一種大量程壓阻式高頻響固定式四分量銑削力傳感器的製造方法
2023-06-04 02:49:16
一種大量程壓阻式高頻響固定式四分量銑削力傳感器的製造方法
【專利摘要】一種大量程壓阻式高頻響固定式四分量銑削力傳感器，傳感器為一個整體結構零件，傳感器採用支撐梁加變形梁的複合結構設計，傳感器包括載物平臺、豎直變形梁、水平變形梁、固定底座四部分，載物平臺通過豎直變形梁和水平變形梁連接在固定底座上，豎直變形梁共四個，水平變形梁共四組，在豎直變形梁豎直貼裝第一壓阻式MEMS矽微力敏晶片，在水平變形梁水平貼裝第二壓阻式MEMS矽微力敏晶片，本發明可以實現對銑臺所受包括水平X、Y向，豎直Z向三向力的測量以及主軸扭矩的檢測，不僅可以測量動態力，也適用於靜態力的測量，在使用和維護方面更加簡單可靠，降低成本。
【專利說明】一種大量程壓阻式高頻響固定式四分量銑削力傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及銑削力測力【技術領域】，特別涉及一種大量程壓阻式高頻響固定式四分量銑削力傳感器。
【背景技術】
[0002]傳統的固定式銑削力測力儀主要有電容式、電感式、壓電式、應變式等類型。目前國外比較成熟的產品多為固定壓電式銑削力傳感器。壓電式測力儀適合於動態受力監測，具有高靈敏度和高固有頻率的優點，但是因其價格昂貴、結構複雜、調試繁瑣、維護不便，國內一直無法實現對擁有自主智慧財產權的壓電式傳感器的量產。在我國八十年代末，曾對應用於機械加工狀態監測的應變式測力儀有過一段時間的系統研究。固定式應變測力儀成本較低、結構簡單、長期穩定性好、工藝成熟，已廣泛應用於靜態力或緩變力的測量中，但是由於固定式應變測力儀無法解決其靈敏度和固有頻率之間的固有矛盾，對動態銑削受力的測量一直僅限於低速銑削過程。近年來，有些高校的學者嘗試進行應變式高頻響固定式銑削力傳感器的研究，但是由於選用的依然是傳統的金屬電阻應變片，在保證可用靈敏度的前提下，使得該固定式銑削力測力儀的承載平臺尺寸有限，且可用量程較小，多為小力測量，這遠遠無法滿足當前高速銑削過程中大量程測力的需要。
[0003]傳統的固定式銑床扭矩測量儀種類也是多種多樣的，主要包括接觸式和非接觸式的兩種測量方法，分別實現對定心鑽削扭矩的測量和無定心銑削扭矩的測量。比較常見的是固定式定心鑽削 扭矩測量儀，且該類產品多為進口的壓電式傳感器，優缺點這裡不再贅述。對於更能真實準確的反映動態銑削過程的固定式無定心銑削扭矩的測量，目前國內僅限於起步階段，並且也依然以壓電式傳感器為主，這大大限制了國內對於無定心銑削扭矩測量儀的商品化。而相對於壓電式傳感器而言，更加經濟耐用的應變式固定式無定心銑削扭矩測量儀面臨的主要問題則是測量靈敏度不足。由於固定式無定心銑削扭矩測量儀利用在主軸垂直平面的切向主切削力對主軸扭矩進行間接測量，在相同主軸扭矩輸入的情況下，測力靈敏度隨傳感器檢測點到主軸的距離增加而遞減，因此應變式固定式無定心銑削扭矩測量儀存在本身臺面尺寸與測量靈敏度之間的固有矛盾。
[0004]壓阻式測力傳感器是利用單晶矽材料的壓阻效應和集成電路技術製成的傳感器，該類傳感器具有體積小、頻響聞、靈敏度聞、精度聞、性能穩定、可罪性聞等諸多優點。近年來隨著微納技術在國內的蓬勃發展，針對銑削加工過程中的切削質量控制、刀具壽命預測以及智能加工等需求，研發擁有自主智慧財產權的，用於銑削加工等過程監測的低功耗、高性能的壓阻式傳感器已被提上議事日程。
【發明內容】
[0005]為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在於提供一種大量程壓阻式高頻響固定式四分量銑削力傳感器，可以實現對銑臺所受包括水平X、Y向，豎直Z向三向力的測量以及主軸扭矩的檢測，本發明測力範圍:χ、Y向O — 5kN，Z向O — 10kN，扭矩:-100N.m—IOON.m，固有頻率4KHz。
[0006]為了達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的:
[0007]—種大量程壓阻式高頻響固定式四分量銑削力傳感器，傳感器2為一個整體結構零件，被加工工件I通過夾具固定在傳感器2上，傳感器2固定於銑臺3上；
[0008]所述傳感器2採用支撐梁加變形梁的複合結構設計，共十二根變形梁，傳感器2以豎直中心軸8四面對稱，且每面又以該面內的豎直對稱軸9左右鏡像對稱，傳感器2包括載物平臺4、豎直變形梁5、水平變形梁6、固定底座7四部分，載物平臺4通過豎直變形梁5和水平變形梁6連接在固定底座7上，靠近豎直中心軸8的方向相對為內側，而靠近傳感器2四邊的方向定義為外側，靠近豎直對稱軸9的方向相對為內端,而靠近傳感器2四角的方向定義為外端；
[0009]所述的豎直變形梁5共四個，以豎直中心軸8四面對稱，每個為長方體豎直薄板結構，該薄板結構以豎直對稱軸9左右鏡像對稱，其頂面與載物平臺4底面相接，其底面與固定底座7上表面相連，其內壁與固定底座7環形內壁豎直共面，其外壁與載物平臺4外壁豎直共面，豎直變形梁5與載物平臺4接觸面的水平長度為載物平臺4水平邊長的1/3 ；
[0010]所述的水平變形梁6共四組，以豎直中心軸8四角對稱，分別位於載物平臺4的四角處，每組由兩個相同尺寸的長方體水平薄片組成，以過豎直中心軸8與載物平臺4的豎直側邊所成的半對角平面為對稱面，每組的兩薄片結構分別關於其中一組半對角面鏡像對稱，並在水平面內呈90°夾角，每組水平變形梁6的內壁分別與載物平臺4兩相鄰外壁連接，其外壁與固定底座7相接固定，其上頂面與固定底座7隆起部分的上表面水平共面，其下底面與載物平臺4下底面水平共面；
[0011]所述的豎直變形梁5既為豎直Z向的變形梁，也為水平X、Y向以及豎直Z向的支撐梁，分別在各組豎直變形梁5靠近其外端面和固定底座7的兩個外壁下角處，豎直貼裝第一壓阻式MEMS矽微力敏晶片10，用以檢測銑臺3受到的豎直Z向作用力；水平變形梁6僅起水平支撐作用，分別在各組水平變形梁6靠近其外端面和載物平臺4外壁的上表面夾角處，水平貼裝第二壓阻式MEMS矽微力敏晶片11，用以檢測銑臺3受到的水平X向或Y向作用力，並間接獲得銑刀施加的主軸扭矩。
[0012]所述的載物平臺4為四方體結構，以豎直中心軸8四面對稱，且每面又以該面內的豎直對稱軸9左右鏡像對稱，上、下面為正方形，用於承載和固定被加工工件I。
[0013]所述的固定底座7為四方環形結構，以豎直中心軸8四面對稱，且每面又以該面內的豎直對稱軸9左右鏡像對稱，中部近似為方形空洞，四角處向上隆起，且各鑽削有一個通孔。
[0014]所述的第一壓阻式MEMS矽微力敏晶片10和第二壓阻式MEMS矽微力敏晶片11為兩對構造相同的傳感器應力應變轉換晶片，由MEMS工藝製作，晶片內部集成差動敏感梁，且在各差動敏感梁上內置半導體電阻絲，半導體電阻絲組成惠斯通全橋電路。
[0015]本發明的有益效果:第一，本發明在水平方向選擇剪切力、拉壓力以及彎曲正應力組合的支撐作用力結構，在豎直方向上選用拉壓支撐作用力，有效增大傳感器的等效剛度，不但使得傳感器的可用量程範圍相應大幅增加，而且使傳感器本身的固有頻率提升到4KHz以上，可以對高速銑削力進行測量；第二，本發明在水平方向和豎直方向分別使用水平差動和豎直拉壓薄壁變形梁結構，不但儘可能的保證了變形梁金屬彈性體的靈敏度，並且使變形梁上主應力方向單一化，與施力方向相同，有效減少了各向銑削分力之間的相互影響和耦合；第三，本發明選用豎直中心軸四面對稱結構，結合水平拉壓差動變形梁，便於求解出在傳感器各邊上，水平面內的切向主切削力投影的大小，進而實現對無定心銑削主軸扭矩的測量；第四，本發明使用壓阻式MEMS矽微力敏晶片將機械應力轉換為電信號，與傳統的金屬電阻應變片相比，電信號輸出放大近10倍，極大地提高了測量靈敏度，有效消除了由於電橋臂增量不同而引入的橋式電路非線性誤差；第五，相比於壓電式銑削力傳感器只能測量動態力的缺陷，本發明不僅可以測量動態力，也適用於靜態力的測量，在使用和維護方面更加簡單可靠，降低成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為傳感器2安裝使用示意圖。
[0017]圖2為傳感器2總體結構示意圖；其中2 (a)為上下二等角軸側視圖；2 (b)為前視圖；2 (c )為俯視圖。
[0018]圖3為傳感器2受力及第一壓阻式MEMS矽微力敏晶片10和第二壓阻式MEMS矽微力敏晶片11貼片位置示意圖。
[0019]圖4為豎直變形梁5和水平變形梁6示意圖；其中4(a)為豎直變形梁5示意圖；4(b)為水平變形梁6示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發明做詳細描述。
[0021]本發明目的為測量較高主軸轉速下，銑臺在主軸Z向、水平X向或Y向受力以及銑刀主軸的扭矩，其中，銑刀主軸扭矩採用對水平面內周期作用的切向主切削力的動態測量而間接取得。
[0022]參照圖1，一種大量程壓阻式高頻響固定式四分量銑削力傳感器，為保證高效的傳遞銑臺所受作用力，傳感器2為一個整體結構零件，被加工工件I通過夾具固定在傳感器2上，傳感器2通過螺栓固定於銑臺3上；
[0023]參照圖2 (a)，所述的傳感器2採用支撐梁加變形梁的複合結構設計，共十二根變形梁，傳感器2以豎直中心軸8四面對稱，且每面又以該面內的豎直對稱軸9左右鏡像對稱，傳感器2包括載物平臺4、豎直變形梁5、水平變形梁6、固定底座7四部分，載物平臺4通過豎直變形梁5和水平變形梁6連接在固定底座7上，靠近豎直中心軸8的方向相對為內側，而靠近傳感器2四邊的方向定義為外側，靠近豎直對稱軸9的方向相對為內端，而靠近傳感器2四角的方向定義為外端。
[0024]參照圖2(a)，所述的載物平臺4為四方體結構，以豎直中心軸8四面對稱，且每面又以該面內的豎直對稱軸9左右鏡像對稱，上、下面為正方形，用於承載和固定被加工工件
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[0025]參照圖2 (b)和圖2 (C)，所述的固定底座7為四方環形結構，以豎直中心軸8四面對稱，且每面又以該面內的豎直對稱軸9左右鏡像對稱，中部近似為方形空洞，四角處向上隆起，且各鑽削有一個通孔。當固定於銑臺3上時，自由度為O。
[0026]參照圖2 (a)、圖2 (b)和圖2 (C)，所述的豎直變形梁5共四個，以豎直中心軸8四面對稱，每個為長方體豎直薄板結構，該薄板結構以豎直對稱軸9左右鏡像對稱，其頂面與載物平臺4底面相接，其底面與固定底座7上表面相連，其內壁與固定底座7環形內壁豎直共面，其外壁與載物平臺4外壁豎直共面，豎直變形梁5與載物平臺4接觸面的水平長度約為載物平臺4邊長的1/3。
[0027]參照圖2 (a)、圖2 (b)和圖2 (C)，所述的水平變形梁6共四組，以豎直中心軸8四角對稱，分別位於載物平臺4的四角處，每組由兩個相同尺寸的長方體水平薄片組成，以過豎直中心軸8與載物平臺4的豎直側邊所成的半對角平面為對稱面，每組的兩薄片結構分別關於其中一組半對角面鏡像對稱，並在水平面內呈90°夾角，每組水平變形梁6的內壁分別與載物平臺4兩相鄰外壁連接，其外壁與固定底座7相接固定，其上頂面與固定底座7隆起部分的上表面水平共面，其下底面與載物平臺4下底面水平共面。
[0028]參照圖3，豎直變形梁5既為豎直Z向的變形梁，也為水平X、Y向以及豎直Z向的支撐梁，分別在各組豎直變形梁5靠近其外端面和固定底座7的兩個外壁下角處，豎直貼裝第一壓阻式MEMS矽微力敏晶片10，用以檢測銑臺3受到的豎直Z向作用力；水平變形梁6僅起水平支撐作用，分別在各組水平變形梁6靠近其外端面和載物平臺4外壁的上表面夾角處，水平貼裝第二壓阻式MEMS矽微力敏晶片11，用以檢測銑臺3受到的水平X向或Y向作用力，並間接獲得銑刀施加的主軸扭矩。
[0029]所述的第一壓阻式MEMS矽微力敏晶片10和第二壓阻式MEMS矽微力敏晶片11為兩對構造相同的傳感器應力應變轉換晶片，由MEMS工藝製作，晶片內部集成差動敏感梁，且在各差動敏感梁上內置半導體電阻絲，半導體電阻絲組成惠斯通全橋電路。
[0030]本發明的工 作原理為:
[0031]參照圖3，當施加X向或Y向水平作用力時，載物平臺4近似為剛體，固定底座7近似自由度為0，當載物平臺4由於銑刀作用力產生水平微位移時，豎直變形梁5和水平變形梁6起主要的支撐作用。在力的作用方向兩側的一對豎直變形梁5——該組梁的位置連線垂直於力的作用方向——做側向剪切形變，該對梁外側對應著的兩對水平變形梁6在水平面內也做側向剪切變形；在力的作用方向兩端的一對豎直變形梁5——該組梁的位置連線平行於力的作用方向——做前向彎曲形變，該對梁外側對應著的兩對水平變形梁6在水平面內做前向拉壓差動變形，本發明利用水平變形梁6的水平拉壓差動應變，實現對除主切削力以外的水平作用力的測量。同時，本發明利用豎直變形梁5和水平變形梁6的支撐作用力大大提高了水平方向的等效剛度，將水平45°方向的一階固有頻率提高到4kHz以上，水平方向測力範圍O — 5kN。
[0032]參照圖3、圖4 (a)和圖4 (b)，在水平作用力Fx或Fy作用時，單個待測水平變形梁的應變近似計算如下:
[0033]載物平臺4近似剛體，支撐梁X向或Y向的等效總剛度Kx或Ky近似為:
Kx = K, =2(Κ5 + Κ^ + Κβ + ΚΑ)
[0034]5 EbJi, 、，ΕΙφ: Λ ^ 5Eb,h, Λ , EbJi,
—2*_5 5 |2* 5 5 十 _6 6 I /| ^ 66
12(1+ ")/5 4// 12(1+//)(， I6
[0035]其中，Κ5、Κ6分別為位於力的作用方向兩側其中一側的豎直變形梁5及其外側對應的水平變形梁6的水平等效剛度，Κ5』、Κ6』分別為位於力的作用方向兩端其中一端的豎直變形梁5及其外側對應的水平變形梁6的水平等效剛度，E為楊氏模量，μ為泊松比，115、135和I5分別為豎直變形梁5的長、寬和厚度，h6、b6和I6分別為水平變形梁6的長、寬和厚度。
[0036]水平作用力Fx或Fy在每個水平變形梁上產生的X向或Y向應變ε χ或ε Y為:
【權利要求】
1.一種大量程壓阻式高頻響固定式四分量銑削力傳感器，其特徵在於:傳感器(2)為一個整體結構零件，被加工工件(I)通過夾具固定在傳感器(2)上，傳感器(2)固定於銑臺(3)上； 所述傳感器(2)採用支撐梁加變形梁的複合結構設計，共十二根變形梁，傳感器(2)以豎直中心軸(8)四面對稱，且每面又以該面內的豎直對稱軸(9)左右鏡像對稱，傳感器(2)包括載物平臺(4)、豎直變形梁(5)、水平變形梁(6)、固定底座(7)四部分，載物平臺(4)通過豎直變形梁(5 )和水平變形梁(6 )連接在固定底座(7 )上，靠近豎直中心軸(8 )的方向相對為內側，而靠近傳感器(2)四邊的方向定義為外側，靠近豎直對稱軸(9)的方向相對為內端，而靠近傳感器(2)四角的方向定義為外端； 所述的豎直變形梁(5)共四個，以豎直中心軸(8)四面對稱，每個為長方體豎直薄板結構，該薄板結構以豎直對稱軸(9)左右鏡像對稱，其頂面與載物平臺(4)底面相接，其底面與固定底座(7)上表面相連，其內壁與固定底座(7)環形內壁豎直共面，其外壁與載物平臺(4)外壁豎直共面，豎直變形梁(5)與載物平臺(4)接觸面的水平長度為載物平臺(4)水平邊長的1/3 ； 所述的水平變形梁(6)共四組，以豎直中心軸(8)四角對稱，分別位於載物平臺(4)的四角處，每組由兩個相同尺寸的長方體水平薄片組成，以過豎直中心軸(8)與載物平臺(4)的豎直側邊所成的半對角平面為對稱面，每組的兩薄片結構分別關於其中一組半對角面鏡像對稱，並在水平面內呈90°夾角，每組水平變形梁(6)的內壁分別與載物平臺(4)兩相鄰外壁連接，其外壁與固定底座(7)相接固定，其上頂面與固定底座(7)隆起部分的上表面水平共面，其下底面與載物平臺(4)下底面水平共面； 所述的豎直變形梁(5)既為豎直Z向的變形梁，也為水平X、Y向以及豎直Z向的支撐梁，分別在各組豎直變形梁(5 )靠近其外端面和固定底座(7 )的兩個外壁下角處，豎直貼裝第一壓阻式MEMS矽微力敏晶片(10)，用以檢測銑臺(3)受到的豎直Z向作用力；水平變形梁(6 )僅起水平支撐作用，分別在各組水平變形梁(6 )靠近其外端面和載物平臺(4 )外壁的上表面夾角處，水平貼裝第二壓阻式MEMS矽微力敏晶片(11)，用以檢測銑臺(3)受到的水平X向或Y向作用力，並間接獲得銑刀施加的主軸扭矩。
2.根據權利要求1所述的一種大量程壓阻式高頻響固定式四分量銑削力傳感器，其特徵在於:所述的載物平臺(4)為四方體結構，以豎直中心軸(8)四面對稱，且每面又以該面內的豎直對稱軸(9 )左右鏡像對稱，上、下面為正方形，用於承載和固定被加工工件(I)。
3.根據權利要求1所述的一種大量程壓阻式高頻響固定式四分量銑削力傳感器，其特徵在於:所述的固定底座(7)為四方環形結構，以豎直中心軸(8)四面對稱，且每面又以該面內的豎直對稱軸(9)左右鏡像對稱，中部近似為方形空洞，四角處向上隆起，且各鑽削有一個通孔。
4.根據權利要求1所述的一種大量程壓阻式高頻響固定式四分量銑削力傳感器，其特徵在於:所述的第一壓阻式MEMS娃微力敏晶片(10)和第二壓阻式MEMS娃微力敏晶片(11)為兩對構造相同的傳感器應力應變轉換晶片，由MEMS工藝製作，晶片內部集成差動敏感梁，且在各差動敏感梁上內置半導體電阻絲，半導體電阻絲組成惠斯通全橋電路。
【文檔編號】B23Q17/00GK103921171SQ201410155077
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月17日 優先權日:2014年4月17日
【發明者】趙玉龍, 李瑩雪, 趙友, 高欣浩, 王鵬 申請人:西安交通大學