CN103921174B - 一种应变式高频响固定式四分量铣削力传感器 - Google Patents

Abstract

一种应变式高频响固定式四分量铣削力传感器，传感器为一个整体结构零件，传感器采用支撑梁加变形梁的复合结构设计，传感器以竖直中心轴四面对称，且每面又以该面内的竖直对称轴左右镜像对称，传感器包括载物平台、复合梁、固定底座三部分，载物平台通过复合梁连接在固定底座上，复合梁共四组，每组由一个侧边连接台、一对支撑变形梁以及一对水平变形梁组成，在各组支撑变形梁的内壁贴装第一金属电阻应变片，在各组水平变形梁外壁贴装第二金属电阻应变片，本发明提高测力仪的动态特性，实现对铣台水平X、Y方向和竖直Z方向受力的精确测量，间接获得铣台三维方向受力以及所承受的主轴扭矩的大小。

Description

一种应变式高频响固定式四分量铣削力传感器

技术领域

本发明涉及铣削力测力技术领域，特别涉及一种应变式高频响固定式四分量铣削力传感器。

背景技术

在机械加工中的众多手段中，铣削加工是最常见的加工方法之一。铣削力和轴向扭矩都是反映铣削过程的重要指标，铣削状态的每个微小变化都能通过铣削力以及轴向扭矩的变化反映出来。铣削力和轴向扭矩大小与刀具磨损程度、铣削加工温度、铣床加工精度、速度以及功率消耗等有着密切关系，因此如何精确测量铣削力对于提高加工效率、实现机加工过程的实时监控非常重要。

传统的铣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。目前比较常见的是压电式和应变式的铣削力传感器。压电式铣削力测力仪多为固定式结构，具有高灵敏度高固有频率的特点，适合于动态量的测量。但是由于压电传感器的结构复杂，通常需要多块压电晶体高精度组合装配，调试麻烦，维护极为不便，且造价昂贵，在产品化上受到很大限制。应变式铣削力测力仪则具有性能可靠、量产成本低、静态精度高、长期稳定性好、坚固耐用、工艺性好等特点。不仅具有较好的动态特性，还能测量静态载荷下的应变。但是由于固定式应变式测力仪无法解决其灵敏度和固有频率之间的固有矛盾，所以多年来固定式应变式测力仪的应用一直落后于固定式压电式测力仪。在进行固定式应变式测力仪的结构设计时，固有频率的计算需要将被加工工件的质量也考虑在内，因此更要选择合理的结构设计方案，在保持一定灵敏度的基础上，尽量提高固定式应变式铣削力测力仪本身的固有频率。

现有的铣床扭矩测量仪种类也是多种多样的，主要包括接触式和非接触式的两种测量方法，包含应变式、压电式、电容式、声波式、电磁式和光电式等类型，其中大部分又为定心式扭矩测量仪。对于铣床定心扭矩测量仪，目前最常用的结构是贴在铣刀旋转主轴上的应变式扭矩测量仪。它虽然也具有应变式测量仪的所有优点，但是由于是安装在不断旋转的主轴上，数据输出的难度大大增加，且对输出设备的装配平衡度要求较高。对于无定心的扭矩测量，近年来，国内仅大连理工大学等少数科研单位进行了相关的研究，选用的是固定式的压电传感器。如前所述，压电式测量仪虽然有诸多优点，但是传感器的运维开销十分巨大。因此对无定心固定式应变式扭矩测量的各种探索成为一种必然。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种应变式高频响固定式四分量铣削力传感器，提高测力仪的动态特性，实现对铣台水平X、Y方向和竖直Z方向受力的精确测量，间接获得铣台三维方向受力以及所承受的主轴扭矩的大小。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种应变式高频响固定式四分量铣削力传感器，传感器2为一个整体结构零件，被加工工件1通过夹具固定在传感器2上，传感器2固定于铣台3上；

所述传感器2采用支撑梁加变形梁的复合结构设计，共十六根变形梁，传感器2以竖直中心轴10四面对称，且每面又以该面内的竖直对称轴11左右镜像对称，传感器2包括载物平台4、复合梁5、固定底座6三部分，载物平台4通过复合梁5连接在固定底座6上，靠近竖直中心轴10的方向相对为内侧，而靠近传感器2四边的方向定义为外侧；靠近竖直对称轴11的方向相对为内端，而靠近传感器2四角的方向定义为外端；

所述的复合梁5共四组，以竖直中心轴10四面对称，每组由一个侧边连接台7、一对支撑变形梁8以及一对水平变形梁9组成，且都以竖直对称轴11左右镜像对称，侧边连接台7为长方体结构，内壁与载物平台4相接，竖直厚度与载物平台4相同，侧边连接台7与载物平台4连接面的水平长度为载物平台4水平边长的1/3；支撑变形梁8为一对长方体立柱结构，两个长方体分立竖直对称轴11两侧，支撑变形梁8顶面与侧边连接台7底面相接，其底面与固定底座6上表面相接，其外壁与侧边连接台7的外壁竖直共面，其内壁与固定底座6的环形内壁竖直共面，其内、外壁间的长度短于侧边连接台7内、外壁间的长度，且该长度差不超过短值的1/5；水平变形梁9为一对长方体竖直薄片结构，两薄片结构分立于侧边连接台7左右两侧，其内端分别与侧边连接台7的左右侧壁相接，其外端分别与固定底座6的隆起部分相连，其底面与侧边连接台7的底面水平共面，其内壁与固定底座6的环形内壁竖直共面；

所述的支撑变形梁8既为水平和竖直方向的支撑梁也为竖直Z向的变形梁，分别在各组支撑变形梁8的内壁，以竖直对称轴11轴对称竖直贴装第一金属电阻应变片12，用以检测铣台3受到的竖直Z向作用力；水平变形梁9仅起水平支撑作用，分别在各组水平变形梁9外壁，以竖直对称轴11轴对称，水平贴装第二金属电阻应变片13，用以检测铣台3受到的水平X向或Y向作用力，并间接获得铣刀施加的主轴扭矩。

所述的载物平台4为四方体结构，以竖直中心轴10四面对称，且每面又以该面内的竖直对称轴11左右镜像对称，上、下面为正方形，用于承载和固定被加工工件1。

所述的固定底座6为四方环形结构，以竖直中心轴10四面对称，且每面又以该面内的竖直对称轴11左右镜像对称，中部为方形空洞，四角处向上隆起，且各钻削有一个通孔。

本发明的有益效果：第一，本发明在水平方向选择剪切力、拉压力以及弯曲正应力组合的支撑作用力结构，在竖直方向上选用偏心拉压的支撑作用力，使传感器本身的固有频率提升到4KHz以上的同时，也保证了变形梁上有充足的形变；第二，本发明在水平方向上使用水平拉压差动变形梁结构,竖直方向上使用竖直偏心拉压变形梁结构，主应力方向明确且单一，与施力方向相同，有效减少了各向铣削分力之间的相互影响和耦合；第三，本发明选用中心轴四面对称结构，结合水平拉压差动变形梁结构，便于求解出在传感器各边上，水平面内的切向主切削力投影的大小，进而实现对无定心铣削主轴扭矩的测量；第四，相比于压电式铣削力传感器只能测量动态力的缺陷，本发明不仅可以测量动态力，也适用于静态力的测量，在使用和维护方面更加简单可靠，降低成本。

附图说明

图1为传感器2安装使用示意图。

图2为传感器2总体结构示意图；其中2(a)为上下二等角轴侧视图；2(b)为前视图；2(c)为下视图。

图3为复合梁5结构示意图。

图4为第一金属电阻应变片12和第二金属电阻应变片13贴片位置示意图。

图5为复合梁5受力变形示意图；其中5(a)为受到水平力F_X或F_Y时复合梁5的形变；5(b)为受到竖直力F_Z时复合梁5的形变；5(c)为受到水平扭矩M作用时复合梁5的形变。

图6为支撑变形梁8和水平变形梁9示意图；其中6(a)为支撑变形梁8示意图；6(b)为水平变形梁9示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

本发明目的为测量较高主轴转速下，铣台在主轴Z向、水平X向或Y向受力以及铣刀主轴的扭矩，其中，铣刀主轴扭矩采用对水平面内周期作用的切向主切削力的动态测量而间接获得。

参照图1，一种应变式高频响固定式四分量铣削力传感器，为达到良好的作用力传递效果，传感器2为一个整体结构零件，被加工工件1通过夹具固定在传感器2上，传感器2通过螺栓固定于铣台3上。

参照图2(a)和图2(b)，所述的传感器2采用支撑梁加变形梁的复合结构设计，共十六根变形梁，传感器2以竖直中心轴10四面对称，且每面又以该面内的竖直对称轴11左右镜像对称，传感器2包括载物平台4、复合梁5、固定底座6三部分，载物平台4通过复合梁5连接在固定底座6上，靠近竖直中心轴10的方向相对为内侧，而靠近传感器2四边的方向定义为外侧；靠近竖直对称轴11的方向相对为内端，而靠近传感器2四角的方向定义为外端。

参照图2(a)，所述的载物平台4为四方体结构，以竖直中心轴10四面对称，且每面又以该面内的竖直对称轴11左右镜像对称，上、下面为正方形，用于承载和固定被加工工件1。

参照图2(b)和图2(c)，所述的固定底座6为四方环形结构，以竖直中心轴10四面对称，且每面又以该面内的竖直对称轴11左右镜像对称，中部为方形空洞，四角处向上隆起，且各钻削有一个通孔，当固定于铣台3上时，自由度为0。

参照图3，所述的复合梁5共四组，以竖直中心轴10四面对称，每组由一个侧边连接台7、一对支撑变形梁8以及一对水平变形梁9组成，且都以竖直对称轴11左右镜像对称，侧边连接台7为长方体结构，内壁与载物平台4相接，竖直厚度与载物平台4相同，侧边连接台7与载物平台4连接面的水平长度为载物平台4水平边长的1/3；支撑变形梁8为一对长方体立柱结构，两个长方体分立竖直对称轴11两侧，支撑变形梁8顶面与侧边连接台7底面相接，其底面与固定底座6上表面相接，其外壁与侧边连接台7的外壁竖直共面，其内壁与固定底座6的环形内壁竖直共面，其内、外壁间的长度短于侧边连接台7内、外壁间的长度，且该长度差不超过短值的1/5；水平变形梁9为一对竖直长方体薄片结构，两薄片结构分立于侧边连接台7左右两侧，其内端分别与侧边连接台7的左右侧壁相接，其外端分别与固定底座6的隆起部分相连，其底面与侧边连接台7的底面水平共面，其内壁与固定底座6的环形内壁竖直共面。

参照图4，所述的支撑变形梁8既为水平X、Y向以及竖直Z向的支撑梁也为竖直Z向的变形梁，分别在各组支撑变形梁8的内壁，以竖直对称轴11轴对称竖直贴装第一金属电阻应变片12，用以检测铣台3受到的竖直Z向作用力；水平变形梁9仅起水平支撑作用，分别在各组水平变形梁9外壁，以竖直对称轴11轴对称，水平贴装第二金属电阻应变片13，用以检测铣台3受到的水平X向或Y向作用力，并间接获得铣刀施加的主轴扭矩。

本发明的工作原理为：

复合梁5为本发明的主要支撑和变形部件，参照图5(a)，当施加X向或Y向水平作用力时，复合梁5中的侧边连接台7近似为刚体，铣刀作用力通过侧边连接台7分别传递到其下端和两侧的支撑变形梁8和水平变形梁9上，此时，支撑变形梁8和水平变形梁9起主要的支撑作用。分布在力的作用方向两端的两对支撑变形梁8及水平变形梁9的位置连线平行于力的作用方向，主要依靠支撑变形梁8的前向弯曲的剪切力进行支撑；分布在力的作用方向两侧的两对支撑变形梁8和水平变形梁9，该两组支撑变形梁的位置连线垂直于力的作用方向，主要依靠支撑变形梁8的侧向弯曲正应力和水平变形梁9的差动拉压正应力进行支撑。本发明水平45°方向上的固有频率最低，经过ANSYS仿真验证，本发明的支撑梁设计可将一阶固有频率提高到4KHz以上。

参照图5(a)，当位于力的作用方向两侧的侧边连接台7随水平力作用产生与力的作用方向相同的位移时，带动与之相连的水平变形梁9的内端亦产生位移，由于水平变形梁9的外端与固定底座6相连，该端近似自由度为0，水平变形梁9将被迫分别产生水平方向的挤压和拉伸变形，该对差动应变以竖直对称轴11呈镜像对称分布。本发明使用分布于X向或Y向水平力作用方向两侧的两组水平变形梁9，产生水平差动应变，实现对除主切削力以外的水平作用力的测量。

参照图5(a)、图6(a)和图6(b)，在水平X向作用力F_X或Y向作用力F_Y作用时，单个待测水平变形梁9的应变近似计算如下：

载物平台4近似刚体，支撑梁X向或Y向的等效总刚度K_X或K_Y近似为：

$K_X=K_Y=2(K_8+{K_8}^{\′}+K_9)=2*\frac{{\mathrm{Eh}}_8{b_8}^3}{4{l_8}^3}+2*\frac{5{\mathrm{Eb}}_8{h}_8}{12(1+\mathrm{\μ})l_8}+4*\frac{{\mathrm{Eb}}_9{h}_9}{l_9}$

其中，K₈、K₈’分别为在力的作用方向两侧和两端的支撑变形梁8弯曲和剪切变形的水平等效刚度，K₉为水平变形梁9的差动水平等效刚度，E为杨氏模量，μ为泊松比，h₈、b₈和l₈分别为支撑变形梁8的长、宽和厚度，h₉、b₉和l₉分别为水平变形梁9的长、宽和厚度。

水平作用力F_X或F_Y在每个水平变形梁9上产生的X向或Y向应变ε_X或ε_Y为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_X={\mathrm{\ϵ}}_Y=\frac{F_X}{K_X{l}_9}=\frac{F_Y}{K_Y{l}_9}\\ =\frac{F_X}{(2*\frac{{\mathrm{Eh}}_8{b_8}^3}{4{l_8}^3}+2*\frac{5{\mathrm{Eb}}_8{h}_8}{12(1+\mathrm{\μ})l_8}+4*\frac{{\mathrm{Eb}}_9{h}_9}{l_9})l_9}\\ =\frac{F_Y}{(2*\frac{{\mathrm{Eh}}_8{b_8}^3}{4{l_8}^3}+2*\frac{5{\mathrm{Eb}}_8{h}_8}{12(1+\mathrm{\μ})l_8}+4*\frac{{\mathrm{Eb}}_9{h}_9}{l_9})l_9}\end{array}$

参照图5(b)，当施加竖直Z向作用力F_Z时，固定底座6与侧边连接台7的形变近似为0，此时，固定底座6与侧边连接台7之间的支撑变形梁8的偏心抗压力，在竖直方向上起主要的支撑作用。所有支撑变形梁8全部产生竖直向下的偏心挤压变形，在竖直方向上，最大的弯曲挤压正应力出现在支撑变形梁8的内壁上。本发明使用各组支撑变形梁8的内壁上产生的竖直偏心弯曲挤压应变，实现对竖直Z向作用力的测量。

参照图5(b)和图6(a)，在竖直作用力F_Z作用时，单个支撑变形梁8内壁中点处的应变ε_Z近似计算如下：

${\mathrm{\ϵ}}_Z=\frac{F_Z/8}{b_8{h}_{8}E}+\frac{{\mathrm{\σ}}_{ez}}{E}=\frac{F_Z}{8}*(\frac{1}{b_8{h}_{8}E}+\frac{\frac{1}{2}{h}_1}{\frac{1}{6}{b}_8{h_8}^{2}E})$

其中，σ_ez为支撑变形梁8在顶面内边中点处受偏心拉压力时，内壁面受到的弯曲正应力。

参照图5(c)，在水平面内的切向扭转力作用下，主切削力通过侧边连接台7传递到其下端的支撑变形梁8上，此时，依然是支撑变形梁8依靠侧向弯曲的正应力起主要的支撑作用。当侧边连接台7随主切削力作用产生与该力在各边的投影方向相同的位移时，带动与之相连的水平变形梁9被迫分别产生水平方向上的挤压和拉伸差动变形，随着铣刀主轴的移动，由于轴心距离四边距离的不同，而使得四边上每对水平变形梁9的差动应变大小各异。本发明使用分布于传感器四面的四组水平变形梁9产生的水平差动应变，实现对水平扭矩的间接测量。

参照图5(c)、图6(a)和图6(b)，在主轴扭矩M作用时，单个待测水平变形梁9的应变近似计算如下：

主轴扭矩在一边上的等效刚度K_M近似为：

$K_M=K_8+K_9=\frac{{\mathrm{Eh}}_8{b_8}^3}{4{l_8}^3}+2*\frac{{\mathrm{Eb}}_9{h}_9}{l_9}$

铣削力在一边上一对水平变形梁9上的应变ε_M近似为：

${\mathrm{\ϵ}}_M=\frac{\frac{F_M}{K_M}}{l_M}=\frac{\frac{F_M}{\frac{{\mathrm{Eh}}_8{b_8}^3}{4{l_8}^3}+2*\frac{{\mathrm{Eb}}_9{h}_9}{l_9}}}{l_9}$

其中，F_M为铣刀主切削力在一边上的投影。

综上可知，使用本发明的传感器结构，在具体结构尺寸已知的情况下，经过标定，可以有效、快捷的建立第一金属电阻应变片12、第二金属电阻应变片13与铣台所受水平X向、Y向和竖直Z向以及铣刀主轴扭矩间的线性对应关系，且计算过程简单，具有较好的实用性。

Claims (3)

1.一种应变式高频响固定式四分量铣削力传感器，其特征在于：传感器(2)为一个整体结构零件，被加工工件(1)通过夹具固定在传感器(2)上，传感器(2)固定于铣台(3)上；

所述传感器(2)采用支撑梁加变形梁的复合结构设计，共十六根变形梁，传感器(2)以竖直中心轴(10)四面对称，且每面又以该面内的竖直对称轴(11)左右镜像对称，传感器(2)包括载物平台(4)、复合梁(5)、固定底座(6)三部分，载物平台(4)通过复合梁(5)连接在固定底座(6)上，靠近竖直中心轴(10)的方向相对为内侧，而靠近传感器(2)四边的方向定义为外侧；靠近竖直对称轴(11)的方向相对为内端，而靠近传感器(2)四角的方向定义为外端；

所述的复合梁(5)共四组，以竖直中心轴(10)四面对称，每组由一个侧边连接台(7)、一对支撑变形梁(8)以及一对水平变形梁(9)组成，且都以竖直对称轴(11)左右镜像对称，侧边连接台(7)为长方体结构，内壁与载物平台(4)相接，竖直厚度与载物平台(4)相同，侧边连接台(7)与载物平台(4)连接面的水平长度为载物平台(4)水平边长的1/3；支撑变形梁(8)为一对长方体立柱结构，两个长方体分立竖直对称轴(11)两侧，支撑变形梁(8)顶面与侧边连接台(7)底面相接，其底面与固定底座(6)上表面相接，其外壁与侧边连接台(7)的外壁竖直共面，其内壁与固定底座(6)的环形内壁竖直共面，其内、外壁间的长度短于侧边连接台(7)内、外壁间的长度，且该长度差不超过支撑变形梁(8)内、外壁间长度的1/5；水平变形梁(9)为一对长方体竖直薄片结构，两薄片结构分立于侧边连接台(7)左右两侧，其内端分别与侧边连接台(7)的左右侧壁相接，其外端分别与固定底座(6)的隆起部分相连，其底面与侧边连接台(7)的底面水平共面，其内壁与固定底座(6)的环形内壁竖直共面；

所述的支撑变形梁(8)既为水平和竖直方向的支撑梁也为竖直Z向的变形梁，分别在各组支撑变形梁(8)的内壁，以竖直对称轴(11)轴对称竖直贴装第一金属电阻应变片(12)，用以检测铣台(3)受到的竖直Z向作用力；水平变形梁(9)仅起水平支撑作用，分别在各组水平变形梁(9)外壁，以竖直对称轴(11)轴对称，水平贴装第二金属电阻应变片(13)，用以检测铣台(3)受到的水平X向或Y向作用力，并间接获得铣刀施加的主轴扭矩。

2.根据权利要求1所述的一种应变式高频响固定式四分量铣削力传感器，其特征在于：所述的载物平台(4)为四方体结构，以竖直中心轴(10)四面对称，且每面又以该面内的竖直对称轴左右镜像对称，上、下面为正方形，用于承载和固定被加工工件(1)。

3.根据权利要求1所述的一种应变式高频响固定式四分量铣削力传感器，其特征在于：所述的固定底座(6)为四方环形结构，以竖直中心轴(10)四面对称，且每面又以该面内的竖直对称轴(11)左右镜像对称，中部为方形空洞，四角处向上隆起，且各钻削有一个通孔。