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1 选题背景和意义随着切削加工向着高速、高精度、高度自动化方向发展，对切削过程的监控技术也提出较高的要求，而各种自动化机械加工设备与制造系统绝大多数并不具备加工过程的监控功能。为使这些高度自动化加工设备充分发挥其优良性能，确保加工质量，提高生产效率，对刀具加工过程中的状态监测与控制就尤为重要。大量研究结果表明，切削状态的每个微小变化都能通过切削力的变化反映出来，检测切削力是目前国内外研究与应用最多的监控方法之一。10793
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通过检测切削过程中切削力的变化即可对切削过程进行监控。切削力的测量不仅有利于研究切削机理、计算功率消耗、优化切削用量和刀具几何参数，更重要的是可以通过切削力的变化来监控切削过程，反映刀具磨损或破损、切削用量的合理性、机床故障、颤振等切削状态，以便及时控制切削过程，提高切削效率，降低零件废品率。
切削力测量系统一般由三部分构成：由测力仪、数据采集系统和PC机三部分组成，如图1－1所示。测力仪(测力传感器)通常安装在刀架(车削)或机床工作台上(铣削)，负责拾取切削力信号，将力信号转换为弱电信号；数据采集系统对此弱电信号进行调理和采集，使其变为可用的数字信号；PC机通过一定的软件平台，将切削力信号显示出来，并对其进行数据处理和分析。[2]
图1－1 切削测力系统的构成[2]
常用的机床测力仪种类很多，有机械式测力仪和电器式测力仪。而电器式测力仪中又以电阻应变式测力仪应用较多，另外，还有其他测力仪，如压电晶体测力仪、电感式测力仪和电容式测力仪。一般对测力仪的要求有：
(1) 灵敏度高。目前常用的应变片和应变仪可测得小到5个微应变（5×10-6），有的 甚至可精确到一个微应变。
(2) 能测静载荷下的应变，也能测动态应变。
(3) 可在高温、高压和比较复杂的环境下进行测量，也可在液体中进行。
(4) 仪器、元件使用方便，测试方法较易掌握。
.1 应变式测力仪[2]
应变式测力仪由弹性元件、电阻应变片及相应的测量转换电路组成，其工作原理如图1－2所示。把电阻应变片贴在弹性元件表面，并连接成某种形式的电桥电路，当弹性元件受到力的作用而产生变形时，电阻应变片便随之产生变形，从而引起其电阻阻值的变化ΔR，即
图1－2 电阻应变片组成的电桥[2]
应变片电阻值的变化ΔR造成电桥不平衡，使电桥输出发生变化ΔU，通过标定建立输出电压与力之间的关系。使用时根据输出电压反算切削力的大小。
应变式测力具有灵活性大、适应性广、性能稳定等优点，而且配套仪表（如静态应变仪、动态应变仪等已标准化，因而得到广泛应用。但是其测量原理决定了测量精度和动态特性主要取决于弹性元件的结构，如何有效解决灵敏度和刚度之间的矛盾，是提高应变式测力仪测量精度和动态特性的关键。
1.2 压电式测力仪
压电式测力仪是以压电晶体为力传感元件的切削测力仪，当石英晶体在外力作用下发生变形时，在它的某些表面上出现异号极化电荷。这种没有电场的作用、只是由于应变或应力在晶体内产生电极化的现象称为压电效应。通过测量产生电荷量即可以达到测量切削力的目的。
图1－3 单向压电传感器
图1-3为单向压电传感器，其力—电转换方式为厚度伸缩（即纵向压电效应），结构形式为中心压缩式，采用X零度切型（即晶片面与X轴垂直的切割，或者说晶片厚度沿X轴方向，长度沿Y轴方向，亦称XY切割）；取电荷的电极为与X轴垂直的上下底面，传感器测力值Pmax＝500公斤，晶片尺寸为Φ8×1毫米。