铣削测力仪说明书
YDX-III9702型
压电式铣削测力仪使用说明书
钱敏、孙宝元、张军
大连理工大学机械工程学院传感测控研究所
大连理工大学机械工程学院传感测控研究所孙宝元、钱敏、张军
目录
一、前言
二、压电石英晶体三维力传感器原理
1.基本原理
2.传感器的特点
3.传感器的基本性能指标
三、YDX-Ⅲ9702三向压电铣削测力仪工作原理及特点
1.结构
2.原理
3.特点
四、YDX-III9702三向压电铣削测力仪静、动态标定
1.静态标定
2.动态标定
五、电荷放大器为主的基本测试系统
1.基本系统
2.电荷放大器的选择
六、使用注意事项
七、安装及操作规程
八、常见故障及其排除
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一、前言
YDX-III9702三向压电铣削测力仪外型如图1.1所示。
图1.1 YDX-III9702三向压电铣削测力仪
该测力仪同一些必要的二次仪表组合在一起，可以完成切削力的静、动态测试，从而使人们可以准确而容易地获得金属切削加工中最重要的参数，既三维切削力。
现在，金属切削理论的研究已由过去的静态测量发展到动态测量，对测力仪有了更高的要求。而我们研制的YDX-III9702压电式铣削测力仪却能以其高刚度、高灵敏度、高固有频率能很好地满足静、动态测试的要求，可测出任意方向力的三个相互正交的分量（F x ,F y ,F z ）。YDX-III9702压电铣削测力仪不仅在技术上处于国内领先地位，而且其性能指标都达到国际同类产品的先进水平。
二、压电石英晶体三维力传感器原理
1.基本原理
压电石英晶体三维力传感器的结构如图2.1。
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图2.1压电石英晶体三维力传感器的结构如图
这种传感器有三对不同切型的石英晶片装入壳体内构成。其中一对采用具有纵向压电效应的切片，只能测量垂直平台的Z 向力;而另外两对晶片由于采用具有切向效应的切型，且相互灵敏度方向成900 放置，因此可测X ，Y 向的分力。这样空间任何方向的力作用在传感器上时，传感器便能自动地将力分解为空间相互正交的三个分力。 2.传感器的特点
1)、刚性好。石英的弹性系数E=8000kg/mm 2，而通常石英晶片厚只有约1mm ，因此整个传感器的刚度相当于一个实心铸铁块的刚度。
2)、灵敏度高。因为压电传感器属于“无位移”型传感器，理论上电荷量只与应力有关，而与位移无关，这样系统的刚性可以大些，而对灵敏度没有太大的影响。
3)、线性好,而且一般情况下几乎没有滞后现象。 4)、频率响应宽。特别适合动态测量, X 、Y 两向固有频率均在5kHz 以上，而Z 向固有频率可达25KHz 以上，若装在合适结构中，频响还可提高。 5)、稳定性好。时间老化低，无热释电现象，对温度敏感性比电阻电感传感器要小得多，因此灵敏度基本保持为常数。
6)、调整、使用方便。压电系统没有绝对零点，可以选定任意给定的状态作为零点。在准静态测量中，力的动态部分比稳态部分小很多。若希
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望将动态部分放大或只显示动态部分，只需将电荷放大器清零，并且将灵敏度换到高档即可，而不管静态部分的大小。这一点对自适应控制和用概率论方法进行数据处理十分有意义。
3.传感器基本性能指标
以YDS-III79K型压电石英三维力传感器为例说明。
项目数值单位
Z向测力范围±1000 kgf
X、Y向测力范围±200 kgf
分辨率±0.001 kgf
Z向灵敏度±42 p C/kgf
X、Y向灵敏度±80 p C/kgf
刚度85 kg/um
固有频率15~25 kHz
非线性〈±1 %
横向干扰〈±5 %
绝缘电阻〉2×1013 Ω
温度系数-0.04 %/℃
应用温度范围-60~120 ℃
三、YDX-III9702三向压电铣削测力仪工作原理及特点
1.测力仪的结构设计
YDX-III9702三向压电铣削测力仪是由底板、中板、隔热板、上板与四个压电石英晶体三维力传感器构成，用螺钉连接。
3.1三向压电铣削测力仪结构图
1)力传感器 2)上板3）底板4）连线5）螺钉6）螺母7）隔热板8）中板
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如前所述,该测力仪主要是由四个压电式三维力传感器组成的。由三维力传感器的力学特性可知，该测力仪也具有将空间任何方向的力分解成三个相互正交的分力。根据需要，通过控制测力仪的刚度(由结构尺寸决定)和预紧力的大小，我们就可以设计出不同测力范围和频率范围的测力平台。
3.特点
该测力仪刚性好、固有频率高、灵敏度高，线性和重复性好，滞后小，向间干扰均在5%以下。无论从结构刚性、结构对称性、结构工艺性还是结构稳定性，该测力平台都具有明显的优越性。它使用方便，便于操作，和国外同类产品相比，价格便宜得多。
四、YDX-III9702三向压电铣削测力仪静、动态标定
1.静态标定
静态标定的目的是为了获得静标曲线，以便求得各项灵敏度、线性误差、重复性误差、向间干扰等静态性能参数。静态标定在特制的三向加载器或车床上进行。压电系统在静标后得到的灵敏度事实上为测力平台归一化灵敏度，所谓归一化，就是通过电路调节,使示值与实际载荷值两者间的有效数字达到一致。
归一化灵敏度除电路调节可得到外，还可通过计算得出，此时放大器灵敏度为10.0pc/kgf,输出为lmv/kgf×10，则归一化灵敏度:
Sq = 输出电压 / 载荷
经“归一化”后，可以直接从数字电压表上读取力值。
被测力值 = 输出电压(mv) / 输出增益档级(mv/unit)×10
输出增益一般取1 ,传感器灵敏度倍率取10,数字电压表取5V档即可。
一般在使用测力平台之前，要对测力平台进行静态标定,主要为了得到非线性和干扰值的大小。为了统一标准和便于分析，标定都是一项一项分别进行的。
首先，测出X、Y、Z三向各自归一化灵敏度，根据这一归一化灵敏度各自等量程加载，这样就得到X、Y、Z三向线性标定曲线及线性误差大小。
然后，再将电荷放大器拨到X向归一化灵敏度档，将X向引出接到电荷放大器输入端，分别在Y、Z向加载，就可以得到Y、Z向对X向的干扰系数。
在标定曲线中，线性误差通常用满量程误差(F.S.O)表示。图4.1所示为F y向线性误差。具体步骤如下:
1.将标定曲线起点与终点连线。
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2).求出最大偏差△max =6 3.求△max 与最大量程的比值:
δ(F.S)=△max / H max ×100%=6/1550×100%=0.4%
其中，δ(F.S)即为满量程线性误差。
图4.1 F y 向线性误差
用以上的方法，我们还可以得到各向归一化灵敏度、重复性误差、线形误差及向间干扰等多项指标。各项性能指标见图4.2。
表4.1 YDX-III9702三向压电铣削测力仪静态性能指标
项目 方向 指标 单位 测力范围 X 、Y 、Z
±3000 N X pc/N Y pc/N 电荷灵敏度 Z pc/N 重复性误差 X 、Y 、Z <±1 %FSO 线性误差 X 、Y 、Z <±1 %FSO 向间干扰 X 、Y 、Z
<±5 %FSO X 8512 Hz Y 3584 Hz 固有频率 Z 4672 Hz 工作温度 T -60~120 ℃ 绝缘电阻 R >1013 Ω 重量 G 9
Kg 尺寸 L ×W ×H 270*150*60 mm 3
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测力仪的动态标定，目前主要有激振法和钢球冲击法两种,主要是用于求得频率响应曲线和固有频率。下面以大连市振动检测中心进行的钢球冲击法为例介绍。
动态标定系统框图见下图 4.2所示。2626(B&K)电荷放大器、HP5423A结构动态分析仪、HP9872绘图仪、MO-1251(Meguro)示波器。
图4.2 动态标定系统框图
由HP5423A分析，经HP9872绘制的幅频特性曲线见图4.2。从图中可以看到测力仪三个方向的固有频率。
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图4.3 测力仪频率响应曲线
五、基本测试系统
1）基本测试系统
图5.1为一个通用的测试系统框图。
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图5.1 测试系统框图
2）电荷放大器的选择
为了保持静态分量的稳定性，特别为了静标需要，要求电荷放大器必须具有极高的输入阻抗（>1013 Ω）、极低的下限频率(<10-6Hz)和大的时间常数（>106s）
六、使用注意事项
1）测力仪和电荷放大器应有可靠接地，最好设置专门的地线，使整个测力系统有一个统一的地线。
2）使用前，将测力仪的输出线短接放电，但千万不能将电荷放大器输入端短接。
3）电荷放大器未测试之前，应始终处于复位状态。
4）应根据被测信号大小和性质，合理选择电荷放大器的量程和档位，以便提高测量精度和减小噪音。
5）压电测试的绝缘电阻应保持为l013 Ω。
6）所有的插头、插座应保持干燥、清洁；信号输出线不要沾灰尘，也不要用手摸。当接头不用时,用罩罩住。
7）测力仪与电荷放大器之间的电缆必须高度绝缘。
8）当测力仪不用时，应将其放到盒中保护。
9）当长时间使用时，尽可能保持测力平台的温度不变。
10）此测力平台只适用于特定的工作环境。
11）严禁强烈碰撞测力仪或使其受到任何强烈冲击。因为此类冲击力可能超过测力范围，而导致仪器损坏。
12）严禁擅自拆卸测力平台。
七.安装及操作规程
若想正确地安装和使用本测力仪，必须按下列规程进行：
1).测力仪的安装必须由熟悉本仪器并能胜任此工作的人来负责。
2).测力仪使用之前，应检查电缆是否损坏；检查插头和插座是否干燥、清洁；检查导线引出处是否密封。
3).测力仪的安装表面应确保平整(与测力仪的底面一样需铣削或刮研)和第10页共12页
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清洁，以防产生附加剪应力使向间干扰增大。
4).用螺栓将测力仪和安装表面(如工作台等)连接起来。
5).保证测力仪的放置平整，微小的间隙也将会引起弹性变形，而减小固有频率。
6).为了导线在工作时不被切断或扯断，应加以防护。
7).电荷放大器使用前要调好灵敏度，预热半小时。其操作规程详见其说明书。
8).后续各二次仪表的使用详见各自的说明书。 然后按照上述操作规程连线。
八、常见故障分析及其排除
现象 原因 排除方法
电荷放大器无输出 1.信号线断路 2.测力仪出故障
3.电荷放大器失灵
1.检查各部分线路
2.将测力仪返回本研究所维修或更换
3. 将电荷放大器返回生产厂家维修或更换
不能进行准静态测量(信号漂移大) 1.测量环节绝缘性能差 2.电荷放大器下限频率过高 3.电荷放大器工作不正常
4.电缆屏蔽不良
1.检查各部分的绝缘电阻，清洗并干燥插头、插座
2.下限频率放于'Lower '处
3.按电荷放大器的使用说明书检查其性能指标
4.对电缆(特别是信号线)和接头处加屏蔽措施
测量时电荷放大器过裁
被测力超过所选量程 选择电荷放大器更大的量程 被加工工件表面有颤振痕迹 测试系统的刚度低 检查测力仪和工件的安装，或改变切削用量
YE5850电荷放大器使用中出现问题，请直接与生产厂家取得联系， 以便维修。
厂家名称：江苏扬州无线电二厂
厂家地址：江苏省扬州市玉器街1号 邮政编码：225002
电 话：0514-*******
大连理工大学机械工程学院传感测控研究所孙宝元、钱敏、张军YDX-III9702三向压电铣削测力系统测试报告
YDX-III9702测力仪编号: xxxxxxxxx
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