CN111906592A - 一种切削力和切削温度测量装置及其制备和温度补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种切削力和切削温度测量装置及其制备和温度补偿方法，该装置将切削力传感器和切削温度传感器直接和刀片直接接触，距离切削位置近，能够实现对切削力的直接、准确地测量，具有响应快、精度高的性能。本发明的切削力和切削温度测量装置中的切削力传感器外形与普通车刀的刀垫外形一致，并且具有相同的机械特性，能够替代刀垫并安装到刀具中，使得切削力传感器直接和车刀接触，测量精度高，不占用额外的空间，该切削力传感器结构简单、体积小，具有兼容性好、可靠性高的特点，解决了当前很多商业化切削力传感器难以用于实际加工切削状态监测的难题。
Description
【技术领域】
本发明属于切削状态监测领域，具体涉及一种切削力和切削温度测量装置及其制备和温度补偿方法。
【背景技术】
切削加工过程状态监测技术是实现切削加工过程自动化智能化的重要条件，对产品的加工质量、机床的加工效率和刀具的寿命有着决定性影响。尤其对于精密与超精密加工而言，安全可靠的切削状态实时监测起着关键性作用。切削力和切削温度是切削加工过程中的重要监测对象。实时测量切削力，并根据测量结果调整切削参数，可以起到提高加工质量、保证加工效率、降低成本的作用。切削力测量最直接可靠的方式就是测量刀片产生的切削力。切削温度传感器可以实时测量切削温度，可以及时了解刀具的磨损和机床的发热情况，起到保证零件加工精度、保护刀具的作用。目前研究最广泛的切削力传感器的是应变式和压电式两种，但是这两种传感器存在体积较大、精度不够高、不能直接测量等问题。切削温度测量方法主要有人工热电偶法、红外高温计法和红外热像仪法，这三种测量方法的测量结果都不够理想。
因此迫切需要发展切削力和切削温度高精度测量系统，将切削力传感器和切削温度传感器集成化，同时实现切削力和切削温度的测量。测量系统中的切削力传感器应当具有精度高、体积小的性能，切削温度传感器应当满足响应速率快、灵敏度高、范围广、性能稳定的要求。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种切削力和切削温度测量装置及其制备和温度补偿方法，用于解决现有技术中缺乏同时能够高精度的测量切削力和切削温度的装置。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种切削力和切削温度的测量装置，包括：刀杆，刀杆的前端安装有刀片，刀片和刀杆之间安装有切削力传感器，刀片的侧边安装有切削温度传感器；切削力传感器和切削温度传感器均连接至信号采集卡，信号采集卡连接至上位机；
切削力传感器和刀片的形状及尺寸相同，切削力传感器包括形状和尺寸相同的基板和盖板，基板和盖板之间设置有切削力测量敏感结构，切削力测量敏感结构连通至前焊盘，前焊盘连通至后焊盘，后焊盘连通至信号采集卡，前焊盘和后焊盘均固定设置在PCB板上，PCB板设置在基板上；
切削力测量敏感结构包括圆片状AlSiCO陶瓷，圆片状AlSiCO陶瓷被夹装在上电极板和下电极板之间，上电极板设置在盖板的下部，下电极板安装在基板的上部；
切削温度传感器包括矩形AlSiCO陶瓷、矩形AlSiCO陶瓷通过铂丝连通有铜丝，铜丝和信号采集卡连通。
本发明的进一步改进在于：
优选的，基板的表面和盖板的表面均包裹有一层Al2O3绝缘层，基板设置有两个前焊盘，每一个前焊盘各自通过引线和一个后焊盘连接；两个前焊盘、两个后焊盘和两个引线均相对于刀片长度方向中心线对称。
优选的，后焊盘通过引线和信号采集卡连接，引线一部分粘贴在基板上，另一部分穿过刀杆和信号采集卡连接。
优选的，基板上开设有圆形孔洞，圆形孔洞内表面上涂覆有Al2O3绝缘层；圆形孔洞内从下到上依次设置有下电极板、圆片状AlSiCO陶瓷和上电极板，上电极板和涂覆在盖板下表面的Al2O3绝缘层接触。
优选的，矩形AlSiCO陶瓷嵌入在刀片侧壁开设的槽中，矩形AlSiCO陶瓷的外表面覆盖有保护盖。
优选的，矩形AlSiCO陶瓷的短边侧壁上开设有两个孔洞，孔洞的内表面上设置有一层铂金，两个铂丝各自插入在一个孔洞中，铂丝的另一端连接至铜丝，铜丝和孔洞以外的铂丝均被热缩管包裹。
优选的，刀片和切削力传感器被紧固螺钉固定设置在刀杆上。
一种上述切削力和切削温度的测量装置的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，制造刀杆；
步骤2，制备圆片状AlSiCO陶瓷和矩形AlSiCO陶瓷；
步骤3，制备切削力传感器；
将圆片状AlSiCO陶瓷的上下表面通过导电银浆分别与上电极板和下电极板连接，将上电极板、圆片状AlSiCO陶瓷和下电极板共同嵌入基板中，将PCB板粘贴在基板上，PCB板上设置有两个前焊盘和两个后焊盘，电连接前焊盘和圆片状AlSiCO陶瓷，电连接前焊盘和后焊盘，将盖板和基板连接；
步骤4，制备切削温度传感器；
在矩形AlSiCO陶瓷的侧壁上打两个孔洞，先在孔洞的内侧壁和底面涂抹一层铂浆，然后将铂丝嵌入到两个孔洞中，铂丝的另一端和铜丝连接，用热缩管包裹住铂丝在孔洞以外的部分以及铜丝，制备出切削温度传感器；在刀片侧面开设槽，把切削温度传感器嵌入槽中；
步骤5，安装传感器；
将切削力传感器安装到刀杆上，再将安装有切削温度传感器的刀片安装到切削力传感器上面；将切削力传感器的引线和切削温度传感器的信号线穿过刀杆和信号采集卡连接上，信号采集卡通过信号线与上位机连接。
优选的，步骤2中，圆片状AlSiCO陶瓷和矩形AlSiCO陶瓷的制备过程为：
步骤2.1，将有机硅树脂与乙醇按照2：1的质量比混合，然后再加入仲丁醇铝，仲丁醇铝的质量为有机硅树脂质量的5％，得到混合液，将混合液搅拌均匀得到先驱体母液；
步骤2.2，将先驱体母液在干燥箱中干燥得到凝固后的固体；
步骤2.3，将凝固后的固体在流动氩气环境中于350℃的温度下热处理4小时，得到热处理后的固体；
步骤2.4，将热处理后的固体捣碎，球磨并筛分，得到粒度小于1μm的粉末；
步骤2.5，将筛选后的粉末与先驱体母液按体积比为40:1的比例混合，得到混合物；
步骤2.6，将步骤2.5得到的混合物用压片机压成圆片和矩形状，使用冷等静压机在200MPa的压力下压5min，得到陶瓷；
步骤2.7，烧结步骤2.6得到的陶瓷，得到圆片状AlSiCO陶瓷和矩形AlSiCO陶瓷。
一种上述切削力和切削温度的测量装置的温度补偿方法，包括以下步骤：
步骤1，对切削力传感器进行温度标定，得到各个温度下切削力传感器的标定输出值；
步骤2，通过信号采集卡采集切削力传感器在切削过程中的测量输出值；
步骤3，通过切削温度传感器测得在切削过程中的实际温度值；
步骤4，在上位机中，将切削力传感器的测量输出值减去对应温度下切削力传感器的标定输出值，得到对应温度下切削力传感器的实际输出值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种切削力和切削温度的测量装置，该装置将切削力传感器和切削温度传感器直接和刀片直接接触，距离切削位置近，能够实现对切削力的直接、准确地测量，具有响应快、精度高的性能。本发明的切削力和切削温度测量装置中的切削力传感器外形与普通车刀的刀垫外形一致，并且具有相同的机械特性，能够替代刀垫并安装到刀具中，使得切削力传感器直接和车刀接触，测量精度高，不占用额外的空间，该切削力传感器结构简单、体积小，具有兼容性好、可靠性高的特点，解决了当前很多商业化切削力传感器难以用于实际加工切削状态监测的难题。装置中的切削力传感器和切削温度传感器均采用了AlSiCO陶瓷材料作为敏感材料，测量原理是基于AlSiCO陶瓷的压阻效应，AlSiCO陶瓷的压阻系数高达7000～16000，能够使切削力传感器实现高灵敏度测量。
进一步的，基板和盖板上设置有一层Al2O3绝缘层，同时设置有两个前焊盘和两个后焊盘。Al2O3绝缘层使切削力传感器的测量电路不会受到盖板和基板的影响。前焊盘通过金丝与上下电极板相连，使测量电路的连接更加可靠。
进一步的，后焊盘通过引线和信号采集卡连接，将采集到的信号传递至信号采集卡上。
进一步的，基板上开设有圆形孔洞，整个切削力测量敏感结构嵌入在基板上，切屑力测量敏感结构的结构能够固定在基板上，而且方便基板与盖板的装配，有利于减少基板和盖板装配造成的预应力。
进一步的，切削温度传感器的主要结构嵌入在刀片上，使得用于测量的矩形AlSiCO陶瓷能够敏锐的感知到刀片温度的变化，提高整个装置的测量精度。
进一步的，信号线被热缩管包裹，使得信号线被保护。
进一步的，刀片和切削力传感器被紧固螺钉固定设置在刀杆上，使得整个刀片和切削力传感器能够紧密接触，提高装置的测量精度。
本发明还公开了一种切削力和切削温度的测量装置的制备方法，该制备方法中…
本发明还公开了一种切削力和切削温度的测量装置的切削力传感器的温度补偿方法，该使用方法中能够同时测量切削力和切削温度，测量精度很高，利用切削温度传感器测得的温度值对切削力传感器进行实时温度补偿，进一步提高切削力传感器测量精度。
【附图说明】
图1是切削力和切削温度高精度测量装置整体结构图；
图2是刀杆的结构示意图；
图3是另外角度的刀杆结构示意图；
图4是切削力传感器结构图。
图5是切削力传感器敏感结构剖面图。
图6是切削温度传感器结构剖面图。
图7是切削温度传感器安装图；
其中，(a)图是安装分解图；(b)图是安装完成后图。
图8是切削力传感器测量电路图。
图9是切削温度传感器测量电路图。
其中：1-切削力传感器；2-切削温度传感器；3-刀片；4-切削温度传感器信号线；5-刀具压板；6-紧固螺钉；7-刀杆；8-航空插头公头；9-蛇皮管；10-信号传输线；11-信号采集卡；12-上位机；13-盖板；14-引线；15-PCB板；16-金线；17-切削力测量敏感结构；18-基板；19-前焊盘；20-导线；21-后焊盘；22-第一固定孔；23-焊缝；24-圆片状AlSiCO陶瓷；25-下电极板；26-上电极板；27-Al2O3绝缘层；28-矩形AlSiCO陶瓷；29-铂金；30-铂丝；31-热缩管；32-铜丝；33-保护盖；34-第二固定孔；35-槽；36-圆形孔洞；37-孔洞；71-夹持部分；72-刀垫；721-第一侧壁面；722-第二侧壁面；723-第三侧壁面；724-第一前端面；725-第二前端面；726-第一上表面；727-第二上表面。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为了实现智能刀具对切削力和切削温度同时进行测量，并提升切削力传感器和切削温度传感器的测量精度，本发明公开了一种切削力和切削温度测量装置及其制备和温度补偿方法，该测量装置主要由切削力传感器、切削温度传感器、数据采集系统组成，其中数据采集系统包括数据采集卡、上位机、数据采集分析软件。该测量系统的切削力传感器和切削温度传感器都采用SiAlCO陶瓷作为敏感材料。其中切削力传感器原理是基于SiAlCO陶瓷的压阻效应，SiAlCO陶瓷的压阻系数高达7000-16000，能够使切削力传感器实现高精度。该切削力传感器外形与普通车刀的刀垫外形一致，并且具有相同的机械特性，能够替代刀垫并安装到刀具中，能够对切削力进行直接有效地测量，并提高测量精度和缩短响应时间。切削温度传感器的测量原理是基于SiAlCO陶瓷的高温半导体性能，SiAlCO陶瓷有随着温度升高而电阻值逐渐变小的高温温阻特性。该测量系统的该系统的切削温度传感器粘贴在刀片侧面的槽内，并用激光焊接的保护盖保护起来，能够直接有效地测量切削温度的大小。在上位机的数据采集分析软件中，实时采集和分析切削力和切削温度，并利用切削温度传感器测得的温度值对切削力传感器进行实时温度补偿，进一步提高切削力传感器测量精度。
参见图1-图3，一种切削力和切削温度的测量装置，包括切削力传感器1，切削温度传感器2，刀片3，刀杆7，信号传输线10，数据采集卡11和上位机12。刀杆7包括一体连接的夹持部分71和支撑部分72，夹持部分71用于将整个刀具夹持到机床上以固定刀具，支撑部分72用于放置刀片3和传感器等装置；夹持部分71的主体部分为长方体形状，但其一端为斜面，夹持部分71的斜面和支撑部分72一体连接，支撑部分72包括第一侧壁面721、第二侧壁面721和第三侧壁面723，支撑部分72的前端面包括两个面，第一前端面724和第二前端面725，支撑部分72的侧壁包括依次连接的第一侧壁面721、第一前端面724、第二前端面725、第二侧壁面722和第三侧壁面723，其中第一侧壁面721和夹持部分71的一个侧壁为同平面，第三侧壁面723垂直于夹持部分71的另一个侧壁，第三侧壁面721和第二侧壁面721垂直，第一侧壁面721和第二侧壁面722平行；第一前端面721和第一侧壁面721之间的夹角大于90°，第二前端面725和第二侧壁面722之间的夹角小于90°，第一前端面724和第二前端面725之间的夹角大于90°；支撑部分72的下表面和夹持部分71的下表面平齐，上表面包括高度不同的第一上表面726和第二上表面727，第一上表面726的高度高于夹持部分71的上表面，夹持部分71的上表面高于第二上表面727，因此支撑部分72的上表面呈台阶状；第二上表面727的两个外侧边和第二侧壁面72及第二前端面725相接，因为第二前端面725和第二侧壁面722之间形成的夹角＜90°，使得第二上表面727的前端为一个尖角的形状，第二上表面727的形状为平行四边形，后侧的角同为尖角状，第二上表面727用于放置刀具，整个第二上表面727的形状和刀片3的形状相同。
第二上表面727上从下到上依次堆叠有切削力传感器1和刀片3，所述的切削力传感器1外形与普通车刀的刀垫外形一致，呈平行四边形状，切削力传感器1代替刀垫嵌入到刀片3下面，与刀片3和刀杆7紧密接触，刀片3的侧边上固定设置有切削温度传感器2。刀片3通过刀具压板5固定，紧固螺钉6将刀具压板5固定在第一上表面726上，刀具压板5的前端压住刀片3。切削力传感器1的信号线和切削温度传感器2的信号线4穿过刀杆7内部和航空插头公头8连接，航空插头公头8固定设置在夹持部分71的后端，蛇皮管9中的信号传输线10的一端通过航空插头母头与航空插头公头8相连，信号传输线10的另一端连接到信号采集卡11上，信号采集卡11通过信号线与上位机12连接。上位机12上有信号采集分析软件，对切削力信号和切削温度信号进行采集和处理。
参见图4，切削力传感器1结构包括盖板13、引线14、PCB板15、切削力测量敏感结构17和基板18。盖板13和基板18的形状及尺寸相同，均为平行四边形，所述引线14、PCB板15和切削力测量敏感结构17固定夹装在二者之间，盖板13的表面和基板18的表面设置有一层Al2O3绝缘层27。基板18的上表面从前向后依次设置有切削力测量敏感结构17、PCB板15和两条引线14，其中切削力测量敏感结构17嵌入在基板18中，PCB板15和两条引线14粘贴在基板18上；切削测量敏感结构17和PCB板15均在基板18长度方向的中心线上，基板18长度方向的中心线连接基板18的两个尖角，两条引线14相对于基板18长度方向的中心线镜像对称；PCB板15上设置有两个前焊盘19和两个后焊盘21，两个前焊盘19相对于长度方向的中心线对称，两个后焊盘21相对于长度方向的中心线对称；切削力测量敏感结构17嵌入到基板18中，然后通过两根金丝16利用金丝球焊的方式与PCB板15上的两个前焊盘19连接，每一个前焊盘19通过一个导线20与一个后焊盘21相连，连接的前焊盘19和后焊盘21在基板18长度方向中心线的同一侧，每一个引线14从PCB板15上的一个焊盘21上引出，盖板13通过激光焊接与基板18紧密连接，同时将两根引线14压入在盖板13和基板18中，最后引线14穿过刀体内部连接到处理电路上，紧固螺钉6通过固定孔22将切削温度传感器2固定在刀杆7上，固定孔22开设在两个引线14之间。
参见图5为切削力敏感结构17的剖视图；所述的切削力测量敏感结构17主要由圆片状AlSiCO陶瓷24、下电极板25、上电极板26、Al2O3绝缘层27组成。Al2O3绝缘层27通过磁控溅射的方式溅射到盖板13和基板18的表面，基板18上开设有用于放置切削力敏感结构17的圆形孔洞35，圆形孔洞35的表面设置有Al2O3绝缘层，圆形孔洞35内装载有下电极板25，下电极板25上安装有圆片AlSiCO陶瓷24，AlSiCO陶瓷24的上表面被上电极板26覆盖，下电极板25和上电极板26分别与Al2O3绝缘层27紧密接触，圆片状AlSiCO陶瓷24的上下表面通过导电银浆与上电极板26和下电极板25紧密连接。盖板13和基板18通过激光焊接焊缝23紧密连接。
参见图6和图7中的(a)图和(b)图，所述切削温度传感器2的安装分解图如图(a)所示，安装完成后视图如图(b)所示，所述的切削温度传感器2由矩形AlSiCO陶瓷28、铂丝30和切削温度传感器信号线4组成。矩形AlSiCO陶瓷28是切削温度传感器的敏感部件，矩形AlSiCO陶瓷28的侧壁上设置有两个孔洞36，先在孔洞36的侧壁和底面均匀涂抹一层铂浆，然后将铂丝30嵌入到小孔里，形成孔洞36的内壁上设置有一层铂金29，每一个孔洞36内插入有一个铂丝30的结构，铂丝30的一端插入在孔洞36中，另一端和一个铜丝32固定连接，铂丝30在孔洞36以外的部分以及铜丝32均被热缩管31包裹，热缩管31用于保护铜丝32与铂丝30。切削温度传感器2紧贴于刀片3侧面的槽35内，外面用保护盖33将矩形AlSiCO陶瓷28保护起来。第二固定孔34用于固定刀片3，保证刀片3与切削力传感器1紧密接触。
本发明中刀具的制备过程为：
步骤1，按照图1-3制造刀杆7。
步骤2，制备圆片状AlSiCO陶瓷24和矩形AlSiCO陶瓷28。
所述的圆片状AlSiCO陶瓷24和矩形AlSiCO陶瓷28由有机硅树脂、仲丁醇铝和乙醇三种溶液制作而成，工艺步骤包括：搅拌、凝固、热处理、球磨、压片、热解。具体工艺步骤为：①将有机硅树脂与乙醇按照2：1的质量比混合，然后再加入仲丁醇铝，仲丁醇铝的质量为有机硅树脂质量的5％，将混合液在室温下以800转/分钟的搅拌速度下搅拌6小时得到先驱体母液；②将先驱体母液在干燥箱中于150℃的温度下凝固18小时；③将凝固后的固体在流动的高纯度氩气环境中于350℃的温度下热处理4小时；④将热处理后的固体先用捣钵捣碎，然后在高能球磨机中球磨20小时，进行筛分，得到小于1μm的粉末；⑤将粉末与先驱体母液按体积比为40:1的比例混合，这样做可以提高压片后样品的致密度和强度；⑥用压片机在20MPa的单轴压力下压成圆片和矩形状，然后使用冷等静压机在200MPa的压力下压5分钟使制作的陶瓷致密；⑦最后将制作的陶瓷放入陶瓷方舟中置于管式炉里，按照一定的烧结程序，在流动的超高纯度氩气下温度为1100℃热解4小时，得到圆片状AlSiCO陶瓷24和矩形AlSiCO陶瓷28。
步骤3，制备切削力传感器1。
制备好基板18和盖板13后，首先在基板18和盖板13表面分别溅射一层Al2O3绝缘层27。将圆片状AlSiCO陶瓷24的上下表面通过导电银浆与上电极板26和下电极板25紧密连接，然后将其嵌入基板18的圆形孔洞35中。把PCB板15粘贴在基板18上。利用金丝球焊的方式将金丝16与PCB板15上的两个前焊盘19和圆片状AlSiCO陶瓷24连接，每一个前焊盘19通过一个导线20与一个后焊盘21相连，两条引线14与后焊盘21相连。最后将盖板13通过激光焊接与基板18紧密连接。
步骤4，制备切削温度传感器2。
在矩形AlSiCO陶瓷28的侧壁上打两个孔洞36，先在孔洞36的侧壁和底面均匀涂抹一层铂浆，然后将铂丝30嵌入到小孔里，形成孔洞36的内壁上设置有一层铂金29，每一个孔洞36内插入有一个铂丝30的结构，铂丝30的一端插入在孔洞36中，另一端和一个铜丝32固定连接，用热缩管31包裹住铂丝30在孔洞36以外的部分以及铜丝32。在刀片3侧面开一个槽35，在槽35的内部和保护盖33的表面都溅射一层Al2O3绝缘层，把切削温度传感器2嵌入槽35，再将保护盖33与刀片3通过激光焊接紧密连接。
步骤5，安装传感器。
将切削力传感器1代替刀垫安装到刀杆7上，再将安装了切削温度传感器2的刀片3安装到切削力传感器1上面。切削力传感器1的引线14和切削温度传感器2的信号线4穿过刀杆7内部和航空插头公头8连接，航空插头公头8固定设置在夹持部分71的后端，蛇皮管9中的信号传输线10的一端通过航空插头母头与航空插头公头8相连，信号传输线10的另一端连接到信号采集卡11上，信号采集卡11通过信号线与上位机12连接。上位机12上有信号采集分析软件，对切削力信号和切削温度信号进行采集和处理。
本发明的切削力传感器的温度补偿方法如下：
由于AlSiCO陶瓷的高压阻系数和与刀片3直接接触的测量方式，切削力传感器1已经具备较高的测量精度，为了进一步提升其测量精度，采用切削温度传感器2测得的温度值对切削力传感器进行实时温度补偿，具体方案如下：①利用烘箱对切削力传感器1进行温度标定，标定温度个数为780个，标定温度范围为20℃到800℃，得到不同温度下切削力传感器1的标定输出值；②利用数据采集卡采集切削力传感器1在切削过程中的测量输出值；③利用切削温度传感器2测得在切削过程中的实际温度值；④在数据采集分析软件中，将切削力传感器1的测量输出值减去对应实际温度值下切削力传感器1的标定输出值，便得到了对应温度下切削力传感器1的实际输出值。
参照图8，所述的切削力传感器的测量电路如图所示，其中R1为圆片状AlSiCO陶瓷24的电阻，R0为定值电阻，Vs为5V恒压源，V0为定值电阻的输出电压值。输出电压值V0为：
测量原理是：当切削力作用于刀片3上时，刀片3将切削力传递到切削力传感器1上，此时切削力就会作用于圆片状AlSiCO陶瓷24上，因为圆片状AlSiCO陶瓷24具有压阻效应，圆片状AlSiCO陶瓷24的电阻值R1就会随着切削力发生改变。由于定值电阻R0与圆片状AlSiCO陶瓷24串联，当圆片状AlSiCO陶瓷24的电阻值R1变化时，定值电阻R0的电压也会相应发生变化。从而通过测量定值电阻R0的电压值V0的变化，在上位机的处理软件中可以得到定值电阻R0的电压值V0的变化值对应的切削力的值。
参照图9，所述的切削温度传感器的测量电路如图所示，其中R2为矩形AlSiCO陶瓷28的电阻，R3、R4、R5为定值电阻，这四个电阻组成一个单臂惠斯通电桥，Vs’为5V恒压源，V0’电桥的输出电压值。输出电压值V0’为：
测量原理是：在切削过程中，切削温度会由刀片3传递给矩形AlSiCO陶瓷28，矩形AlSiCO陶瓷28的电阻值R2会随着温度变化而发生变化。由于R3、R4、R5为定值电阻，Vs’为5V恒压源，根据上述公式，当电阻值R2发生变化时，输出电压值V0’会相应发生变化。通过测量电桥的输出电压V0’的变化值，在上位机的处理软件中可以得到输出电压V0’的变化值对应的切削温度值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种切削力和切削温度的测量装置，其特征在于，包括：刀杆(7)，刀杆(7)的前端安装有刀片(3)，刀片(3)和刀杆(7)之间安装有切削力传感器(1)，刀片(3)的侧边安装有切削温度传感器(20)；切削力传感器(1)和切削温度传感器(20)均连接至信号采集卡(11)，信号采集卡(11)连接至上位机(12)；
切削力传感器(1)和刀片(3)的形状及尺寸相同，切削力传感器(20)包括形状和尺寸相同的基板(18)和盖板(13)，基板(18)和盖板(13)之间设置有切削力测量敏感结构(17)，切削力测量敏感结构(17)连通至前焊盘(19)，前焊盘(19)连通至后焊盘(21)，后焊盘(21)连通至信号采集卡(11)，前焊盘(19)和后焊盘(21)均固定设置在PCB板(18)上，PCB板(18)设置在基板(18)上；
切削力测量敏感结构(17)包括圆片状AlSiCO陶瓷(24)，圆片状AlSiCO陶瓷(24)被夹装在上电极板(25)和下电极板(26)之间，上电极板(25)设置在盖板(13)的下部，下电极板(26)安装在基板(18)的上部；
切削温度传感器(2)包括矩形AlSiCO陶瓷(28)、矩形AlSiCO陶瓷(28)通过铂丝(30)连通有铜丝(32)，铜丝(32)和信号采集卡(11)连通。
2.根据权利要求1所述的一种切削力和切削温度的测量装置，其特征在于，基板(18)的表面和盖板(13)的表面均包裹有一层Al2O3绝缘层(27)，基板(18)设置有两个前焊盘(19)，每一个前焊盘(19)各自通过引线(14)和一个后焊盘(21)连接；两个前焊盘(19)、两个后焊盘(21)和两个引线(14)均相对于刀片(3)长度方向中心线对称。
3.根据权利要求1所述的一种切削力和切削温度的测量装置，其特征在于，后焊盘(21)通过引线(14)和信号采集卡(11)连接，引线(14)一部分粘贴在基板(18)上，另一部分穿过刀杆(7)和信号采集卡(11)连接。
4.根据权利要求1所述的一种切削力和切削温度的测量装置，其特征在于，基板(18)上开设有圆形孔洞(35)，圆形孔洞(35)内表面上涂覆有Al2O3绝缘层(27)；圆形孔洞(35)内从下到上依次设置有下电极板(26)、圆片状AlSiCO陶瓷(24)和上电极板(25)，上电极板(25)和涂覆在盖板(13)下表面的Al2O3绝缘层(27)接触。
5.根据权利要求1所述的一种切削力和切削温度的测量装置，其特征在于，矩形AlSiCO陶瓷(28)嵌入在刀片(3)侧壁开设的槽(35)中，矩形AlSiCO陶瓷(28)的外表面覆盖有保护盖(33)。
6.根据权利要求1所述的一种切削力和切削温度的测量装置，其特征在于，矩形AlSiCO陶瓷(28)的短边侧壁上开设有两个孔洞(36)，孔洞(36)的内表面上设置有一层铂金(29)，两个铂丝(30)各自插入在一个孔洞(36)中，铂丝(30)的另一端连接至铜丝(32)，铜丝(32)和孔洞(36)以外的铂丝(30)均被热缩管(31)包裹。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种切削力和切削温度的测量装置，其特征在于，刀片(3)和切削力传感器(1)被紧固螺钉(6)固定设置在刀杆(7)上。
8.一种权利要求1所述切削力和切削温度的测量装置的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，制造刀杆(7)；
步骤2，制备圆片状AlSiCO陶瓷(24)和矩形AlSiCO陶瓷(28)；
步骤3，制备切削力传感器(1)；
将圆片状AlSiCO陶瓷(24)的上下表面通过导电银浆分别与上电极板(26)和下电极板(25)连接，将上电极板(26)、圆片状AlSiCO陶瓷(24)和下电极板(25)共同嵌入基板(18)中，将PCB板(15)粘贴在基板(18)上，PCB板(15)上设置有两个前焊盘(19)和两个后焊盘(21)，电连接前焊盘(19)和圆片状AlSiCO陶瓷(24)，电连接前焊盘(19)和后焊盘(21)，将盖板(13)和基板(18)连接；
步骤4，制备切削温度传感器(2)；
在矩形AlSiCO陶瓷(28)的侧壁上打两个孔洞(36)，先在孔洞(36)的内侧壁和底面涂抹一层铂浆，然后将铂丝(30)嵌入到两个孔洞(36)中，铂丝(30)的另一端和铜丝(32)连接，用热缩管(31)包裹住铂丝(30)在孔洞(36)以外的部分以及铜丝(31)，制备出切削温度传感器(2)；在刀片(3)侧面开设槽(35)，把切削温度传感器(2)嵌入槽(35)中；
步骤5，安装传感器；
将切削力传感器(1)安装到刀杆(7)上，再将安装有切削温度传感器(2)的刀片(3)安装到切削力传感器(1)上面；将切削力传感器(1)的引线(14)和切削温度传感器(2)的信号线(4)穿过刀杆(7)和信号采集卡(11)连接上，信号采集卡(11)通过信号线与上位机(12)连接。
9.根据权利要求8所述的切削力和切削温度的测量装置的制备方法，其特征在于，
步骤2中，圆片状AlSiCO陶瓷(24)和矩形AlSiCO陶瓷(28)的制备过程为：
步骤2.1，将有机硅树脂与乙醇按照2：1的质量比混合，然后再加入仲丁醇铝，仲丁醇铝的质量为有机硅树脂质量的5％，得到混合液，将混合液搅拌均匀得到先驱体母液；
步骤2.2，将先驱体母液在干燥箱中干燥得到凝固后的固体；
步骤2.3，将凝固后的固体在流动氩气环境中于350℃的温度下热处理4小时，得到热处理后的固体；
步骤2.4，将热处理后的固体捣碎，球磨并筛分，得到粒度小于1μm的粉末；
步骤2.5，将筛选后的粉末与先驱体母液按体积比为40:1的比例混合，得到混合物；
步骤2.6，将步骤2.5得到的混合物用压片机压成圆片和矩形状，使用冷等静压机在200MPa的压力下压5min，得到陶瓷；
步骤2.7，烧结步骤2.6得到的陶瓷，得到圆片状AlSiCO陶瓷(24)和矩形AlSiCO陶瓷(28)。
10.一种权利要求1所述切削力和切削温度的测量装置的温度补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，对切削力传感器(1)进行温度标定，得到各个温度下切削力传感器(1)的标定输出值；
步骤2，通过信号采集卡(11)采集切削力传感器(1)在切削过程中的测量输出值；
步骤3，通过切削温度传感器(2)测得在切削过程中的实际温度值；
步骤4，在上位机(12)中，将切削力传感器(1)的测量输出值减去对应温度下切削力传感器(1)的标定输出值，得到对应温度下切削力传感器(1)的实际输出值。
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