CN103743502B - 一种压阻式旋转二分量铣削力传感器 - Google Patents

Abstract

一种压阻式旋转二分量铣削力传感器，包括主体结构，联结盖和主要结构中心轴部进行过盈配合，而周边进行螺纹连接，前端结构和联结盖之间螺纹连接，前端结构由前部HSK型刀柄头和后部圆盘连接组成，刀柄头实现测力传感器与机床主轴的联结，后部圆盘实现与联结盖的无缝联结；主体结构一端端头为薄壁圆筒，另一端为刀具夹持，中部设有支撑圆盘，薄壁圆筒是整个传感器的弹性元件，具有极高的灵敏度，薄壁圆筒实现传感器整体结构刚度与灵敏度的融合；支撑圆盘支撑传感器的各个模块，刀具夹持安装刀具；薄壁圆筒上沿着轴向和45度轴向粘贴MEMS硅微力敏芯片，用以测量轴向力Fz和主轴力矩M。具有灵敏度高、抗干扰能力强、通用性强等优点。

Description

一种压阻式旋转二分量铣削力传感器

技术领域

本发明涉及智能装备制造技术领域，特别涉及一种压阻式旋转二分量铣削力传感器。

背景技术

高速切削和高速加工具有生产效率高、加工精度好、刀具使用寿命长等优点，近年来已经在现代精密、超精密加工中占据了不可或缺的地位。在高速切削和高速加工过程中，刀具所受切削力的大小及切削力的变化趋势与刀具磨损、破损和耐用度之间存在着明显的关系，直接影响加工质量的好坏。为了对机床的切削力进行监测、分析和控制，不同类型的测力仪相继问世，但是均有不足之处。机械式及液压式切削测力仪，不能测量真实的切削力；应变式测力仪，灵敏度和刚度的矛盾无法解决；电容、电感式测力仪有抗干扰能力差、静态线形误差大等缺点；近些年问世的压电测力仪，存在着不能测量静态力、力点位置误差大、价格昂贵等一系列不足之处。

近年来，利用MEMS技术研制的硅微力敏芯片已经进入人们的视线。MEMS硅微力敏芯片的显著特点是体积极其微小，重量轻，工作可靠，批量生产成本低。基于硅的压阻效应制造的力敏芯片将在保留应变式切削力传感器优点的同时，还将进一步减小体积、提高系统的集成度。因此只要合理的选择弹性体的结构和测力方式，有效地平衡刚度和灵敏度之间的矛盾，就可以有效地提高压阻式测力仪的测量精度和动态特性。

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压阻式旋转二分量铣削力传感器，具有灵敏度高、抗干扰能力强、通用性强的优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种压阻式旋转二分量铣削力传感器，包括主体结构3，联结盖2和主体结构3中心轴部进行过盈配合，而周边进行螺纹连接，前端结构1和联结盖2之间螺纹连接；

所述的前端结构1，由前部HSK型刀柄头1a和后部圆盘1b连接组成，刀柄头1a实现测力传感器与机床主轴的联结，后部圆盘1b实现与联结盖2的无缝联结；

所述的主体结构3，其一端端头为薄壁圆筒3a，另一端为刀具夹持3c，中部设有支撑圆盘3b，薄壁圆筒3a是整个传感器的弹性元件，具有极高的灵敏度，薄壁圆筒3a实现传感器整体结构刚度与灵敏度的融合；支撑圆盘3b支撑传感器的各个模块，刀具夹持3c安装刀具；薄壁圆筒3a上沿着轴向和45度轴向粘贴MEMS硅微力敏芯片4，用以测量轴向力Fz和主轴力矩M。

所述的薄壁圆筒3a长8mm，厚1.5mm，中径35mm。

所述的支撑圆盘3b外径150mm，内径40mm。

所述的MEMS硅微力敏芯片4，是利用硅材料的压阻效应制成，在（100）晶面的[110]晶向和晶向各制作两个电阻条，四个电阻条在芯片内部集成惠斯通全桥电路，将微弱的电阻变化转换成易于识别的电压信号。

与现有技术相比本发明的优点在于：采用薄壁圆筒3a作为传感器的弹性元件，能够很好解决刚度与灵敏度之间的矛盾。前部刀柄头1a采用HAK-A系列刀柄接口，保证了传感器与高速旋转主轴的通用联结。刀具夹持3c可以根据实际需求安装不同的刀具。整体结构采用组合封装的模式，既保证了传感器的广泛通用性，又可实现随时拆卸、组装和更换部件。同时采用MEMS硅微力敏芯片，具有灵敏度高、可靠性高以及可大规模生产等优点。本发明既可测量静态力，又适用于动态力的在线实时测量，具有高灵敏度、刚度好、通用性强、成本低、维护简单等优点。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的整体结构半剖示意图。

图3为本发明传感器各结构分解示意图。

图4为本发明薄壁圆筒3a外表面分析单元示意图。

图5为本发明薄壁圆筒3a上粘贴MEMS硅微力敏芯片示意图。

图6为本发明MEMS硅微力敏芯片版图结构示意图。

图7为本发明MEMS硅微力敏芯片内部集成惠斯通全桥示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的结构与工作原理详细说明。

参照图1、图2，一种压阻式旋转二分量铣削力传感器，包括传感器主体结构3，联结盖2和主体结构3中心轴部进行过盈配合，而周边进行螺纹连接，前端结构1和联结盖2之间通过螺钉进行螺纹连接，整体结构组成一个既能联结主轴、安装刀具，又能实时监测高速旋转铣削力的测力刀柄。

参见图3，所述的前端结构1，由前部HSK型刀柄头1a和后部圆盘1b连接组成，刀柄头1a实现测力传感器与机床主轴的联结，具有广泛的通用性，后部圆盘1b实现与联结盖2的无缝联结，保障了整体结构的刚度和同轴度。

参见图3，所述的联结盖2，其端部2a实现了与前端结构1的后部圆盘1b螺纹连接，其端部2b又实现了与主体结构3的过盈配合和螺纹连接，同时具有保护主体结构3中传感器芯片的作用。

参见图3，所述的主体结构3，其一端端头为薄壁圆筒3a，另一端为刀具夹持3c，中部设有支撑圆盘3b，薄壁圆筒3a是整个传感器的弹性元件，具有极高的灵敏度，薄壁圆筒3a实现传感器整体结构刚度与灵敏度的融合；支撑圆盘3b支撑传感器的各个模块，实现应力应变信号的无线传输；刀具夹持3c安装刀具，保证了广泛通用性。

所述的薄壁圆筒3a长8mm，厚1.5mm，中径35mm。

所述的支撑圆盘3b外径150mm，内径40mm。

参见图5，所述的薄壁圆筒3a上沿着轴向和45度轴向粘贴MEMS硅微力敏芯片4，用以测量轴向力Fz和主轴力矩M，沿着轴向粘贴的MEMS硅微力敏芯片主要为了测量轴向力Fz引起的正应力，而沿着45度轴向的MEMS硅微力敏芯片主要是为了测量主轴力矩M引起的切应力。薄壁圆筒3a厚度薄，保证了测量灵敏度；长度短，则不影响整体结构的刚度，解决了灵敏度与刚度之间的矛盾。

参见图6和图7，所述的MEMS硅微力敏芯片4，是利用硅材料的压阻效应制成，根据（100）晶面内单晶硅优良的力学和电学特性，采用MEMS技术和集成电路工艺，在[110]晶向和晶向各制作两个电阻条，四个电阻条在芯片内部集成惠斯通全桥电路，将微弱的电阻变化转换成易于识别的电压信号，具有灵敏度高、可靠性高以及可大规模生产等诸多优点。

本发明的工作原理为：

使用时，参见图1，将整体传感器的前端部分1与机床主轴联结，保证测力传感器与机床主轴的同步转动。联结盖2将前端结构1和主要结构3连接为一个整体，随机床主轴一起高速旋转，具有良好的刚度和同轴度。主要结构3上装卡刀具，保证正常切削的完成。

参见图5，刀具在高速旋转时，同时承受轴向力Fz和主轴力矩M作用，是一个受压扭组合变形的构件。为实现轴向力Fz和主轴力矩M的测量，应分别测得在轴向力Fz和主轴力矩M作用下的应变。

参见图4，取薄壁圆筒3a表面上的一个单元体E进行受力分析。单元体E可以分解为E1和E2。单元体E1只受主轴力矩M作用产生的剪应力，处于纯剪应力状态。由应力分析可知，在与轴向成45度方向上存在着最小和最大主应力，其绝对值均等于最大剪应力。

以MEMS硅微力敏芯片测得45度轴向上的主应力，即为最大剪应力，再根据剪应力与力矩之间的关系式即可求得主轴力矩M。

${\mathrm{\τ}}_{\max }=\frac{M_{n}R}{I_p}$

单元体E2在轴向作用力Fz下产生压应力σ_压，处于单向应力状态。由应力分析可知，在横截面上存在着最大正应力。

${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{F_z}{A}$

在与轴向成45度方向的截面上作用有符号相同的正应力，其数值等于轴向应力σ_压的一半，也就是最大正应力的一半。

根据上述单元体E的应力分析，可将MEMS硅微力敏芯片如下所述方式布置，即通过与刀具的轴的轴向和45度轴向进行组合封装，达到同时对轴向力Fz和主轴力矩M进行测量的目的。

Claims (1)

1.一种压阻式旋转二分量铣削力传感器，包括主体结构(3)，其特征在于：联结盖(2)和主体结构(3)中心轴部进行过盈配合，而周边进行螺纹连接，前端结构(1)和联结盖(2)之间螺纹连接；

所述的前端结构(1)，由前部HSK型刀柄头(1a)和后部圆盘(1b)连接组成，刀柄头(1a)实现测力传感器与机床主轴的联结，后部圆盘(1b)实现与联结盖(2)的无缝联结；

所述的主体结构(3)，其一端端头为薄壁圆筒(3a)，另一端为刀具夹持(3c)，中部设有支撑圆盘(3b)，薄壁圆筒(3a)是整个传感器的弹性元件，支撑圆盘(3b)支撑传感器的各个模块，刀具夹持(3c)安装刀具；薄壁圆筒(3a)上沿着轴向和45度轴向粘贴MEMS硅微力敏芯片(4)，用以测量轴向力Fz和主轴力矩M；

所述的薄壁圆筒(3a)长8mm，厚1.5mm，中径35mm；

所述的支撑圆盘(3b)外径150mm，内径40mm；

所述的MEMS硅微力敏芯片(4)，是利用硅材料的压阻效应制成，在(100)晶面的[110]晶向和晶向各制作两个电阻条，四个电阻条在芯片内部集成惠斯通全桥电路，将微弱的电阻变化转换成易于识别的电压信号。