YDCⅢ89A三向压电车削测力仪说明书

3).测力仪的安装表面应确保平整(与测力仪的底面一样需车削或刮研)和 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。
12）严禁擅自拆卸测力仪。
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。
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YDC-Ⅲ89A 型压电式车削测力仪使用说明书
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，该测力仪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、YDC-Ⅲ89A 三向压电车削测力仪静、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仪 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:
项目
方向
指标
单位
测力范围
X、Y、Z
±2000
N
X
电荷灵敏度
Y
-4.65 -2.35
pC/N pC/N
Z
-5.99
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
固有频率
Y
3.1
KHz
3.0
KHz
Z
3.3
KHz
工作温度
T
0~60
℃
绝缘电阻
R
>1013
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δ(F.S)=△max / Hmax ×100%=6/1550×100%=0.4% 其中，δ(F.S)即为满量程线性误差。
图 4.1 Fy 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 YDC-Ⅲ89A 三向压电车削测力仪静态性能指标
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。
pC/kgf kg/um kHz
非线性 横向干扰 绝缘电阻
〈±1
%
〈±5
%
〉2×1013
Ω
温度系数 应用温度范围
-0.04 0~120
%/℃ ℃
三、YDC-Ⅲ89A 三向压电车削测力仪工作原理及特点
1.测力仪的结构设计 YDC-Ⅲ89A 三向压电车削测力仪是由一块整体构件与一个压电石
英晶体三维力传感器构成。
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，尽可能保持测力仪的温度不变。 10）此测力仪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。
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3.1 三向压电车削测力仪结构图 1)力传感器 2)整体构件
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2.测试原理 如前所述,该测力仪主要是由二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仪。 3.特点
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一、前言
YDC-Ⅲ89A 三向压电车削测力仪外型如图 1.1 所示。
图 1.1 YDC-Ⅲ89A 三向压电车削测力仪
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。
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下限频率调至“L”档，输出调至“1mV/Unit”， 在此状 态下输出电压与切削力之间是 1：1 的关系，即 1mV 电压对应 1N 的力。 8、开关调至“复位”,打开电荷放大器电源开关，预热 30 分钟。 9、将放大器开关调至“工作”状态，开始检测。注意：未测试
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压电式车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
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目录
使用前必读
使用中注意事项
测力系统标定结果
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、YDC-Ⅲ89A 三向压电车削测力仪工作原理及特点 1.结构 2.原理 3.特点 四、YDC-Ⅲ89A 三向压电车削测力仪静、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
1）基本测试系统
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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 图 5.1 为一个通用的测试系统框图。
测力平台
电荷放大器
数字电压表 各种示波器 A/D 转换器
计算机
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
示波器
测力平台
电荷放大器
结构动态分析仪
绘图仪
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
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
分辨率
±0.001
Z 向灵敏度
±42
kgf kgf pC/kgf
X、Y 向灵敏度 刚度 固有频率
±80 85 15~25
2.传感器的特点 1)、刚性好。石英的弹性系数 E=8000kg/mm2，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。
Ω
重量
G
1.5
Kg
尺寸
L×W×H
190*65*32
mm3
2.动态标定 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
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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。
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
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Байду номын сангаас
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使用前必读！
1、压电切削测力仪是精密测量仪器，使用时请务必小心，千 万不能使测力仪受到碰撞或撞击，如果这样有可能造成不可 修复的损坏。
2、压电切削测力仪具有很好的线性、重复性和稳定性，长期 使用不需反复标定。
3、将测力仪安装在机床刀架上，测力仪的底面与刀架接触面 之间一定要平整，不得有高点或硬质点，微小的间隙也将 会引起弹性变形，而减小固有频率。
时电荷放大器应始终处于“复位”状态。
使用中注意事项：
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、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。 3、当测力仪不用时，应将其放到包装盒中保护。 4、为了导线在工作时不被切断或扯断，应加以防护。 5、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。 6、严禁擅自拆卸测力仪。
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 YDC-Ⅲ89A 压电式车削测力仪 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（Fx,Fy,Fz）。YDC-Ⅲ89A 压电车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，只能测量垂直仪的 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。
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 Fy 向线性误差。具体步骤如下: 1.将标定曲线起点与终点连线。 2).求出最大偏差△max=6 3.求△max 与最大量程的比值:
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。
一般在使用测力仪之前，要对测力仪进行静态标定,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。
4、刀架夹紧螺钉与测力仪之间一定要放置垫片，以防止测力 仪表面损坏。
5、将测力仪的输出线接头的芯轴与外壳用金属短接一下，以 释放残余电荷。
6、将测力仪输出接头接入放大器的输入电荷 Q 的插头上。 7、将三台电荷放大器的传感器灵敏度旋钮分别调至“YDC-Ⅲ
89A 压电三向车削测力系统标定结果”中的数值，即： Fx 向：4.65 pC/N Fy 向：2.35 pC/N Fz 向：5.99 pC/N