CN109175418A - 一种嵌入薄膜传感器的组合式车削力测量刀具系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及车削加工中的车削力测量技术，具体是一种嵌入薄膜传感器的组合式车削力测量刀具系统。本发明解决了现有车削力测量技术测量精度低、适用范围受限的问题。一种嵌入薄膜传感器的组合式车削力测量刀具系统，包括车刀刀头、车刀刀垫、车刀刀片、第I沉头螺钉、方形套筒、第II沉头螺钉、第I方形法兰盘、第II方形法兰盘、第III沉头螺钉、第I方形连接盘、方形弹性梁、第II方形连接盘、车刀刀柄、H形弹性基片、薄膜传感器、信号处理模块、PC机；方形弹性梁的四个侧面中央各开设有一个跑道形凹槽；四个薄膜传感器分别磁控溅射沉积于四个H形弹性基片的纵向段外侧面。本发明适用于各种场合（例如实验室、生产现场等）下的车削加工。
Description
技术领域
本发明涉及车削加工中的车削力测量技术，具体是一种嵌入薄膜传感器的组合式车削力测量刀具系统。
背景技术
在车削加工过程中，车削力直接影响着工艺系统的变形、刀具磨损、功率消耗以及切削热的产生。因此，车削力的测量对研究车削机理和指导实际车削加工具有十分重要的意义。在现有技术条件下，车削力的测量主要是采用应变式测力仪或压电式测力仪来实现的。然而，这两种测力仪由于自身结构所限，存在如下问题：其一，应变式测力仪存在的问题是：由于电阻应变片粘贴工艺的局限性，一方面导致其测量精度低，另一方面导致其不适合在高温环境下使用，由此导致其适用范围受限。其二，压电式测力仪存在的问题是：由于压电晶体单向性不够，导致其测量三向力时存在相互干涉、测量静态力时具有滞后性，由此导致其测量精度低。其三，应变式测力仪和压电式测力仪共同存在的问题是：体积较大，由此导致适用范围受限。基于此，有必要发明一种全新的车削力测量系统，以解决现有车削力测量技术测量精度低、适用范围受限的问题。
发明内容
本发明为了解决现有车削力测量技术测量精度低、适用范围受限的问题，提供了一种嵌入薄膜传感器的组合式车削力测量刀具系统。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种嵌入薄膜传感器的组合式车削力测量刀具系统，包括车刀刀头、车刀刀垫、车刀刀片、第I沉头螺钉、方形套筒、第II沉头螺钉、第I方形法兰盘、第II方形法兰盘、第III沉头螺钉、第I方形连接盘、方形弹性梁、第II方形连接盘、车刀刀柄、H形弹性基片、薄膜传感器、信号处理模块、PC机；
其中，车刀刀头的上侧面前端开设有装配凹槽，且装配凹槽的槽底开设有第I螺纹凹孔；车刀刀头的四个侧面中部各开设有一个第II螺纹凹孔；车刀刀垫嵌设于装配凹槽内，且车刀刀垫的下表面与装配凹槽的槽底接触；车刀刀垫的表面贯通开设有装配孔，且装配孔与第I螺纹凹孔连通；车刀刀片嵌设于装配凹槽内，且车刀刀片的下表面与车刀刀垫的上表面接触；车刀刀片的表面贯通开设有第I沉头孔，且第I沉头孔与装配孔连通；第I沉头螺钉贯穿第I沉头孔和装配孔，且第I沉头螺钉的尾端旋拧于第I螺纹凹孔内；
方形套筒套设于车刀刀头的侧面中部；方形套筒的四个侧面各贯通开设有一个第II沉头孔，且四个第II沉头孔分别与四个第II螺纹凹孔连通；第II沉头螺钉的数目为四个；四个第II沉头螺钉分别贯穿四个第II沉头孔，且四个第II沉头螺钉的尾端分别旋拧于四个第II螺纹凹孔内；第I方形法兰盘的中心孔为方孔；第I方形法兰盘套设于车刀刀头的侧面后部，且第I方形法兰盘的前端面内边缘与方形套筒的后端面固定为一体；第I方形法兰盘的端面外边缘贯通开设有八个第III沉头孔，且八个第III沉头孔沿周向等距排列；第II方形法兰盘的中心孔为方孔；第II方形法兰盘套设于车刀刀头的侧面后部；第II方形法兰盘的前端面与第I方形法兰盘的后端面接触，且第II方形法兰盘的四个外侧面分别与第I方形法兰盘的四个外侧面齐平；第II方形法兰盘的前端面外边缘开设有八个第III螺纹凹孔，且八个第III螺纹凹孔分别与八个第III沉头孔连通；第III沉头螺钉的数目为八个；八个第III沉头螺钉分别贯穿八个第III沉头孔，且八个第III沉头螺钉的尾端分别旋拧于八个第III螺纹凹孔内；
第I方形连接盘的前端面中央开设有方形定位凹槽；方形定位凹槽的四个槽壁分别与车刀刀头的四个侧面后端接触；方形定位凹槽的槽底与车刀刀头的后端面接触；第I方形连接盘的前端面与第II方形法兰盘的后端面内边缘固定为一体；方形弹性梁的前端面与第I方形连接盘的后端面中央固定为一体；方形弹性梁的四个侧面中央各开设有一个跑道形凹槽，且跑道形凹槽的槽腔为外粗内细的阶梯形槽腔；第II方形连接盘的前端面中央与方形弹性梁的后端面固定为一体，且第II方形连接盘的四个侧面分别与第I方形连接盘的四个侧面齐平；车刀刀柄的前端面与第II方形连接盘的后端面中央固定为一体；H形弹性基片的数目为四个；四个H形弹性基片的前横向段分别真空钎焊于第I方形连接盘的四个侧面中部；四个H形弹性基片的后横向段分别真空钎焊于第II方形连接盘的四个侧面中部；四个H形弹性基片的纵向段分别与四个跑道形凹槽正对；薄膜传感器的数目为四个；四个薄膜传感器分别磁控溅射沉积于四个H形弹性基片的纵向段外侧面；四个薄膜传感器通过导线共同连接构成惠斯通电桥电路；惠斯通电桥电路的输出端与信号处理模块的输入端连接；信号处理模块的输出端与PC机的输入端连接。
具体工作过程如下：在进行车削加工时，车刀刀片的刀尖处受到车削力，车削力依次经车刀刀头、第I方形连接盘作用于方形弹性梁和四个H形弹性基片，使得方形弹性梁和四个H形弹性基片产生较大的应力，由此使得方形弹性梁和四个H形弹性基片发生形变，从而使得四个薄膜传感器发生形变。此时，由于四个薄膜传感器的输出信号不一致，使得惠斯通电桥电路处于非平衡状态，惠斯通电桥电路由此输出电压信号，该电压信号经信号处理模块进行处理后传输至PC机，PC机根据接收到的电压信号即可实时获取车削加工中的车削力信息。在上述过程中，四个跑道形凹槽一方面能够显著减小方形弹性梁的截面惯性矩，另一方面能够显著扩大四个薄膜传感器与方形弹性梁之间的距离，由此有助于提高惠斯通电桥电路的输出灵敏度，从而有助于提高测量精度。根据车削加工的实际要求，可以更换不同形状、角度的车刀刀头和车刀刀片，由此提高加工效率、降低加工成本。更换车刀刀头时，仅需拆下四个第II沉头螺钉即可实现更换。更换车刀刀片时，仅需拆下第I沉头螺钉即可实现更换。
基于上述过程，与现有车削力测量技术相比，本发明所述的一种嵌入薄膜传感器的组合式车削力测量刀具系统通过采用全新结构，实现了集车削加工功能和车削力测量功能于一体，由此具备了如下优点：其一，与应变式测力仪相比，本发明不再受电阻应变片粘贴工艺的局限性影响，因此其测量精度更高，且适合在高温环境下使用，由此使得适用范围不再受限。其二，与压电式测力仪相比，本发明不再受压电晶体单向性不够的影响，因此其测量三向力时不存在相互干涉、测量静态力时不具有滞后性，由此使得测量精度更高。其三，与应变式测力仪和压电式测力仪相比，本发明的体积更小，因此其适用范围不再受限。
本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有车削力测量技术测量精度低、适用范围受限的问题，适用于各种场合（例如实验室、生产现场等）下的车削加工。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的部分结构示意图。
图3是本发明中方形弹性梁和跑道形凹槽的结构示意图。
图4是本发明中H形弹性基片和薄膜传感器的结构示意图。
图中：1-车刀刀头，2-车刀刀垫，3-车刀刀片，4-第I沉头螺钉，5-方形套筒，6-第II沉头螺钉，7-第I方形法兰盘，8-第II方形法兰盘，9-第III沉头螺钉，10-第I方形连接盘，11-方形弹性梁，12-第II方形连接盘，13-车刀刀柄，14-H形弹性基片，15-薄膜传感器，16-跑道形凹槽。
具体实施方式
一种嵌入薄膜传感器的组合式车削力测量刀具系统，包括车刀刀头1、车刀刀垫2、车刀刀片3、第I沉头螺钉4、方形套筒5、第II沉头螺钉6、第I方形法兰盘7、第II方形法兰盘8、第III沉头螺钉9、第I方形连接盘10、方形弹性梁11、第II方形连接盘12、车刀刀柄13、H形弹性基片14、薄膜传感器15、信号处理模块、PC机；
其中，车刀刀头1的上侧面前端开设有装配凹槽，且装配凹槽的槽底开设有第I螺纹凹孔；车刀刀头1的四个侧面中部各开设有一个第II螺纹凹孔；车刀刀垫2嵌设于装配凹槽内，且车刀刀垫2的下表面与装配凹槽的槽底接触；车刀刀垫2的表面贯通开设有装配孔，且装配孔与第I螺纹凹孔连通；车刀刀片3嵌设于装配凹槽内，且车刀刀片3的下表面与车刀刀垫2的上表面接触；车刀刀片3的表面贯通开设有第I沉头孔，且第I沉头孔与装配孔连通；第I沉头螺钉4贯穿第I沉头孔和装配孔，且第I沉头螺钉4的尾端旋拧于第I螺纹凹孔内；
方形套筒5套设于车刀刀头1的侧面中部；方形套筒5的四个侧面各贯通开设有一个第II沉头孔，且四个第II沉头孔分别与四个第II螺纹凹孔连通；第II沉头螺钉6的数目为四个；四个第II沉头螺钉6分别贯穿四个第II沉头孔，且四个第II沉头螺钉6的尾端分别旋拧于四个第II螺纹凹孔内；第I方形法兰盘7的中心孔为方孔；第I方形法兰盘7套设于车刀刀头1的侧面后部，且第I方形法兰盘7的前端面内边缘与方形套筒5的后端面固定为一体；第I方形法兰盘7的端面外边缘贯通开设有八个第III沉头孔，且八个第III沉头孔沿周向等距排列；第II方形法兰盘8的中心孔为方孔；第II方形法兰盘8套设于车刀刀头1的侧面后部；第II方形法兰盘8的前端面与第I方形法兰盘7的后端面接触，且第II方形法兰盘8的四个外侧面分别与第I方形法兰盘7的四个外侧面齐平；第II方形法兰盘8的前端面外边缘开设有八个第III螺纹凹孔，且八个第III螺纹凹孔分别与八个第III沉头孔连通；第III沉头螺钉9的数目为八个；八个第III沉头螺钉9分别贯穿八个第III沉头孔，且八个第III沉头螺钉9的尾端分别旋拧于八个第III螺纹凹孔内；
第I方形连接盘10的前端面中央开设有方形定位凹槽；方形定位凹槽的四个槽壁分别与车刀刀头1的四个侧面后端接触；方形定位凹槽的槽底与车刀刀头1的后端面接触；第I方形连接盘10的前端面与第II方形法兰盘8的后端面内边缘固定为一体；方形弹性梁11的前端面与第I方形连接盘10的后端面中央固定为一体；方形弹性梁11的四个侧面中央各开设有一个跑道形凹槽16，且跑道形凹槽16的槽腔为外粗内细的阶梯形槽腔；第II方形连接盘12的前端面中央与方形弹性梁11的后端面固定为一体，且第II方形连接盘12的四个侧面分别与第I方形连接盘10的四个侧面齐平；车刀刀柄13的前端面与第II方形连接盘12的后端面中央固定为一体；H形弹性基片14的数目为四个；四个H形弹性基片14的前横向段分别真空钎焊于第I方形连接盘10的四个侧面中部；四个H形弹性基片14的后横向段分别真空钎焊于第II方形连接盘12的四个侧面中部；四个H形弹性基片14的纵向段分别与四个跑道形凹槽16正对；薄膜传感器15的数目为四个；四个薄膜传感器15分别磁控溅射沉积于四个H形弹性基片14的纵向段外侧面；四个薄膜传感器15通过导线共同连接构成惠斯通电桥电路；惠斯通电桥电路的输出端与信号处理模块的输入端连接；信号处理模块的输出端与PC机的输入端连接。
具体实施时，所述车刀刀片3为可转位刀片。所述薄膜传感器15由磁控溅射沉积于H形弹性基片14的纵向段外侧面的若干个应变电阻栅组成。所述信号处理模块包括信号采集电路、滤波电路、信号放大电路、数模转换电路；信号采集电路的输入端作为信号处理模块的输入端；信号采集电路的输出端与滤波电路的输入端连接；滤波电路的输出端与信号放大电路的输入端连接；信号放大电路的输出端与数模转换电路的输入端连接；数模转换电路的输出端作为信号处理模块的输出端。
Claims (4)
1.一种嵌入薄膜传感器的组合式车削力测量刀具系统，其特征在于：包括车刀刀头（1）、车刀刀垫（2）、车刀刀片（3）、第I沉头螺钉（4）、方形套筒（5）、第II沉头螺钉（6）、第I方形法兰盘（7）、第II方形法兰盘（8）、第III沉头螺钉（9）、第I方形连接盘（10）、方形弹性梁（11）、第II方形连接盘（12）、车刀刀柄（13）、H形弹性基片（14）、薄膜传感器（15）、信号处理模块、PC机；
其中，车刀刀头（1）的上侧面前端开设有装配凹槽，且装配凹槽的槽底开设有第I螺纹凹孔；车刀刀头（1）的四个侧面中部各开设有一个第II螺纹凹孔；车刀刀垫（2）嵌设于装配凹槽内，且车刀刀垫（2）的下表面与装配凹槽的槽底接触；车刀刀垫（2）的表面贯通开设有装配孔，且装配孔与第I螺纹凹孔连通；车刀刀片（3）嵌设于装配凹槽内，且车刀刀片（3）的下表面与车刀刀垫（2）的上表面接触；车刀刀片（3）的表面贯通开设有第I沉头孔，且第I沉头孔与装配孔连通；第I沉头螺钉（4）贯穿第I沉头孔和装配孔，且第I沉头螺钉（4）的尾端旋拧于第I螺纹凹孔内；
方形套筒（5）套设于车刀刀头（1）的侧面中部；方形套筒（5）的四个侧面各贯通开设有一个第II沉头孔，且四个第II沉头孔分别与四个第II螺纹凹孔连通；第II沉头螺钉（6）的数目为四个；四个第II沉头螺钉（6）分别贯穿四个第II沉头孔，且四个第II沉头螺钉（6）的尾端分别旋拧于四个第II螺纹凹孔内；第I方形法兰盘（7）的中心孔为方孔；第I方形法兰盘（7）套设于车刀刀头（1）的侧面后部，且第I方形法兰盘（7）的前端面内边缘与方形套筒（5）的后端面固定为一体；第I方形法兰盘（7）的端面外边缘贯通开设有八个第III沉头孔，且八个第III沉头孔沿周向等距排列；第II方形法兰盘（8）的中心孔为方孔；第II方形法兰盘（8）套设于车刀刀头（1）的侧面后部；第II方形法兰盘（8）的前端面与第I方形法兰盘（7）的后端面接触，且第II方形法兰盘（8）的四个外侧面分别与第I方形法兰盘（7）的四个外侧面齐平；第II方形法兰盘（8）的前端面外边缘开设有八个第III螺纹凹孔，且八个第III螺纹凹孔分别与八个第III沉头孔连通；第III沉头螺钉（9）的数目为八个；八个第III沉头螺钉（9）分别贯穿八个第III沉头孔，且八个第III沉头螺钉（9）的尾端分别旋拧于八个第III螺纹凹孔内；
第I方形连接盘（10）的前端面中央开设有方形定位凹槽；方形定位凹槽的四个槽壁分别与车刀刀头（1）的四个侧面后端接触；方形定位凹槽的槽底与车刀刀头（1）的后端面接触；第I方形连接盘（10）的前端面与第II方形法兰盘（8）的后端面内边缘固定为一体；方形弹性梁（11）的前端面与第I方形连接盘（10）的后端面中央固定为一体；方形弹性梁（11）的四个侧面中央各开设有一个跑道形凹槽（16），且跑道形凹槽（16）的槽腔为外粗内细的阶梯形槽腔；第II方形连接盘（12）的前端面中央与方形弹性梁（11）的后端面固定为一体，且第II方形连接盘（12）的四个侧面分别与第I方形连接盘（10）的四个侧面齐平；车刀刀柄（13）的前端面与第II方形连接盘（12）的后端面中央固定为一体；H形弹性基片（14）的数目为四个；四个H形弹性基片（14）的前横向段分别真空钎焊于第I方形连接盘（10）的四个侧面中部；四个H形弹性基片（14）的后横向段分别真空钎焊于第II方形连接盘（12）的四个侧面中部；四个H形弹性基片（14）的纵向段分别与四个跑道形凹槽（16）正对；薄膜传感器（15）的数目为四个；四个薄膜传感器（15）分别磁控溅射沉积于四个H形弹性基片（14）的纵向段外侧面；四个薄膜传感器（15）通过导线共同连接构成惠斯通电桥电路；惠斯通电桥电路的输出端与信号处理模块的输入端连接；信号处理模块的输出端与PC机的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种嵌入薄膜传感器的组合式车削力测量刀具系统，其特征在于：所述车刀刀片（3）为可转位刀片。
3.根据权利要求1所述的一种嵌入薄膜传感器的组合式车削力测量刀具系统，其特征在于：所述薄膜传感器（15）由磁控溅射沉积于H形弹性基片（14）的纵向段外侧面的若干个应变电阻栅组成。
4.根据权利要求1所述的一种嵌入薄膜传感器的组合式车削力测量刀具系统，其特征在于：所述信号处理模块包括信号采集电路、滤波电路、信号放大电路、数模转换电路；信号采集电路的输入端作为信号处理模块的输入端；信号采集电路的输出端与滤波电路的输入端连接；滤波电路的输出端与信号放大电路的输入端连接；信号放大电路的输出端与数模转换电路的输入端连接；数模转换电路的输出端作为信号处理模块的输出端。
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