CN107322368B - 一种基于锰铜合金微纳敏感单元的切削力测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于锰铜合金微纳敏感单元的切削力测量装置，在刀片和刀垫之间设有切削力测量单元，切削力测量单元的形状、尺寸与刀片、刀垫匹配，切削力测量单元为三明治结构，分别为上、下氧化铝绝缘层和中间器件层，中间器件层的内部集成有基于锰铜合金材料的敏感电阻，铜电极和引线电路的一端与基于锰铜合金材料的敏感电阻连通，另一端与切削力测量单元侧面的金属焊盘连通，从而使基于锰铜合金材料的敏感电阻与信号处理电路中的固定电阻连接构成惠斯通测量电桥，切削力测量单元采用MEMS技术进行加工，本发明具有兼容性好、通用性强、测量精度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及切削力测量技术领域，特别涉及一种基于锰铜合金微纳敏感单元的切削力测量装置。
背景技术
切削力是影响机床加工精度、刀具寿命、切削效率等的重要因素，也是反映切削过程的可靠指标。通过切削力测量进行切削状态监测和控制，是实现高档数控机床智能化加工的关键方法之一，也能够为预报切削故障、研究切削机理、延长刀具寿命、优化切削工艺提供数据支持，对实现智能制造具有重要意义和实际价值。切削力传感器是进行切削力测量最常用的仪器，国内外学者研制了基于机械、电感、电容、振动、压电和应变等各种原理的切削力传感器，目前使用最广泛的是应变式切削力传感器和压电式切削力传感器。
近两年，国内外学者开始进行新型切削力传感器的研究，通过将小型压电力传感器、表面声波应变传感器、合金薄膜电阻应变计等测量单元集成到常用数控车刀上进行切削力的测量。这类新型切削力传感器具有结构简单、使用方便的特点，可以直接在机床上安装使用而不影响机床原有加工性能。然而，在新型切削力传感器的研究中还存在以下问题亟待解决：(1)需要对原数控刀具结构进行进一步加工和改造，预留封装小型压电传感器等测量单元的凹槽，不同的数控刀具需要进行不同的改造和封装，通用性不强；(2)为了避免切削热对测量单元测量精度的影响，往往在远离刀尖切削位置的地方布置表面声波应变传感器等测量单元，无法直接有效地进行切削力测量。因此，设计和研发具有兼容性好、通用性强、测量精度高和成本合理的新型切削力测量装置具有重要的实用价值和应用前景。
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基于锰铜合金微纳敏感单元的切削力测量装置，具有兼容性好、通用性强、测量精度高的优点。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于锰铜合金微纳敏感单元的切削力测量装置，包括刀杆9，刀杆9的前端从上向下依次装有刀片3、切削力测量单元5、刀垫4，刀片3、切削力测量单元5、刀垫4通过压板2及刀片紧固螺钉1固定在刀杆9上，切削力测量单元5的信号输出端和信号处理电路8的信号输入端连接，信号处理电路8的信号输出端和信号采集设备12的信号输入端连接，信号采集设备12的信号输出端和数据存储和分析系统13的信号输入端连接；
所述的切削力测量单元5的形状、尺寸与刀片3、刀垫4匹配，在切削力测量单元5的中间有一个圆柱状通孔14；切削力测量单元5为三明治结构，分别为上、下氧化铝绝缘层15和中间器件层16，中间器件层16的内部集成有基于锰铜合金材料的敏感电阻17，铜电极18以及引线电路19的一端与基于锰铜合金材料的敏感电阻17连通，另一端与切削力测量单元5侧面的金属焊盘20连通，从而使基于锰铜合金材料的敏感电阻17与信号处理电路8中的固定电阻连接构成惠斯通测量电桥。
所述的刀杆9在靠近前端的四个侧面分别加工有带台阶的信号处理电路封装槽6，信号处理电路8安装在信号处理电路封装槽6内，其上层和下层分别为硅胶层24，通过真空蒸镀的方法在上层硅胶的表面制作一层金属铝膜25；电路封装盖板7以过盈配合的方式与信号处理电路封装槽6进行装配，将信号处理电路8与外界干扰隔离。
所述的刀杆9内部加工有导线通孔10，导线通孔10的末端加工出内螺纹21，内螺纹21与蛇皮管11一端连接，切削力测量单元5、信号处理电路8的信号均通过安装在导线通孔10内的导线22进行传输。
所述的信号处理电路8制作成独立的集成电路形式，内部包含用于组成惠斯通测量电桥的固定电阻以及信号放大和滤波单元，信号处理电路8对测量到的切削力信号进行数据采集前的预处理，将测量电路输出信号调整为符合工业应用标准的4-20mA或者1-5V直流模拟信号。
连接切削力测量单元5、信号处理电路8、信号采集设备12以及数据存储和分析系统13的导线22均采用具有电磁屏蔽功能的工业屏蔽电缆线。
所述的切削力测量单元5采用MEMS技术进行加工，工艺步骤包括：匀胶——光刻——显影——溅射——剥离——清洗，具体为：①将匀胶机设置成高速1500转每分钟，在作为基片的氧化铝绝缘层15上匀一层EPG535光刻胶23；②利用掩膜版上设计的图案进行光刻，将敏感电阻的形状大小转移到光刻胶23上；③用溶液显影，然后清洗烘干；④用磁控溅射机溅射锰铜材料形成敏感电阻17；⑤用丙酮浸泡剥离，然后清洗烘干；⑥同上述步骤，利用掩膜版上敏感元件的图形光刻，溅射获得所需结构尺寸的铜电极18和引线电路19；⑦用丙酮浸泡剥离，然后清洗烘干，获得铜电极18和引线电路19；⑧最后在基于锰铜材料的敏感电阻17、铜电极18和引线电路19的表面通过蒸镀的方法制作一层氧化铝绝缘层15。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、目前的切削力传感器以刀架式结构为主，传感器内部结构复杂、体积大，使用时需要先拆除机床原有刀架再安装传感器，不仅兼容性差、不便于使用，而且影响机床本身的性能，包括装配精度、总体刚度等。本发明采用“刀具即传感”的创新理念，刀具既是加工工具，也是测量工具，不影响机床系统的总体刚度；将切削力测量单元设计成模块化零件，直接安装在刀片和刀垫之间，无需对原来车刀的结构进行修改和二次加工，具有良好的设备兼容性和互换性；与现有切削力传感器或者其他切削力测量装置相比，使用简单方便、安全可靠、成本合理，无需对原有机床结构或系统进行改变，符合工业应用的要求，具有明显的进步。
2、切削区域高温、高压的恶劣环境是困扰切削力直接测量的难题，现有的切削力传感器主要通过在远离切削区域布置测量单元间接测量切削力，增加了测量中间环节，不利于提高传感器的响应速度和测量精度。本发明采用锰铜合金作为测力单元敏感电阻材料，通过MEMS加工工艺和集成化封装技术，研制了基于锰铜合金的切削力测量单元，切削力测量单元具有精度好、灵敏度高和响应速度快的优点，并且能够在高温、高压环境中正常工作；通过将切削力测量单元安装在刀片和刀垫之间，直接感受来自刀片切削区域产生的切削力，测量结果更加直接、准确和有效。
3、应变式切削力传感器通常将切削力转换为弹性元件的变形，再通过应变片测量弹性元件的变形实现切削力的测量。弹性元件的存在导致传感器的灵敏度和刚度之间相互矛盾，难以同时获得较高的刚度和灵敏度。本发明摒弃了传统应变式切削力传感器借助弹性元件进行切削力测量的方法，通过MEMS技术研制具有响应快、灵敏度高和测量频带宽的基于锰铜合金的切削力测量单元；将所研制的切削力测量单元与刀具集成封装，在不改变刀具原有结构的情况下既获得了很高的刚度，又具有较高的测量灵敏度；因此解决了传感器灵敏度和刚度相互矛盾的技术难题，所研制的切削力测量装置具有精度高、动态特性好的优点，尤其满足精密切削过程中对微小、高频切削力测量的需求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明信号处理电路在刀杆表面封装槽内的封装示意图。
图3是本发明基于锰铜合金材料的切削力测量单元内部结构示意图。
图4是本发明基于锰铜合金材料的切削力测量单元加工工艺流程图。
图5(a)是本发明惠斯通测量电桥组成示意图；图5(b)是本发明信号处理电路的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
参照图1，一种基于锰铜合金微纳敏感单元的切削力测量装置，包括刀杆9，刀杆9的前端从上向下依次装有刀片3、切削力测量单元5、刀垫4，刀片3、切削力测量单元5、刀垫4通过压板2及刀片紧固螺钉1固定在刀杆9上，切削力测量单元5的信号输出端和信号处理电路8的信号输入端连接，信号处理电路8的信号输出端和信号采集设备12的信号输入端连接，信号采集设备12的信号输出端和数据存储和分析系统13的信号输入端连接。
参照图1和图2，所述的刀杆9在靠近前端的四个侧面分别加工有带台阶的信号处理电路封装槽6，信号处理电路8安装在信号处理电路封装槽6内，其上层和下层分别为硅胶层24，起电绝缘作用；为了更好地提高信号处理电路8对电磁信号的抗干扰能力以及提高硅胶绝缘层的耐腐蚀能力，通过真空蒸镀的方法在上层硅胶的表面制作一层金属铝膜25；电路封装盖板7以过盈配合的方式与信号处理电路封装槽6进行装配，将信号处理电路8与外界干扰隔离。
所述的刀杆9内部通过机械加工的方法加工有导线通孔10，导线通孔10的末端加工出内螺纹21，内螺纹21与蛇皮管11一端连接，蛇皮管11用于保护导线22内部的信号传输不受外界干扰和破坏；切削力测量单元5、信号处理电路8的信号均通过安装在导线通孔10内的导线22进行传输。
参照图1和图3，切削力测量单元5的形状、尺寸与刀片3、刀垫4匹配，在切削力测量单元5的中间有一个圆柱状通孔14，圆柱状通孔14一方面能够作为刀片3、切削力测量单元5和刀垫4之间的定位孔，另一方面也能够通过螺钉将刀片3、切削力测量单元5和刀垫4相互串联固定在一起，此外还能够起到预紧作用；切削力测量单元5为三明治结构，分别为上、下氧化铝绝缘层15和中间器件层16；中间器件层16的内部集成有基于锰铜合金材料的敏感电阻17，铜电极18以及引线电路19的一端与基于锰铜合金材料的敏感电阻17连通，另一端与切削力测量单元5侧面的金属焊盘20连通，从而使基于锰铜合金材料的敏感电阻17与信号处理电路8中的固定电阻连接构成惠斯通测量电桥。
所述的信号处理电路8制作成独立的集成电路形式，内部包含用于组成惠斯通测量电桥的固定电阻以及信号放大和滤波单元，信号处理电路8对测量到的切削力信号进行数据采集前的预处理，抑制外界干扰信号，提高信噪比，将测量电路输出信号调整为符合工业应用标准的4-20mA或者1-5V直流模拟信号。
连接切削力测量单元5、信号处理电路8、信号采集设备12以及数据存储和分析系统13的导线22均采用具有电磁屏蔽功能的工业屏蔽电缆线，保证切削力信号在传输过程中不受外界干扰信号的影响。
参照图4，所述的切削力测量单元5采用MEMS技术进行加工，工艺步骤包括：匀胶——光刻——显影——溅射——剥离——清洗，具体为：①将匀胶机设置成高速1500转每分钟，在作为基片的氧化铝绝缘层15上匀一层EPG535光刻胶23；②利用掩膜版上设计的图案进行光刻，将敏感电阻的形状大小转移到光刻胶23上；③用浓度(1升水，5克粉末)的溶液显影，然后清洗烘干；④用磁控溅射机溅射一定厚度的锰铜材料形成敏感电阻17；⑤用丙酮浸泡剥离，然后清洗烘干；⑥同上述步骤，利用掩膜版上敏感元件的图形光刻，溅射获得所需结构尺寸的铜电极18和引线电路19；⑦用丙酮浸泡剥离，然后清洗烘干，获得铜电极18和引线电路19；⑧最后在基于锰铜材料的敏感电阻17、铜电极18和引线电路19的表面通过蒸镀的方法制作一层氧化铝绝缘层15。
本发明的工作原理为：
切削加工过程中，当切削力作用于刀片3时，切削力测量单元5受到来自刀片3的压力，切削力测量单元5内部的基于锰铜合金材料的敏感电阻17受压变形导致自身电阻值发生变化，使测量电桥失去平衡，产生与切削力相对应的电信号输出；该电信号经信号处理电路8进行滤波和放大处理，滤除干扰信号并转换为4-20mA或者1-5V的标准信号，达到抑制外界干扰信号并提高信噪比的目的；数据采集设备12对得到的标准信号进行A/D转换，得到可以存储的数字信号，继而在数据存储和分析系统13中进行数据的存储、分析、运算和实时显示。
参照图5(a)，采用惠斯通测量电桥作为切削力测量电路，其中电阻R1和R2是切削力测量单元5中基于锰铜合金材料制作的敏感电阻17，两个固定电阻R来自于信号处理电路8，并且基于锰铜合金材料制作的敏感电阻17和固定电阻R的初始电阻值均为R0；在切削加工过程中，切削力测量单元5内部集成的锰铜合金敏感电阻R1和R2在切削力作用下发生弹性变形，敏感电阻自身电阻值增大，导致惠斯通测量电桥平衡被破坏，产生与切削力大小相对应的输出信号；假设敏感电阻在切削力作用下的电阻值变化量为△R，测量电路的供电电压为E，则电路输出信号U可表示如下：
结合图5(b)，传感器信号处理电路8中集成有滤波模块和放大模块，首先对测量电路的输出信号U进行抗混叠滤波，避免高频干扰信号叠加在有用信号中；然后对滤波后的信号进行放大，获得符合工业使用要求的标准信号。
Claims (6)
1.一种基于锰铜合金微纳敏感单元的切削力测量装置，包括刀杆(9)，其特征在于：刀杆(9)的前端从上向下依次装有刀片(3)、切削力测量单元(5)、刀垫(4)，刀片(3)、切削力测量单元(5)、刀垫(4)通过压板(2)及刀片紧固螺钉(1)固定在刀杆(9)上，切削力测量单元(5)的信号输出端和信号处理电路(8)的信号输入端连接，信号处理电路(8)的信号输出端和信号采集设备(12)的信号输入端连接，信号采集设备(12)的信号输出端和数据存储和分析系统(13)的信号输入端连接；
所述的切削力测量单元(5)的形状、尺寸与刀片(3)、刀垫(4)匹配，在切削力测量单元(5)的中间有一个圆柱状通孔(14)；切削力测量单元(5)为三明治结构，分别为上、下氧化铝绝缘层(15)和中间器件层(16)，中间器件层(16)的内部集成有基于锰铜合金材料的敏感电阻(17)，铜电极(18)以及引线电路(19)的一端与基于锰铜合金材料的敏感电阻(17)连通，另一端与切削力测量单元(5)侧面的金属焊盘(20)连通，从而使基于锰铜合金材料的敏感电阻(17)与信号处理电路(8)中的固定电阻连接构成惠斯通测量电桥。
2.根据权利要求1所述的一种基于锰铜合金微纳敏感单元的切削力测量装置，其特征在于：所述的刀杆(9)在靠近前端的四个侧面分别加工有带台阶的信号处理电路封装槽(6)，信号处理电路(8)安装在信号处理电路封装槽(6)内，其上层和下层分别为硅胶层(24)，通过真空蒸镀的方法在上层硅胶的表面制作一层金属铝膜(25)；电路封装盖板(7)以过盈配合的方式与信号处理电路封装槽(6)进行装配，将信号处理电路(8)与外界干扰隔离。
3.根据权利要求1所述的一种基于锰铜合金微纳敏感单元的切削力测量装置，其特征在于：所述的刀杆(9)内部加工有导线通孔(10)，导线通孔(10)的末端加工出内螺纹(21)，内螺纹(21)与蛇皮管(11)一端连接，切削力测量单元(5)、信号处理电路(8)的信号均通过安装在导线通孔(10)内的导线(22)进行传输。
4.根据权利要求1所述的一种基于锰铜合金微纳敏感单元的切削力测量装置，其特征在于：所述的信号处理电路(8)制作成独立的集成电路形式，内部包含用于组成测量电路的固定电阻以及信号放大和滤波单元，信号处理电路(8)对测量到的切削力信号进行数据采集前的预处理，将测量电路输出信号调整为符合工业应用标准的4-20mA或者1-5V直流模拟信号。
5.根据权利要求1所述的一种基于锰铜合金微纳敏感单元的切削力测量装置，其特征在于：连接切削力测量单元(5)、信号处理电路(8)、信号采集设备(12)以及数据存储和分析系统(13)的导线(22)均采用具有电磁屏蔽功能的工业屏蔽电缆线。
6.根据权利要求1所述的一种基于锰铜合金微纳敏感单元的切削力测量装置，其特征在于：所述的切削力测量单元(5)采用MEMS技术进行加工，工艺步骤包括：匀胶——光刻——显影——溅射——剥离——清洗，具体为：①将匀胶机设置成高速1500转每分钟，在作为基片的氧化铝绝缘层(15)上匀一层EPG535光刻胶(23)；②利用掩膜版上设计的图案进行光刻，将敏感电阻的形状大小转移到光刻胶(23)上；③用溶液显影，然后清洗烘干；④用磁控溅射机溅射一定厚度的锰铜材料形成敏感电阻(17)；⑤用丙酮浸泡剥离，然后清洗烘干；⑥同上述步骤，利用掩膜版上敏感元件的图形光刻，溅射获得所需结构尺寸的铜电极(18)和引线电路(19)；⑦用丙酮浸泡剥离，然后清洗烘干，获得铜电极(18)和引线电路(19)；⑧最后在基于锰铜合金材料的敏感电阻(17)、铜电极(18)和引线电路(19)的表面通过蒸镀的方法制作一层氧化铝绝缘层(15)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |