CN103707131A - 一种嵌入薄膜应变片传感器的切削力在线测量刀具系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及切削力测量技术，具体是一种嵌入薄膜应变片传感器的切削力在线测量刀具系统。本发明解决了现有测力仪体积大、测量精度和灵敏度低、结构复杂、制造成本高的问题。一种嵌入薄膜应变片传感器的切削力在线测量刀具系统，包括信号采集部分和信号处理部分；所述信号采集部分包括刀杆、刀片、定位螺钉、压板、紧固螺栓、薄膜应变片传感器、接线端子、紧固螺钉、连接线；所述信号处理部分包括电压反馈运算放大器、仪表放大器、PC机；其中，刀片通过定位螺钉紧固安装于刀杆的前部左侧面；薄膜应变片传感器固定安装于刀杆的侧面中部。本发明适用于金属切削加工过程中切削力的测量。

Description

一种嵌入薄膜应变片传感器的切削力在线测量刀具系统
技术领域
本发明涉及切削力测量技术，具体是一种嵌入薄膜应变片传感器的切削力在线测量刀具系统。
背景技术
切削力是金属切削过程中的主要物理现象之一，其大小不仅直接影响切削热加工表面质量、刀具磨损及刀具耐用度等，而且是设计和使用机床、刀具及夹具的重要依据。因此，在实际切削加工过程中，切削力的测量具有十分重要的意义。在现有技术条件下，切削力的测量普遍是通过测力仪来实现的。然而，现有测力仪多由各种分立元器件组成，导致其存在如下问题：其一，体积较大，导致其无法满足微小化的测量要求。其二，测量精度和灵敏度较低，导致其无法满足高精度、高分辨率的测量要求。其三，结构复杂、制造成本较高，导致其无法满足高可靠性、低成本的测量要求。基于此，有必要发明一种全新的切削力测量装置，以解决现有测力仪体积大、测量精度和灵敏度低、结构复杂、制造成本高的问题。
发明内容
本发明为了解决现有测力仪体积大、测量精度和灵敏度低、结构复杂、制造成本高的问题，提供了一种嵌入薄膜应变片传感器的切削力在线测量刀具系统。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种嵌入薄膜应变片传感器的切削力在线测量刀具系统，包括信号采集部分和信号处理部分；所述信号采集部分包括刀杆、刀片、定位螺钉、压板、紧固螺栓、薄膜应变片传感器、接线端子、紧固螺钉、连接线；所述信号处理部分包括电压反馈运算放大器、仪表放大器、PC机；其中，刀片通过定位螺钉紧固安装于刀杆的前部左侧面；压板通过紧固螺栓紧固安装于刀杆的前部左侧面，且压板的前部右侧面紧压于刀片的左侧面；薄膜应变片传感器固定安装于刀杆的侧面中部；接线端子通过紧固螺钉紧固安装于刀杆的后部下侧面；薄膜应变片传感器的信号输出端通过连接线与接线端子的信号输入端连接；接线端子的信号输出端与电压反馈运算放大器的信号输入端连接；电压反馈运算放大器的信号输出端与仪表放大器的信号输入端连接；仪表放大器的信号输出端与PC机的信号输入端连接。
具体工作过程如下：在实际切削加工过程中，当刀片切削工件时，刀杆在切削力的作用下发生形变。薄膜应变片传感器在线感知刀杆的形变量，并将刀杆的形变量转换为电压信号，然后依次通过连接线、接线端子将电压信号在线发送至电压反馈运算放大器。电压反馈运算放大器对接收到的电压信号进行在线放大，并将放大后的电压信号在线发送至仪表放大器。仪表放大器对接收到的电压信号进行在线调理，并将调理后的电压信号在线发送至PC机。PC机根据接收到的电压信号在线计算出刀杆的形变量，由此在线测得切削力的大小。基于上述过程，与现有测力仪相比，本发明所述的一种嵌入薄膜应变片传感器的切削力在线测量刀具系统具有如下优点：其一，本发明所述的一种嵌入薄膜应变片传感器的切削力在线测量刀具系统将薄膜应变片传感器集成在刀杆上，通过利用薄膜应变片传感器体积小的特点，有效减小了自身体积，从而完全满足了微小化的测量要求。其二，本发明所述的一种嵌入薄膜应变片传感器的切削力在线测量刀具系统一方面通过薄膜应变片传感器在线感知刀杆的形变量，另一方面通过电压反馈运算放大器、仪表放大器、PC机在线计算出刀杆的形变量，由此在线测得切削力的大小，有效提高了测量精度和灵敏度，从而完全满足了高精度、高分辨率的测量要求。其三，本发明所述的一种嵌入薄膜应变片传感器的切削力在线测量刀具系统通过将薄膜应变片传感器集成在刀杆上，使得薄膜应变片传感器与刀杆形成一个整体，由此有效简化了自身结构，并有效降低了制造成本，从而完全满足了高可靠性、低成本的测量要求。综上所述，本发明所述的一种嵌入薄膜应变片传感器的切削力在线测量刀具系统基于全新结构，有效解决了现有测力仪体积大、测量精度和灵敏度低、结构复杂、制造成本高的问题。
本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有测力仪体积大、测量精度和灵敏度低、结构复杂、制造成本高的问题，适用于金属切削加工过程中切削力的测量。
附图说明
图1是本发明的信号采集部分的立体结构示意图。
图2是本发明的信号采集部分的平面结构示意图。
图3是图2的俯视图。
图4是本发明的信号处理部分的结构示意图。
图5是本发明的薄膜应变片传感器的结构示意图。
图6是本发明的薄膜应变片传感器的薄膜电阻和电极的结构示意图。
图中：1-刀杆，2-刀片，3-定位螺钉，4-压板，5-紧固螺栓，6-薄膜应变片传感器，7-接线端子，8-紧固螺钉，9-连接线，10-电压反馈运算放大器，11-仪表放大器，12-PC机，13-薄膜绝缘层，14-薄膜电阻，15-薄膜电极。
具体实施方式
一种嵌入薄膜应变片传感器的切削力在线测量刀具系统，包括信号采集部分和信号处理部分；所述信号采集部分包括刀杆1、刀片2、定位螺钉3、压板4、紧固螺栓5、薄膜应变片传感器6、接线端子7、紧固螺钉8、连接线9；所述信号处理部分包括电压反馈运算放大器10、仪表放大器11、PC机12；其中，刀片2通过定位螺钉3紧固安装于刀杆1的前部左侧面；压板4通过紧固螺栓5紧固安装于刀杆1的前部左侧面，且压板4的前部右侧面紧压于刀片2的左侧面；薄膜应变片传感器6固定安装于刀杆1的侧面中部；接线端子7通过紧固螺钉8紧固安装于刀杆1的后部下侧面；薄膜应变片传感器6的信号输出端通过连接线9与接线端子7的信号输入端连接；接线端子7的信号输出端与电压反馈运算放大器10的信号输入端连接；电压反馈运算放大器10的信号输出端与仪表放大器11的信号输入端连接；仪表放大器11的信号输出端与PC机12的信号输入端连接。
所述薄膜应变片传感器6的数目为四个；所述接线端子7的信号输入端的数目为四个；所述连接线9的数目为四根；四个薄膜应变片传感器6分别固定安装于刀杆1的上侧面中部、下侧面中部、左侧面中部、右侧面中部；四个薄膜应变片传感器6的信号输出端通过四根连接线9与接线端子7的四个信号输入端一一对应连接。工作时，四个薄膜应变片传感器同时在线感知刀杆的形变量，由此进一步提高了测量精度和灵敏度。
所述薄膜应变片传感器6包括基片；基片的上表面形成有薄膜绝缘层13；薄膜绝缘层13的上表面形成有四个薄膜电阻14和八个薄膜电极15；其中两个薄膜电阻14均纵向分布于薄膜绝缘层13的上表面，且该两个薄膜电阻14的位置关于薄膜绝缘层13的宽度中心线对称；另外两个薄膜电阻14均横向分布于薄膜绝缘层13的上表面，且该两个薄膜电阻14的位置关于薄膜绝缘层13的宽度中心线对称；四个薄膜电阻14的两端与八个薄膜电极15一一对应连接；四个薄膜电阻14的上表面形成有薄膜保护层；八个薄膜电极15均曝露于薄膜保护层外；基片固定安装于刀杆1的侧面中部；八个薄膜电极15共同作为薄膜应变片传感器6的信号输出端。工作时，通过八个薄膜电极将四个薄膜电阻栅与外部电压表连接构成惠斯通电桥，并通过连接线将该惠斯通电桥的输出端与接线端子的信号输入端连接。当刀片切削工件时，刀杆在切削力的作用下发生形变，并带动四个薄膜电阻均发生形变，此时，纵向分布的两个薄膜电阻的形变量与横向分布的两个薄膜电阻的形变量不相等，导致惠斯通电桥输出电压信号，该电压信号依次通过连接线、接线端子在线发送至电压反馈运算放大器。
所述基片的材料为45号钢；所述薄膜绝缘层13的材料为Si3N4；所述四个薄膜电阻14的材料均为Ni-Cr合金；所述八个薄膜电极15的材料均为银；所述薄膜保护层的材料为Si3N4。
所述基片为正方形基片，其长度为15mm，宽度为15mm，厚度为1mm；所述薄膜绝缘层13为正方形薄膜绝缘层，其长度为15mm，宽度为15mm，厚度为500nm；所述四个薄膜电阻14均为长方形薄膜电阻，其长度均为2.55mm，宽度均为2mm，厚度均为400nm；所述八个薄膜电极15均为正方形薄膜电极，其长度均为2mm，宽度均为2mm，厚度均为400nm；所述薄膜保护层为正方形薄膜保护层，其厚度为300nm。
具体实施时，刀片2采用93°偏头外圆刀片。薄膜应变片传感器6通过扩散焊的连接方式固定安装于刀杆1的侧面中部。电压反馈运算放大器10采用OPA656型电压反馈运算放大器，OPA656型电压反馈运算放大器具有超宽频带、单位增益稳定的特点。仪表放大器11采用INA129型仪表放大器，INA129型仪表放大器具有低功耗、高精度的特点。

Claims (5)

1.一种嵌入薄膜应变片传感器的切削力在线测量刀具系统，其特征在于：包括信号采集部分和信号处理部分；所述信号采集部分包括刀杆（1）、刀片（2）、定位螺钉（3）、压板（4）、紧固螺栓（5）、薄膜应变片传感器（6）、接线端子（7）、紧固螺钉（8）、连接线（9）；所述信号处理部分包括电压反馈运算放大器（10）、仪表放大器（11）、PC机（12）；其中，刀片（2）通过定位螺钉（3）紧固安装于刀杆（1）的前部左侧面；压板（4）通过紧固螺栓（5）紧固安装于刀杆（1）的前部左侧面，且压板（4）的前部右侧面紧压于刀片（2）的左侧面；薄膜应变片传感器（6）固定安装于刀杆（1）的侧面中部；接线端子（7）通过紧固螺钉（8）紧固安装于刀杆（1）的后部下侧面；薄膜应变片传感器（6）的信号输出端通过连接线（9）与接线端子（7）的信号输入端连接；接线端子（7）的信号输出端与电压反馈运算放大器（10）的信号输入端连接；电压反馈运算放大器（10）的信号输出端与仪表放大器（11）的信号输入端连接；仪表放大器（11）的信号输出端与PC机（12）的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入薄膜应变片传感器的切削力在线测量刀具系统，其特征在于：所述薄膜应变片传感器（6）的数目为四个；所述接线端子（7）的信号输入端的数目为四个；所述连接线（9）的数目为四根；四个薄膜应变片传感器（6）分别固定安装于刀杆（1）的上侧面中部、下侧面中部、左侧面中部、右侧面中部；四个薄膜应变片传感器（6）的信号输出端通过四根连接线（9）与接线端子（7）的四个信号输入端一一对应连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种嵌入薄膜应变片传感器的切削力在线测量刀具系统，其特征在于：所述薄膜应变片传感器（6）包括基片；基片的上表面形成有薄膜绝缘层（13）；薄膜绝缘层（13）的上表面形成有四个薄膜电阻（14）和八个薄膜电极（15）；其中两个薄膜电阻（14）均纵向分布于薄膜绝缘层（13）的上表面，且该两个薄膜电阻（14）的位置关于薄膜绝缘层（13）的宽度中心线对称；另外两个薄膜电阻（14）均横向分布于薄膜绝缘层（13）的上表面，且该两个薄膜电阻（14）的位置关于薄膜绝缘层（13）的宽度中心线对称；四个薄膜电阻（14）的两端与八个薄膜电极（15）一一对应连接；四个薄膜电阻（14）的上表面形成有薄膜保护层；八个薄膜电极（15）均曝露于薄膜保护层外；基片固定安装于刀杆（1）的侧面中部；八个薄膜电极（15）共同作为薄膜应变片传感器（6）的信号输出端。
4.根据权利要求3所述的一种嵌入薄膜应变片传感器的切削力在线测量刀具系统，其特征在于：所述基片的材料为45号钢；所述薄膜绝缘层（13）的材料为Si3N4；所述四个薄膜电阻（14）的材料均为Ni-Cr合金；所述八个薄膜电极（15）的材料均为银；所述薄膜保护层的材料为Si3N4。
5.根据权利要求3所述的一种嵌入薄膜应变片传感器的切削力在线测量刀具系统，其特征在于：所述基片为正方形基片，其长度为15mm，宽度为15mm，厚度为1mm；所述薄膜绝缘层（13）为正方形薄膜绝缘层，其长度为15mm，宽度为15mm，厚度为500nm；所述四个薄膜电阻（14）均为长方形薄膜电阻，其长度均为2.55mm，宽度均为2mm，厚度均为400nm；所述八个薄膜电极（15）均为正方形薄膜电极，其长度均为2mm，宽度均为2mm，厚度均为400nm；所述薄膜保护层为正方形薄膜保护层，其厚度为300nm。
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