CN103753395B - 一种磨削力传感器及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种磨削力传感器及其测量方法，包括接触头、上三角导向梁、下三角导向梁，以及悬耳，所述悬耳封装有转换元件，所述转换元件为硅芯片或金属应变片，所述硅芯片或金属应变片形成惠斯通电桥，所述转换元件与外部处理电路相连。使用时，将磨削力传感器作为机床侧限位夹具与被加工工件连接起来，磨削力的切向力经正交分解后通过接触头作用在悬耳上，使得悬耳发生弯曲变形，该弯曲变形传递到转换元件上导致转换元件压敏电阻的阻值发生变化，使由压敏电阻构成的惠斯通电桥的输出端输出与被测切向力成正比的电信号，从而实现切向力的测量。

Description

一种磨削力传感器及其测量方法
技术领域
本发明涉及测力技术领域，特别涉及一种磨削力传感器及其测量方法，可将力转化为力矩，有利于提高传感器灵敏度。
背景技术
对于脆性材料以及加工精度要求很高的工件，磨削是最理想的加工方式，而在磨削过程中，砂轮磨削力是反映磨削状态的重要指标。砂轮在持续的磨削过程中，其上的磨粒会产生钝化，脱落甚至堵塞，这将降低砂轮的锋锐程度，使得在同等的工艺参数条件下，磨削力显著增大，引起系统振动，降低加工精度，次品发生概率增大。
因此，实时监控磨削过程中磨削力的变化对于提高加工精度和生产效率都有重大意义。例如，平面磨削过程中，磨削力可以分解为法向磨削力Fn和切向磨削力Ft，一般Fn/Ft的比值范围为2.0～2.5。目前磨削力的测量均采用专用测力传感器，这些测力传感器一般较多地安装在刀具夹持位置，这种方法不仅破坏了硬件结构的完整性，降低了系统刚度，而且测力传感器的安装复杂，成本高。目前，对于磨削状态的监测，也有采用力传感器、声发射传感器和功率传感器等多传感器信息融合智能监测系统监测砂轮的磨削状态，但该种方法结构复杂，信息冗余，后期处理工作量大，而且反应慢，相互之间容易产生干扰。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提出一种磨削力传感器及其测量方法，主要用于平面或曲面磨削加工中的磨削力监测。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种磨削力传感器，包括接触头、上三角导向梁、下三角导向梁，以及悬耳，所述接触头用于夹紧固定被加工工件，所述悬耳位于上三角导向梁和下三角导向梁之间，所述上三角导向梁顶部与接触头连接，所述悬耳封装有转换元件，所述转换元件为硅芯片或金属应变片，所述硅芯片或金属应变片形成惠斯通电桥，所述转换元件与外部处理电路相连。
所述下三角导向梁的下方是带六角头的螺纹结构，所述带六角头的螺纹结构上方设置有转接板，所述转换元件通过金线连接到转接板的焊盘上，所述转接板的焊盘与外部处理电路相连。
带六角头的螺纹结构包括螺纹结构和六角头，所述六角头的内切圆直径大于下三角导向梁的外接圆直径，所述转接板设置在六角头上表面。
转换元件封装在悬耳的外表面平面部分。
上三角导向梁和下三角导向梁均是截面为等边三角形的三棱柱。
所述悬耳的外表面平面部分分别与上三角导向梁和下三角导向梁的三个面对应平行。
所述悬耳以120°的夹角均匀间隔分布。
所述悬耳的外表面平面部分设置有喷砂层。
一种利用上述磨削力传感器进行切向力测量的方法，将磨削力传感器作为机床侧限位夹具与被加工工件连接起来，磨削力的切向力经正交分解后通过接触头作用在悬耳上，使得悬耳发生弯曲变形，该弯曲变形传递到转换元件上导致转换元件的阻值发生变化，压敏电阻阻值发生变化的惠斯通电桥输出端输出与被测切向力成正比的电信号，从而实现切向力的测量。
与现有技术相比，本发明磨削力传感器及其测量方法至少具有以下有益效果：本发明包括接触头、上三角导向梁、下三角导向梁，以及悬耳，所述接触头用于夹紧固定被加工工件，所述悬耳位于上三角导向梁和下三角导向梁之间，所述上三角导向梁顶部与接触头连接，所述悬耳封装有转换元件，所述转换元件为硅芯片或金属应变片，所述硅芯片或金属应变片的压敏电阻形成惠斯通电桥，所述转换元件与外部处理电路相连。使用时，将磨削力传感器作为机床侧限位夹具与被加工工件连接起来，磨削力的切向力经正交分解后通过接触头作用在悬耳上，使得悬耳发生弯曲变形，该弯曲变形传递到转换元件上导致转换元件的压敏电阻阻值发生变化，使由压敏电阻构成的惠斯通电桥的输出端输出与被测切向力成正比的电信号，从而实现切向力的测量。本发明磨削力传感器既能测量砂轮的磨削状态，同时又不破坏机床结构的完整性和系统刚度，具有结构简单、测量量程大、灵敏度高、应用范围广、信噪比高等优点。
附图说明
图1为本发明传感器的立体结构示意图。
图2为本发明传感器的正视图。
图3本发明传感器三个悬耳按120°分布示意图。
图4为本发明传感器中悬耳与上三角导向梁的位置示意图。
图5为本发明传感器与工件的安装示意图。
图6为本发明传感器与工件接触受力的局部示意图。
图7为砂轮和工件的安装示意图。
附图中：1为带六角头的螺纹；2为下三角导向梁；3为悬耳；4为上三角导向梁；5为接触头；6为转换元件；7为金线；8为转接板；9为底座。
具体实施方式
本发明提供了一种磨削力传感器，包括带有六角头的螺纹结构1，下三角导向梁2的上下两端分别与悬耳3和螺纹结构1相连，上三角导向梁4的上下两端分别与接触头5和悬耳3相连，三个悬耳3的外表面的平面部分固结封装有转换元件6（如硅芯片、金属应变片等），转换元件6通过金线7连接到转接板8焊盘上，电缆线再从转接板8的焊盘上引出，与外部处理电路连接起来，本发明传感器安装在底座9上，通过底座9调整传感器在工作转台上的位置。
所述接触头5为矩形，其顶面形状与被加工工件的外形相一致，以便于夹紧固定被加工工件，并将磨削力传递到转换元件6上。
所述上三角导向梁4和下三角导向梁2均是截面为等边三角形的三棱柱。
所述三个悬耳3以120°均匀间隔绕中心线分布一个圆周，三个所述悬耳3的外表面的平面部分分别与所述上三角导向梁4和下三角导向梁2的三个面对应平行。
所述悬耳3外表面的平面部分经过喷砂处理，形成喷砂层，以增强悬耳3与硅敏感芯片的固结强度；
所述转换元件6采用硅芯片或金属应变片等，其中的压敏电阻通过金线7和转接板8组成惠斯通电桥，并与外部电路连接。
所述转换元件6与悬耳的封装固结方式有胶粘或者微熔技术等。
本发明的工作原理为：
本发明磨削力传感器作为机床侧限位夹具与被加工件连接起来，参照图5，磨削力经力的正交分解为法向力Fn和切向力Ft，参照图7，被测切向力Ft再经力的正交分解直接作用在接触头5的顶面上，参照图6，作用力Fi（i=1,2,3,4）通过上三角导向梁4作用在三个悬耳3上，其中Fi产生的力矩使得悬耳3发生弯曲变形，该形变直接传递到固结在悬耳3外表面的平面部分的转换元件6上，基于电阻效应，转换元件6的压敏电阻阻值发生变化，加载到惠斯通电桥输入端的恒定电流或者电压经转接板8和金线7给转换元件6供电，使由压敏电阻构成的惠斯通电桥的输出端输出与被测力Ft成正比的电信号，实现了切向力Ft的测量，然后利用Fn/Ft的比值关系得到磨削力的大小，最终实现对砂轮磨削状态的监测，以用于后续的补偿加工，提高磨削精度。
被测力作用在弹性结构顶部接触头的顶面，通过上三角导向梁将力转化为力矩作用在弹性结构悬耳上，使悬耳发生弯曲变形，导致固结在悬耳外表面平面部分上的转换元件的压敏电阻阻值发生变化，恒定电流或者电压加载到电桥输入端，经转接板和引线加载到转换元件上，则电桥输出端输出与被测力成正比的电信号。传感器通过螺纹连接固定在加工转台上的安装底座上，并均匀布置，其中传感器通过弹性结构顶部的接触头夹紧被加工工件，起到夹具的作用。当磨削被加工工件时，起夹具作用的传感器就会输出电信号，根据信号分析和数据处理，可实时得到磨削力的大小和方向，从而实现砂轮磨削状态的监测。本发明传感器具有结构简单、测量量程大、灵敏度高、应用范围广、信噪比高等优点，为智能机床的研制提供一定的技术手段。
本发明磨削力传感器可由钛合金制造，因而具有腐蚀性能好、比强度高、热传导系数小等优点，所以本发明传感器在磨削加工过程中进行实时监测磨削力大小时，不需要考虑冷却液的影响，而且具有体积小、重量轻、节省空间等特点，同时热传导系数小，使得在突然的温度变化的情况下，不会影响转换元件的工作性能；由于本发明中被测力是通过悬耳结构将力转化为力矩作用在转换元件6上，因而增大了封装固结转换元件6处的应变，提高了传感器的灵敏度；而且本发明磨削力传感器在固定被加工工件的同时，进行磨削力切向力的测量，装置简单，易于安装。

Claims (9)

1.一种磨削力传感器，其特征在于：包括接触头(5)、上三角导向梁(4)、下三角导向梁(2)，以及悬耳(3)，所述接触头用于夹紧固定被加工工件，所述悬耳(3)位于上三角导向梁(4)和下三角导向梁(2)之间，所述上三角导向梁(4)顶部与接触头(5)连接，所述悬耳(3)封装有转换元件(6)，所述转换元件(6)为硅芯片或金属应变片，所述硅芯片或金属应变片的压敏电阻形成惠斯通电桥，所述转换元件与外部处理电路相连。
2.根据权利要求1所述的一种磨削力传感器，其特征在于：所述下三角导向梁(2)的下方是带六角头的螺纹结构(1)，所述带六角头的螺纹结构(1)上方设置有转接板(8)，所述转换元件(6)通过金线(7)连接到转接板(8)的焊盘上，所述转接板(8)的焊盘与外部处理电路相连。
3.根据权利要求2所述的一种磨削力传感器，其特征在于：所述带六角头的螺纹结构(1)包括螺纹结构和六角头，所述六角头的内切圆直径大于下三角导向梁(2)的外接圆直径，所述转接板(8)设置在六角头上表面。
4.根据权利要求1所述的一种磨削力传感器，其特征在于：所述转换元件(6)封装在悬耳(3)的外表面的平面部分。
5.根据权利要求1所述的一种磨削力传感器，其特征在于：所述上三角导向梁(4)和下三角导向梁(2)均是截面为等边三角形的三棱柱。
6.根据权利要求5所述的一种磨削力传感器，其特征在于：三个所述悬耳(3)的外表面的平面部分分别与上三角导向梁(4)和下三角导向梁(2)的三个面对应平行。
7.根据权利要求1或5或6所述的一种磨削力传感器，其特征在于：三个所述悬耳以120°的夹角均匀间隔分布。
8.根据权利要求1所述的一种磨削力传感器，其特征在于：所述悬耳的外表面平面部分设置有喷砂层。
9.一种利用权利要求1所述的磨削力传感器进行切向力测量的方法，其特征在于：将磨削力传感器作为机床侧限位夹具与被加工工件连接起来，磨削力的切向力经正交分解后通过接触头(5)作用在悬耳(3)上，使得悬耳发生弯曲变形，该弯曲变形传递到转换元件上导致转换元件的压敏电阻阻值发生变化，使由压敏电阻构成的惠斯通电桥的输出端输出与被测切向力成正比的电信号，从而实现切向力的测量。
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