传感器放置在切削装置的末端，测得的检测切削力f包含了实际切削力f1以及惯性力f2，由于力传感器位于切削装置末端，导致惯性力f2较大，刀头切削力受惯性力影响较大，从而导致刀头切削力f不能精确反应实际切削力f1的数值。
中国专利cn101456142a公开的切削装置中力传感器放置在靠近刀头的位置，虽然减少了惯性力f2对力传感器读数的影响，但是因为无法检测惯性力f2数值，仍然无法消除惯性力f2的影响，无法得到精确的实际切削力f1的数值。
上述两种方式根据刀头位置的振动频率、振动位移和质量等参数结合力传感器读数采用查表法估算实际切削力，无法精确反馈且也无法在线实时反馈实际切削力；同时，现有快刀伺服技术用位移传感器反馈切削量，位移传感器的安装需要高精度夹具及复杂调试，而在微米级刀具进给量的情况下，用于位移传感器夹持相关配合零部件加工精度要求很高，导致加工成本高，并且位移传感器的初始安装位置需要校准，校准难度较大。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种快刀伺服技术的复合式智能检测方法及切削装置，能够通过运算去除惯性力的影响，实现实时在线反馈实际切削力，同时采用加速度传感器进行刀具进给量的测算，不再需要高精度的校准。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种复合式智能检测方法，用于检测快刀伺服切削装置的切削力及刀具切削进给量，该方法的步骤为，
s1、检测刀头切削力，通过切削装置内的力传感器直接获取；
s2、检测加速度，通过切削装置内设置的加速度传感器获取加速度；
s3、计算惯性力，获取力传感器上的运动质量，通过公式1计算惯性力，
f2＝m×a公式1；
其中，f2为惯性力，m为运动质量，a为加速度；
s4、计算实际切削力，通过公式2计算，
f1＝f-f2公式2；
其中，f为刀头切削力，f1为实际切削力，f2为惯性力；
s5、计算刀具进给量，通过对加速度进行积分运算得到刀具进给量。
进一步具体的，所述运动质量为设置于力传感器与被切削物之间并直接以及间接作用于力传感器上的物体质量之和。
一种基于上述方法的切削装置，包括环形基座、设置于环形基座一端的刀头组件以及固定于环形基座内部并与刀头组件相抵的环形压电促动器，所述的刀头组件包括固定于环形基座端部的柔性铰链、固定于柔性铰链上的加速度传感器、固定于柔性铰链上的力传感器以及设置于力传感器上的刀头，所述的环形压电促动器抵靠在柔性铰链上，所述的力传感器检测到刀头所承受的力并进行反馈，所述的加速度传感器检测柔性铰链上的加速度并进行反馈并得到惯性力、实际切削力以及刀具进给量。
进一步具体的，所述的柔性铰链呈圆形包括位于圆周上的固定部、位于中间的工作部以及连接固定部与工作部的弹性部，所述的固定部与环形基座固定连接，所述的力传感器、刀头以及加速度传感器固定于工作部上，所述的环形压电促动器抵靠在工作部上。
进一步具体的，在所述的刀头与力传感器之间设置盖板，所述的刀头固定于盖板上，所述的盖板通过螺钉穿过盖板及力传感器固定于柔性铰链的工作部上。
进一步具体的，在所述的工作部靠近力传感器的端面上开设第一定位槽，在所述的盖板靠近力传感器的端面上开设第二定位槽，所述的第一定位槽与第二定位槽相对，所述的力传感器设置于第一定位槽与第二定位槽内。
进一步具体的，所述的盖板包括用于固定刀头的顶板以及从顶板两侧向柔性铰链伸出的挡板，所述的挡板遮盖工作部；在所述的挡板的端部设置环形凹槽，在所述的环形凹槽内放置密封圈。
进一步具体的，在所述的工作部远离力传感器的端面开设第三定位槽，所述的环形压电促动器的端部卡设在第三定位槽内。
进一步具体的，所述的加速度传感器设置于柔性铰链远离力传感器的端面上，并位于柔性铰链的中心位置。
本发明的有益效果是：刀头切削力f通过力传感器实时检测得到，惯性力f2通过加速度传感器实时检测和计算得到的，实际切削力f通过f-f2实时计算得到，同时刀具进给量可以通过对加速度传感器检测的加速度进行积分实时计算得到。使用加速度传感器的优点在于其精度高、结构简单和价格低廉相对较低，在确保检测精度的前提下，可以降低装置的装配难度和成本。
附图说明
图1是本发明检测方法的流程图；
图2是本发明切削装置的结构示意图；
图3是本发明柔性铰链的结构示意图；
图4是本发明盖板的结构示意图。
图中：1、加速度传感器；2、环形压电促动器；3、柔性铰链；4、力传感器；5、盖板；6、刀头；7、环形基座；31、固定板；32、工作部；33、弹性部；34、第一定位槽；35、第三定位槽；51、顶板；52、挡板；53、第二定位槽；54、环形凹槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1与图2所示一种复合式智能检测方法，用于检测快刀伺服切削装置的切削力及刀具切削进给量，该方法的步骤为，
s1、检测刀头切削力，通过切削装置内的力传感器4直接获取，力传感器4安装于切削装置内部，安装位置需要力传感器4能够接收到从刀头6传递的反作用力，检测到的反作用力即为刀头切削力f，而得到的刀头切削力f是由实际切削力f1与惯性力f2累加得到，故需要得到实际切削力f1，需要得到惯性力f2。
s2、检测加速度，通过切削装置内设置的加速度传感器1获取加速度。
s3、计算惯性力，获取力传感器4上的运动质量，通过公式1计算惯性力f2，
f2＝m×a公式1；
其中，f2为惯性力，m为运动质量，a为加速度；加速度a通过步骤s2中的加速度传感器1得到，运动质量在切削装置成型后可以直接得到，故运动质量为一固定值；
所述运动质量为设置于力传感器4与被切削物之间并直接以及间接作用于力传感器4上的物体质量之和，例如刀头6、固定刀头6用的盖板5以及螺钉等物体直接固定于力传感器4上或者通过间接固定的方式固定于力传感器4上，直接固定为盖板5等物体通过螺钉直接固定于力传感器4上，间接固定为刀头6等物品固定于盖板5而盖板5固定于力传感器4上。
s4、计算实际切削力，通过公式2计算，
f1＝f-f2公式2；
其中，f为刀头切削力，f1为实际切削力，f2为惯性力；
通过上述三个步骤中刀头切削力f为步骤s1中通过力传感器4测量而得，惯性力f2为通过步骤s3计算而得。
s5、计算刀具进给量，将步骤s2中得到的加速度数值经过二次积分运算可以得到刀具的进给量，通过公式3与公式4进行运算，
其中，a为测量得到的加速度，v为速度，s为刀具的进给量。
上述步骤s1～步骤s5通过计算机计算，几乎可以实现同步运算完成。
基于上述的复合式智能检测方法而设计一种智能的切削装置，如图2所示该切削装置包括环形基座7、设置于环形基座7一端的刀头组件以及固定于环形基座7内部并与刀头组件相抵的环形压电促动器2，所述的刀头组件包括固定于环形基座7端部的柔性铰链3、固定于柔性铰链3上的加速度传感器2、固定于柔性铰链3上的力传感器4以及设置于力传感器4上的刀头6，如图3所示用于该切削装置的柔性铰链3呈圆形包括位于圆周上且呈环状的固定部31、位于固定部31环形中间的工作部32、在柔性铰链3的径向方向上设置的弹性部33，弹性部33用于固定部31与工作部32之间的连接，固定部31通过螺钉固定于环形基座7的端面上；刀头6可以直接固定于力传感器4上，也可以通过其他方式间接固定于力传感器4上，所述的环形压电促动器2抵靠在柔性铰链3的工作部32上，所述的力传感器4检测到刀头6所承受的力并进行反馈，所述的加速度传感器1检测柔性铰链3上的加速度并进行反馈，将两处反馈通过计算机运算得到惯性力、实际切削力以及刀具进给量。
由于在进行切削加工时，切削力完全作用于柔性铰链3的工作部32，为了提高测量的准确性，力传感器4以及加速度传感器1均需设置于柔性铰链3的工作部32，力传感器4设置于工作部32外侧即靠近被切削物一侧的端面，加速度传感器1设置于工作部32内侧即远离被切削物一侧的端面；在所述的刀头6与力传感器4之间设置盖板5，所述的刀头6固定于盖板5上，所述的盖板5通过螺钉穿过盖板5及力传感器4固定于柔性铰链3的工作部32上，如图4所示上述盖板5由两部分组成包括用于固定刀头6的顶板51以及从顶板51两侧向柔性铰链3伸出的挡板52，所述的挡板52遮盖工作部32并不与工作部32接触，挡板52的端部设置环形凹槽54，在所述的环形凹槽54内放置橡胶密封圈，顶板51主要是方便刀头6进行固定连接，而挡板52主要是防止切削过程中的废屑以及切削液对力传感器4造成影响，橡胶密封圈的使用能够隔离力传感器4与外界切削环境，延长力传感器4使用寿命。
在对力传感器4以及环形压电促动器2定位方面上，如图3所示在所述工作部32靠近力传感器4的端面上开设第一定位槽34，如图4所示在所述的盖板5靠近力传感器4的端面上开设第二定位槽53，所述的第一定位槽34与第二定位槽53相对，所述的力传感器4设置于第一定位槽34与第二定位槽53内，通过螺钉施加预紧力固定在工作部32上，第一定位槽34与第二定位槽53也可以略大于力传感器4的两个端面，根据力传感器4实际大小来确定第一定位槽34与第二定位槽53的大小与位置，在本方案中力传感器4的外形选用圆柱形且定位在工作部32中心；在所述的工作部32远离力传感器4的端面开设第三定位槽，所述的环形压电促动器2的端部卡设在第三定位槽35内，第三定位槽35为圆形或者环形，环形压电促动器2的端部与第三定位槽35通过绝缘胶水紧密固定；所述的加速度传感器1设置于柔性铰链3的工作部32上且远离力传感器4的端面上，加速度传感器1位于柔性铰链3的中心位置。
在本方案中，检测方法所说的运动质量为刀头6、盖板5以及固定刀头6与盖板5的螺钉的质量之和，故运动质量在切削装置组装完成之后即可得到。
综上，通过上述检测方法以及由该检测方法设计的切削装置，利用加速度传感器1可以实时检测加工过程中的加速度从而计算得到准确的惯性力数值；通过f1＝f-f2，计算得到精确的实际切削力f1，且刀头切削力f和惯性力f2均可以实时得到，因此实际切削力f1较为精确且可实时得到；通过对加速度进行积分运算得到加工过程中的刀具进给量，无需位移传感器；加速度传感器1安装方便只需固定在柔性铰链3上即可，无需像位移传感器一样的高精度配合，降低机构整体加工难度、装配难度和成本。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
1.一种复合式智能检测方法，用于检测快刀伺服切削装置的切削力及刀具切削进给量，其特征在于，该方法的步骤为，
s1、检测刀头切削力，通过切削装置内的力传感器(4)直接获取；
s2、检测加速度，通过切削装置内设置的加速度传感器(1)获取加速度；
s3、计算惯性力，获取力传感器(4)上的运动质量，通过公式1计算惯性力，
f2＝m×a公式1；
其中，f2为惯性力，m为运动质量，a为加速度；
s4、计算实际切削力，通过公式2计算，
f1＝f-f2公式2；
其中，f为刀头切削力，f1为实际切削力，f2为惯性力；
s5、计算刀具进给量，通过对加速度进行积分运算得到刀具进给量。
2.根据权利要求1所述的复合式智能检测方法，其特征在于，所述运动质量为设置于力传感器(4)与被切削物之间并直接以及间接作用于力传感器(4)上的物体质量之和。
3.一种基于权利要求1或2所述复合式智能检测方法的切削装置，包括环形基座(7)、设置于环形基座(7)一端的刀头组件以及固定于环形基座(7)内部并与刀头组件相抵的环形压电促动器(2)，其特征在于，所述的刀头组件包括固定于环形基座(7)端部的柔性铰链(3)、固定于柔性铰链(3)上的加速度传感器(1)、固定于柔性铰链(3)上的力传感器(4)以及设置于力传感器(4)上的刀头(6)，所述的环形压电促动器(2)抵靠在柔性铰链(3)上，所述的力传感器(4)检测到刀头(6)所承受的力并进行反馈，所述的加速度传感器(1)检测柔性铰链(3)上的加速度并进行反馈计算得到惯性力、实际切削力以及刀具进给量。
4.根据权利要求3所述的切削装置，其特征在于，所述的柔性铰链(3)呈圆形包括位于圆周上的固定部(31)、位于中间的工作部(32)以及连接固定部(31)与工作部(32)的弹性部(33)，所述的固定部(31)与环形基座(7)固定连接，所述的力传感器(4)、刀头(6)以及加速度传感器(1)固定于工作部(32)上，所述的环形压电促动器(2)抵靠在工作部(32)上。
5.根据权利要求4所述的切削装置，其特征在于，在所述的刀头(6)与力传感器(4)之间设置盖板(5)，所述的刀头(6)固定于盖板(5)上，所述的盖板(5)通过螺钉穿过盖板(5)及力传感器(4)固定于柔性铰链(3)的工作部(32)上。
6.根据权利要求5所述的切削装置，其特征在于，在所述的工作部(32)靠近力传感器(4)的端面上开设第一定位槽(34)，在所述的盖板(5)靠近力传感器(5)的端面上开设第二定位槽(53)，所述的第一定位槽(34)与第二定位槽(53)相对，所述的力传感器(4)设置于第一定位槽(34)与第二定位槽(53)内。
7.根据权利要求5所述的切削装置，其特征在于，所述的盖板(5)包括用于固定刀头(6)的顶板(51)以及从顶板(51)两侧向柔性铰链(3)伸出的挡板(52)，所述的挡板(52)遮盖工作部(32)；在所述的挡板(52)的端部设置环形凹槽(54)，在所述的环形凹槽(54)内放置密封圈。
8.根据权利要求4所述的切削装置，其特征在于，在所述的工作部(32)远离力传感器(4)的端面开设第三定位槽，所述的环形压电促动器(2)的端部卡设在第三定位槽内。
9.根据权利要求3所述的切削装置，其特征在于，所述的加速度传感器(1)设置于柔性铰链(3)远离力传感器(4)的端面上，并位于柔性铰链(3)的中心位置。
技术总结