CN106181578A - 一种测量扭矩和轴向力的旋转式铣削力传感器 - Google Patents

Abstract

一种测量扭矩和轴向力的旋转式铣削力传感器，包括主体结构，主体结构和保护壳连接，保护壳和保护壳盖连接，主体结构的前端为刀柄连接标准接口，后端为刀具夹持标准接口，中部的“笼”式结构是整个传感器的弹性元件，“笼”式结构是在弓形回转一周形成的曲面体的基础上，切割4对两两对称均匀分布的缝隙，使曲面体被分割成8部分，在其中4个部分上加工出小平台，小平台中心粘贴半导体硅应变片，其中沿轴向、垂直轴向的半导体硅应变片连接成惠斯通全桥，用以测量轴向力Fz；沿正负45度轴向粘贴的半导体硅应变片连接成惠斯通全桥，用于测量加工时刀具受到的扭矩T,本发明具有高灵敏度、高刚度、低交叉干扰、适应性强等优点。

Description

一种测量扭矩和轴向力的旋转式铣削力传感器

技术领域

本发明涉及铣削力传感器技术领域，具体涉及一种测量扭矩和轴向力的旋转式铣削力传感器。

背景技术

在现代智能制造、智能监测过程中，切削力是关键指标之一。切削力的无序变化可能导致刀具的磨损异常，刀具的破损和被加工工件较差的表面粗糙度，从而降低产品的尺寸精度和质量。更严重的是，有时候它可能威胁到操作者的安全。研究开发切削力智能监测系统是解决这些问题的一种方法。切削力传感器的发展对高加工精度、智能化制造以及制造工艺的优化有很重要的意义。

为了实现对切削力进行实时监测、分析，及时反馈修正，各种直接和间接的切削力监测系统已被提出和开发出来。切削力的测量原理主要基于一些典型的传感技术，包括压阻式传感器、压电传感器、电容式传感器、谐振式传感器等。以监测铣削过程中切削力的变化为目的，一系列的传感器被开发出来。例如，基于应变片的固定于工作台上的四分量测力计，可以测量三轴向和扭转力，但它的缺陷是自身的较低的刚度和较低的固有频率。固定于工作台上的基于压电效应的测力传感器的性能较好，具有更好的稳定性，高刚度和高灵敏度。然而，测量切削力时，传感器必须夹紧在机床和工件之间，这无疑限制了工件的几何形状和尺寸。基于压电效应的集成安装在主轴上环状的传感器，传感器随刀柄同时旋转，具有压电式传感器的典型优势，但其缺陷是高成本，不能测量静态力。电容、电感式测力仪，原理是利用电容极板间距或电感磁芯的移动把弹性体的位移转换成电容或电感的变化，并以电信号的方式体现出来，实质仍然是一种位移计。电容、电感式测力仪存在抗干扰能力差、静态线形误差大等缺点。

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测量扭矩和轴向力的旋转式铣削力传感器，能够同时测量轴向力和扭矩，具有高灵敏度、高刚度、低交叉干扰、适应性强等优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种测量扭矩和轴向力的旋转式铣削力传感器，包括主体结构1，保护壳盖2和保护壳3，主体结构1和保护壳3连接，保护壳3内安装传感器的信号采集电路，保护壳3和保护壳盖2连接，主体结构1的前端为实现测力传感器与机床主轴连接的刀柄连接标准接口1a，后端为实现与刀具连接的刀具夹持标准接口1c，中部的“笼”式结构1b是整个传感器的弹性元件。

所述的“笼”式结构1b是在弓形回转一周形成的曲面体的基础上，切割4对两两对称均匀分布的缝隙，使曲面体被分割成8部分，在其中4个部分上加工出小平台1d，并在每个小平台1d的四角开孔，起到应力集中作用；其余4个部分1e起到支撑作用，保证“笼”式结构1b具有足够的刚度；“笼”式结构1b上小平台1d中心沿着轴向、垂直轴向，以及正负45度轴向粘贴半导体硅应变片4，每个方向粘贴有两片半导体硅应变片4，共8片，其中沿轴向、垂直轴向的4片半导体硅应变片4组成一组，连接成惠斯通全桥形式，用以测量轴向力Fz；沿正负45度轴向粘贴的4片半导体硅应变片4组成一组，连接成惠斯通全桥形式，用于测量加工时刀具受到的扭矩T。

所述的半导体硅应变片4为硅条电阻应变片，将硅条4b集成在基底4a上，然后通过金丝4c将硅条4b连接至焊盘4d上，再通过焊盘4d转接出金属线4e，金属线4e作为半导体硅应变片4的引出线。

所述的“笼”式结构1b总长29mm，壁厚4mm，中间凸起部分中径44mm；粘贴半导体应变片4的小平台1d宽10mm,其中心最薄处壁厚2mm，小平台1d两侧缝隙宽2mm。

所述的保护壳3外径105mm，内径40mm。

所述的保护壳盖2外径105mm，内径53mm。

本发明的有益效果为：

基于半导体的压阻效应制造的半导体硅应变片4将在保留应变式切削力传感器优点的同时，提高灵敏度，进一步减小体积。在受到外力作用下，其电阻值将发生改变，通过惠斯通电桥转变为电信号输出，达到监测切削力的目的。对于铣削力传感器，设计合理的弹性体结构和选择合适的贴片位置及组桥方式，能够有效地解决传感器的刚度和灵敏度之间的矛盾。

采用“笼”式结构1b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，在保证高刚度的前提下极大地提高灵敏度，能够同时提高轴向和剪切方向的测力灵敏度；其前部1a刀柄连接标准接口1a，能够方便地同主轴连接，具有安装简单、通用性强的特点；后端刀具夹持标准接口1c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，安装、拆卸、维修方便，随时可更换零部件。信号采集电路采用惠斯通全桥电桥，稳定性强。本发明基于半导体硅应变片，能够测量静态力和动态力，具有高灵敏度、高刚度、无交叉干扰，适应性强、低成本、使用维护简单方便等优点。

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为本发明各结构分解示意图。

图4为本发明主体结构1三维示意图。

图5为本发明弹性体“笼”式结构1b上粘贴半导体硅应变片4三维示意图。

图6为本发明金属应变片连接成惠斯通全桥示意图。

图7为本发明半导体硅应变片4结构示意图。

图8为本发明受轴向力和扭矩时应力变化示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作详细说明。

参照图1、图2和图3，一种测量扭矩和轴向力的旋转式铣削力传感器，包括主体结构1、保护壳盖2和保护壳3，主体结构1和保护壳3通过螺纹连接，保护壳3内安装传感器的信号采集电路，保护壳3和保护壳盖2之间通过螺纹连接，主体结构1、保护壳盖2和保护壳3整体组成一个能够联结在主轴上，安装刀具，对轴向铣削力和铣削扭矩实时监测的力传感器。

所述的保护壳盖2，通过周边分布的螺纹孔同保护壳3进行螺纹连接，起到保护保护壳3内电信号不被外界干扰的作用，同时具有保护主体结构1上粘贴的半导体硅应变片4的作用。

所述的保护壳3，保护壳3内安装传感器的信号采集电路，实现应力应变转换成电信号并进行无线传输。

所述的主体结构1的前端为刀柄连接标准接口1a，后端为刀具夹持接口1c，中部的“笼”式结构1b是整个传感器的弹性元件。

参照图3和图4，所述的“笼”式结构1b是在弓形回转一周形成的曲面体的基础上，切割4对两两对称均匀分布的缝隙，使曲面体被分割成8部分，在其中4个部分上加工出小平台1d，并在每个小平台1d的四角开孔，达到应力集中的目的；其余4个部分1e起到支撑作用，保证“笼”式结构1b具有足够的刚度，弹性元件在轴向和剪切方向具有极高的灵敏度，“笼”式结构1b解决了传感器整体结构刚度与灵敏度的矛盾，在高刚度的基础上实现了高灵敏度；刀具夹持标准接口1c安装刀具，可更换不同类型的刀具，保证通用性和可换性。

参见图5，“笼”式结构1b上小平台1d中心沿着轴向、垂直轴向，以及正负45度轴向粘贴半导体硅应变片4，每个方向粘贴有两片半导体硅应变片4，共8片，其中沿轴向、垂直轴向的4片半导体硅应变片4组成一组；沿正负45度轴向粘贴的4片半导体硅应变片4组成一组。

参见图6，第一组四个半导体硅应变片4，沿轴向、垂直轴向的布置粘贴，连接成惠斯通全桥电路，用以测量轴向力Fz引起的正应力；第二组四个半导体硅应变片4，沿着正负45度轴向布置粘贴，连接成惠斯通全桥电路，用于测量加工时刀具受到的扭矩T引起的剪切应力。

参见图7，所述的半导体硅应变片4为硅条电阻应变片，将硅条4b集成在基底4a上，然后通过金丝4c将硅条4b和焊盘4d连接，再通过焊盘4d转接出金属线4e，金属线4e作为半导体硅应变片的引出线。半导体硅应变片4作为力敏元件，具有灵敏系数大、机械滞后校、横向效应小、质量轻，体积小等诸多优点。

所述的“笼”式结构1b总长29mm，壁厚4mm，中间凸起部分中径44mm，粘贴半导体应变片4的小平台1d宽10mm,中心最薄处壁厚2mm，小平台1d两侧缝隙宽2mm。

所述的保护壳3外径105mm，内径40mm。

所述的保护壳盖2外径105mm，内径53mm。

本发明的工作原理为：

使用时，将主体结构1中的前端刀柄连接标准接口1a通过刀柄与机床主轴连接，保证测力传感器与机床主轴的同步旋转；主体结构1中的后端刀具夹持接口1c通过弹簧夹头装卡刀具，保证正常的铣削加工。在铣削加工时，刀具同时承受轴向力Fz和扭矩T的作用，安装刀具的传感器，同样受这两种力的作用，形成一个压扭结合的结构件。为实现轴向力Fz和主轴力矩T的测量，应分别测得在轴向力Fz和主轴力矩T作用下的应变。

参见图8，取“笼”式结构的小平台1d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只受扭矩T作用产生的剪应力，处于纯剪应力状态。由应力分析可知，在与轴向成正负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。

以半导体硅应变片测得倾斜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传感器受到的扭矩T。

$\mathrm{\τ}=\frac{T}{2{{\mathrm{\πR}}_1}^{2}t}$

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。

${\mathrm{\σ}}_{max}=\frac{y_{A}E}{R_0}$

其中，C₁＝sinh²λl+sin²λl,C₂＝sinh²λl-sin²λl。

E为材料弹性模量，ν为泊松比，R₀“笼”式结构中部中径，t为“笼”式结构中部厚度，l为“笼”式结构中部凸起部分的长度。

在与轴向成正负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，可将半导体硅应变片按如下所述方式布置，即通过与主轴的轴向、垂直轴向，以及正负45度轴向进行组合封装，通过合理的布置电路，消除两个方向应力的交叉干扰，达到同时对轴向力Fz和扭矩T进行测量的目的。

Claims (6)

1.一种测量扭矩和轴向力的旋转式铣削力传感器，包括主体结构(1)，保护壳盖(2)和保护壳(3)，主体结构(1)和保护壳(3)连接，保护壳(3)内安装传感器的信号采集电路，保护壳(3)和保护壳盖(2)连接，其特征在于：主体结构(1)的前端为实现测力传感器与机床主轴连接的刀柄连接标准接口(1a)，后端为实现与刀具连接的刀具夹持标准接口(1c)，中部的“笼”式结构(1b)是整个传感器的弹性元件。

2.根据权利要求1所述的一种测量扭矩和轴向力的旋转式铣削力传感器，其特征在于：所述的“笼”式结构(1b)是在弓形回转一周形成的曲面体的基础上，切割4对两两对称均匀分布的缝隙，使曲面体被分割成8部分，在其中4个部分上加工出小平台(1d)，并在每个小平台(1d)的四角开孔，达到应力集中；其余4个部分(1e)起到支撑作用，保证“笼”式结构(1b)具有足够的刚度；“笼”式结构(1b)上小平台(1d)中心沿着轴向、垂直轴向，以及正负45度轴向粘贴半导体硅应变片(4)，每个方向粘贴有两片半导体硅应变片(4)，共8片，其中沿轴向、垂直轴向的4片半导体硅应变片(4)组成一组，连接成惠斯通全桥形式，用以测量轴向力Fz；沿正负45度轴向粘贴的4片半导体硅应变片(4)组成一组，连接成惠斯通全桥形式，用于测量加工时刀具受到的扭矩T。

3.根据权利要求2所述的一种测量扭矩和轴向力的旋转式铣削力传感器，其特征在于：所述的半导体硅应变片(4)为硅条电阻应变片，将硅条(4b)集成在基底(4a)上，然后通过金丝(4c)将硅条(4b)连接至焊盘(4d)上，再通过焊盘(4d)转接出金属线(4e)，金属线(4e)作为半导体硅应变片(4)的引出线。

4.根据权利要求2所述的一种测量扭矩和轴向力的旋转式铣削力传感器，其特征在于：所述的“笼”式结构(1b)总长29mm，壁厚4mm，中间凸起部分中径44mm；粘贴半导体应变片(4)的小平台(1d)宽10mm,其中心最薄处壁厚2mm，小平台(1d)两侧缝隙宽2mm。

5.根据权利要求1所述的一种测量扭矩和轴向力的旋转式铣削力传感器，其特征在于：所述的保护壳(3)外径105mm，内径40mm。

6.根据权利要求1所述的一种测量扭矩和轴向力的旋转式铣削力传感器，其特征在于：所述的保护壳盖(2)外径105mm，内径53mm。