CN103551922B - 一种应变式集成化三维车削力传感器 - Google Patents

Abstract

一种应变式集成化三维车削力传感器，包括传感器主体结构，车刀安装在传感器主体结构的车刀插槽内，传感器主体结构的中部上下面分别设有第一、第二竖直八角半环，传感器主体结构的中部前后两个侧面分别连接第一、第二水平八角半环，传感器主体结构的尾部为传感器柄，在八角半环内、外表面分别封装有箔式电阻应变片，通过弹性体的结构，提高测力仪的动态特性，实现三维车削力的精确测量，本发明不仅可以测量动态力，也适用于测量静态力，在装配和维护方面更加简单可靠，降低成本。

Description

一种应变式集成化三维车削力传感器

技术领域

本发明涉及智能制造装备技术领域，特别涉及一种应变式集成化三维车削力传感器。

背景技术

在金属切削加工中，车削加工是最常见的加工方法之一。车削力是反映车削过程的重要指标，车削力的大小和车削过程变化密切相关，车削状态的每个微小变化都能通过车削力的变化反映出来。车削力大小与刀具磨损、加工精度、车削温度、功率消耗等有着密切关系，因此如何精确测量车削力对提高加工性能非常重要。

传统的车削力测力仪主要有机械式、液压式、电容式、电感式、压电式、应变式等类型。其中机械式和液压式由于刚度低、惯性大，只能测出平均切削力，在实际工程应用中价值较低；电容式和电感式测力仪由于结构限制，在测量多向切削分力时测力仪结构复杂，并且电容、电感式测力仪是非比例环节，因而还存在静态线性误差的缺点；压电式测力仪相比于应变式测力仪，其固有频率高，适合于动态测量，但是由于电荷泄漏而不能测试静态力，并且压电式测力仪位置误差较大，容易击穿电子管，维护极不方便，装配精度高，调试麻烦，价格昂贵，在使用上受到很大限制。

应变式测力仪就是应变式力传感器和数字测量仪表相结合而产生的测力仪器。应变式测力传感器具有性能可靠、成本低、静态精度高、长期稳定性好、坚固耐用、工艺性好等特点。并且电阻应变片几乎是一种无感无容材料，可以认为是一种比例环节，它不但能测量静载荷下的应变，也可以测量频率范围为0-500KHz的动态应变。多年来应变式测力仪落后于压电式测力仪主要原因是应变式测力仪固有频率远低于压电测力仪。应变式测力仪的测量精度和动态特性完全取决于弹性体的结构和所采用的测力方式。因此选择合理的结构参数是应变式切削测力仪设计的核心问题，也是解决测力仪高灵敏度和高刚度之间矛盾的有效方法。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种应变式集成化三维车削力传感器，通过合理设计弹性体的结构和参数，提高测力仪的动态特性，实现三维车削力的精确测量。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种应变式集成化三维车削力传感器，包括传感器主体结构7，车刀1安装在传感器主体结构7的头部车刀插槽8内，传感器主体结构7的中部上下面分别设有第一竖直八角半环4和第二竖直八角半环5，第一竖直八角半环4、第二竖直八角半环5形成竖直方向八角环，作为竖直方向的弹性体结构，传感器主体结构7的中部前后两个侧面分别连接第一水平八角半环2和第二水平八角半环3，第一水平八角半环2和第二水平八角半环3形成水平方向八角环，作为水平方向的弹性体结构，传感器主体结构7的尾部为传感器柄，传感器柄是截面为矩形的长方体条，在第一竖直八角半环4、第二竖直八角半环5、第一水平八角半环2和第二水平八角半环3内、外表面分别封装有箔式电阻应变片6，从而构成车削力传感器；

所述箔式电阻应变片6是用薄金属箔腐蚀成栅状并夹在两层绝缘基底中制成，用镀锡铜线与应变片丝栅连接作为应变片引线并组成惠斯顿电桥。

所述的车刀插槽8是截面为方形的空心插槽，在车刀插槽8侧面中部开有螺纹孔9。

所述的车刀插槽8的前部两侧面和传感器主体结构7竖直方向八角环弹性体结构末端两侧开有凹槽10，第一水平八角半环2和第二水平八角半环3的两端置于凹槽10内。

本发明的有益效果：首先，本发明根据八角环受力变形的特点，采用两个互相垂直的八角环结构实现了三维车削分力的独立测量，减小了各向车削分力之间的相互影响和耦合。其次，本发明通过在弹性体的合理位置处封装箔式电阻应变片6并组成惠斯顿电桥，利用电补偿的方法进一步减小各向车削分力之间的耦合影响，同时使测量电桥具有较好的温度稳定性。再次，相比于压电式车削力传感器只能测量动态力的缺陷，本发明所涉及不仅可以测量动态力，也适用于测量静态力，在装配和维护方面更加简单可靠，降低成本。

附图说明

图1为本发明传感器结构示意图。

图2为本发明传感器主体结构7的结构示意图。

图3为本发明水平八角半环的示意图。

图4为本发明中箔式电阻应变片结构示意图。

图5为本发明传感器在车床刀架上的安装示意图。

图6为本发明传感器受力示意图。

图7为本发明水平八角环受力分析示意图。

图8(a)为本发明水平八角半环内、外表面箔式金属应变片封装位置示意图。图8(b)为本发明竖直八角半环内、外表面箔式金属应变片封装位置示意图。

图9为本发明传感器测量将封装在各水平八角半环内、外表面的箔式电阻应变片6连接成（a）、（b）、（c）三组惠斯顿电桥，其中（a）用于测量进给力F_f，（b）用于测量吃刀抗力F_p，（c）用于测量主车削力F_C。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1、图2和图3，一种应变式集成化三维车削力传感器，包括传感器主体结构7，车刀1安装在传感器主体结构7的头部车刀插槽8内，并通过螺栓固定车刀1。传感器主体结构7的中部上下面分别设有第一竖直八角半环4和第二竖直八角半环5，第一竖直八角半环4、第二垂直八角半环5形成垂直方向八角环，作为竖直方向的弹性体结构；传感器主体结构7的中部前后两个侧面分别开有凹槽10，用于连接第一水平八角半环2和第二水平八角半环3，第一水平八角半环2和第二水平八角半环3形成水平方向八角环，作为水平方向的弹性体结构；感器主体结构7的尾部为传感器柄，传感器柄是截面为矩形的长方体条，用于将该传感器固定在车床刀架10上；在第一竖直八角半环4、第二竖直八角半环5、第一水平八角半环2和第二水平八角半环3的内、外表面分别封装有箔式电阻应变片6，从而构成车削力传感器。

参照图4，所述箔式电阻应变片6是在很薄的金属箔（康铜箔或镍铬箔）的一面涂胶形成胶底，然后在箔面上用腐蚀法制成栅状结构6c，再将腐蚀成的栅状结构6c放在绝缘基底6d上，在栅状结构的表面贴上一层覆盖层6b用于隔绝水和灰尘等，起保护栅状结构6c的作用。用镀锡铜线与应变片丝栅连接作为应变片引线6a，用来连接测量导线。箔式电阻应变片6中栅状结构6c几何形状和尺寸非常精密，而且由于电阻丝部分即栅状结构6c是平而薄的矩形截面，所以粘贴牢固，丝的散热性能好，横向效应系数也较低，绝缘性好，蠕变和机械滞后小，耐湿性好。

参照图2，所述的车刀插槽8是截面为方形、具有一定厚度的空心插槽，用于插入车刀1，在车刀插槽8侧面开有螺纹孔9，用于插入螺栓并固定车刀1。

参照图2，所述的车刀插槽8的前部两侧面和传感器主体结构7竖直方向八角环弹性体结构末端两侧开有凹槽10，第一水平八角半环2和第二水平八角半环3的两端置于凹槽10内。

本发明的工作原理为：

使用时，参照图5，将感器主体结构7的尾部传感器柄固定在车床刀架12上，电动机11带动刀架转动实现换刀功能。

参照图6，车刀1在车削过程中受到车削力可分解为三个互相垂直的作用力，分别是主车削力F_C，进给力F_f和吃刀抗力F_p。其中主车削力F_C引起的变形主要体现在第一竖直八角半环4、第二竖直八角半环5上，进给力F_f引起的变形主要体现在第一水平八角半环2、第二水平八角半环3上，吃刀抗力F_p引起的变形分别体现在第一竖直八角半环4、第二竖直八角半环5和第一水平八角半环2、第二水平八角半环3上。

参照图7，第一水平八角半环2、第二水平八角半环3组成的水平八角环的一端固定，另一端受到进给力F_f和吃刀抗力F_p的作用，图中t表示八角环厚度，r表示八角环平均半径。由于八角环结构对称，并且结构类似于圆环，因此采用圆环分析方法取右边半环进行分析，则任意截面上的弯矩为：

$M=-\frac{F_{V}R}{2}(\frac{2}{\mathrm{\&pi;}}-\sin \mathrm{\&theta;})-\frac{F_{h}R}{2}\cos \mathrm{\&theta;}(0<\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&pi;})$

忽略轴力的影响，则圆环表面应力为：

（W为抗弯截面模量），

可见当θ＝90°时，圆环表面应力仅与吃刀抗力F_p有关，当θ＝39.4°or140.6°时，圆环表面应力仅与进给力F_f有关。通过基础实验发现，对于八角环结构，在八角环表面θ＝90°和θ＝45°or135°位置处适合封装箔式电阻应变片6。

参照图8，分别在第一水平八角半环2、第二水平八角半环3、第一竖直半环4和第二竖直半环5的内、外表面θ＝90°和θ＝45°or135°位置处封装箔式电阻应变片6（R1至R16）。

参照图9，将封装在各水平八角半环内、外表面的箔式电阻应变片6连接成（a）、（b）、（c）三组惠斯顿电桥，G为恒定电压源。其中（a）用于测量进给力F_f，（b）用于测量吃刀抗力F_p，（c）用于测量主车削力F_C。当各八角半环受到相应方向车削分力的作用并发生变形时，箔式电阻应变片6能够将各八角半环表面的应变转换为电量输出，通过标定即可实现对进给力F_f、吃刀抗力F_p和主车削力F_C的测量。

Claims (1)

1.一种应变式集成化三维车削力传感器，包括传感器主体结构(7)，其特征在于：车刀(1)安装在传感器主体结构(7)的头部车刀插槽(8)内，传感器主体结构(7)的中部上下面分别设有第一竖直八角半环(4)和第二竖直八角半环(5)，第一竖直八角半环(4)、第二竖直八角半环(5)形成竖直方向八角环，作为竖直方向的弹性体结构，传感器主体结构(7)的中部前后两个侧面分别连接第一水平八角半环(2)和第二水平八角半环(3)，第一水平八角半环(2)和第二水平八角半环(3)形成水平方向八角环，作为水平方向的弹性体结构，竖直方向八角环和水平方向八角环结构对称，并且结构类似于圆环，传感器主体结构(7)的尾部为传感器柄，传感器柄是截面为矩形的长方体条，在第一竖直八角半环(4)、第二竖直八角半环(5)、第一水平八角半环(2)和第二水平八角半环(3)内、外表面分别封装有箔式电阻应变片(6)，从而构成车削力传感器；

所述箔式电阻应变片(6)是用薄金属箔腐蚀成栅状并夹在两层绝缘基底中制成，用镀锡铜线与应变片丝栅连接作为应变片引线并组成惠斯顿电桥；

所述的车刀插槽(8)是截面为方形的空心插槽，在车刀插槽(8)侧面中部开有螺纹孔(9)；

所述的车刀插槽(8)的前部两侧面和传感器主体结构(7)竖直方向八角环弹性体结构末端两侧开有凹槽(10)，第一水平八角半环(2)和第二水平八角半环(3)的两端置于凹槽(10)内。