一種應變式旋轉二分量銑削力傳感器的製造方法

2023-07-04 17:04:56

一種應變式旋轉二分量銑削力傳感器的製造方法
【專利摘要】一種應變式旋轉二分量銑削力傳感器，包括主體結構，聯結蓋和主體結構中心軸部進行過盈配合，而周邊進行螺紋連接，前端結構和聯結蓋之間螺紋連接；前端結構由前部HSK型刀柄頭和後部圓盤連接組成，刀柄頭實現測力傳感器與工具機主軸的聯結，後部圓盤實現與聯結蓋的無縫聯結；主體結構一端端頭為薄壁圓筒，另一端為刀具夾持，中部設有支撐圓盤，薄壁圓筒是整個傳感器的彈性元件，具有極高的靈敏度，薄壁圓筒實現傳感器整體結構剛度與靈敏度的融合；支撐圓盤支撐傳感器的各個模塊，刀具夾持安裝刀具；薄壁圓筒上粘貼金屬應變片，連接成惠斯通全橋形式，用以測量軸向力Fz和主軸力矩M，具有靈敏度高、抗幹擾能力強、通用性強等優點。
【專利說明】一種應變式旋轉二分量銑削力傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及智能裝備製造【技術領域】，特別涉及一種應變式旋轉二分量銑削力傳感器。
【背景技術】
[0002]高速切削和高速加工具有生產效率高、加工精度好、刀具使用壽命長等優點，近年來已經在現代精密、超精密加工中佔據了不可或缺的地位。在高速切削和高速加工過程中，刀具所受切削力的大小及切削力的變化趨勢與刀具磨損、破損和耐用度之間存在著明顯的關係，直接影響加工質量的好壞。因此，在加工過程中實現對切削力的實時監測顯得尤為重要。
[0003]為了對工具機的切削力進行監測、分析和控制，不同類型的測力儀相繼問世。首先是機械式及液壓式切削測力儀。機械式測力儀是一種純粹的位移計，靈敏度和剛度的矛盾無法解決，不能測量真實的切削力。液壓式測力儀由於受自身結構的複雜性和靜剛度的限制，其固有頻率很低，也不能測量動態力。電容、電感式測力儀，原理是利用電容極板間距或電感磁芯的移動把彈性體的位移轉換成電容或電感的變化，並以電信號的方式體現出來，實質仍然是一種位移計。電容、電感式測力儀存在抗幹擾能力差、靜態線形誤差大等缺點。近些年問世的壓電測力儀以壓電晶體為傳感元件，測量動態力靈敏度很高，卻存在著不能測量靜態力、力點位置誤差大、價格昂貴等一系列不足之處。
[0004]應變式測力儀的原理是金屬絲在外力作用下發生機械變形時，其阻值將發生變化，再通過電橋轉變成電信號進行輸出。應變式測力儀有很多優點:結構簡單，靈敏度高，性價比好，抗幹擾能力強。對於應變式測力儀而言，合理的選擇彈性體的結構和測力方式，可以有效地解決剛度和靈敏度之間的矛盾。

【發明內容】

[0005]為了克服上述現有技術存在的缺陷，本發明的目的在於提供一種應變式旋轉二分量銑削力傳感器，具有靈敏度高、抗幹擾能力強、通用性強等優點。
[0006]為了實現上述目的，本發明採用的技術方案為:
[0007]—種應變式旋轉二分量銑削力傳感器，包括主體結構3，聯結蓋2和主體結構3中心軸部進行過盈配合，而周邊進行螺紋連接，前端結構I和聯結蓋2之間螺紋連接；
[0008]所述的前端結構1，由前部HSK型刀柄頭Ia和後部圓盤Ib連接組成，刀柄偷Ia實現測力傳感器與工具機主軸的聯結，後部圓盤Ib實現與聯結蓋2的無縫聯結；
[0009]所述的主體結構3，其一端端頭為薄壁圓筒3a，另一端為刀具夾持3c，中部設有支撐圓盤3b，薄壁圓筒3a是整個傳感器的彈性元件，具有極高的靈敏度，薄壁圓筒3a實現傳感器整體結構剛度與靈敏度的融合；支撐圓盤3b支撐傳感器的各個模塊，刀具夾持3c安裝刀具，薄壁圓筒3a上沿著軸向、垂直軸向，以及正負45度軸向粘貼有八個金屬應變片4，分成兩組，分別連接成惠斯通全橋形式，用以測量軸向力Fz和主軸力矩M。[0010]所述的薄壁圓筒3a長8mm,厚1.5mm,中徑35mm。
[0011]所述的支撐圓盤3b外徑150mm,內徑40mm。
[0012]所述的金屬應變片4為箔式電阻應變片，將金屬箔製成柵狀，並夾在兩層絕緣基底中製成，然後通過鍍錫銅線和應變片絲柵連接，作為應變片的引出線。
[0013]與現有技術相比本發明的優點在於:採用薄壁圓筒3a作為傳感器的彈性元件，能夠很好解決剛度與靈敏度之間的矛盾。前部Ia採用HAK-A系列刀柄接口，保證了傳感器與高速旋轉主軸的通用聯結。刀具夾持3c可以根據實際需求安裝不同的刀具。整體結構採用組合封裝的模式，既保證了傳感器的廣泛通用性，又可實現隨時拆卸、組裝和更換部件。同時採用惠斯通電橋，具有良好的溫度穩定性。本發明既可測量靜態力，又適用於動態力的在線實時測量，具有高靈敏度、剛度好、通用性強、成本低、維護簡單等優點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發明傳感器的整體結構示意圖。
[0015]圖2為本發明傳感器的整體結構半剖示意圖。
[0016]圖3為本發明傳感器各結構分解示意圖。
[0017]圖4為本發明薄壁圓筒3a外表面分析單元示意圖。
[0018]圖5為本發明薄壁圓筒3a上粘貼金屬應變片示意圖。
[0019]圖6為本發明中箔式金屬應變片4結構示意圖。
[0020]圖7為本發明中金屬應變片連接成惠斯通全橋示意圖。
【具體實施方式】
[0021]以下結合附圖對本發明的結構與工作原理詳細說明。
[0022]參照圖1和圖2，一種應變式旋轉二分量銑削力傳感器，包括傳感器主體結構3，聯結蓋2和主體結構3中心軸部進行過盈配合，而周邊進行螺紋連接，前端結構I和聯結蓋2之間通過螺釘進行螺紋連接，整體結構組成一個既能聯結主軸、安裝刀具，又能實時監測高速旋轉銑肖'J力的測力刀柄。
[0023]參見圖3，所述的前端結構1，由前部HSK型刀柄頭Ia和後部圓盤Ib連接組成，刀柄頭Ia實現測力傳感器與工具機主軸的聯結，具有廣泛的通用性，後部圓盤Ib實現與聯結蓋2的無縫聯結，保障了整體結構的剛度和同軸度。
[0024]參見圖3，所述的聯結蓋2，其端部2a實現了與端部結構I的後部圓盤Ib螺紋連接，其端部2b又實現了與主體結構3的過盈配合和螺紋連接，同時具有保護主體結構3中傳感器晶片的作用。
[0025]參見圖3，所述的主體結構3，其一端端頭為薄壁圓筒3a，另一端為刀具夾持3c，中部設有支撐圓盤3b，薄壁圓筒3a是整個傳感器的彈性元件，具有極高的靈敏度，薄壁圓筒3a實現傳感器整體結構剛度與靈敏度的融合；支撐圓盤3b支撐傳感器的各個模塊，實現應力應變信號的無線傳輸；刀具夾持3c安裝刀具，保證了廣泛通用性。
[0026]所述的薄壁圓筒3a長8mm,厚1.5mm,中徑35mm。
[0027]所述的支撐圓盤3b外徑150mm,內徑40mm。
[0028]參見圖5，所述薄壁圓筒3a上共粘貼八個金屬應變片4，用以測量軸向力Fz和主軸力矩Μ。第一組四個金屬應變片4，沿著軸向和垂直軸向粘貼，主要為了測量軸向力Fz引起的正應力。第二組四個金屬應變片4，沿著正負45度軸向粘貼，主要是為了測量主軸力矩M引起的切應力。
[0029]參見圖6，所述箔式金屬應變片4是在作為絕緣基底的塑料薄膜4a上，貼上金屬箔材製成的敏感柵4b，上面覆蓋一層絕緣薄膜4c做成迭層構造，各迭層間以環氧樹脂作為膠粘劑，用鍍錫銅線與應變片絲柵連接，連接成成惠斯通電橋，作為應變片引出線4d，箔式金屬應變片4作為感受應力的元件，具有重量輕，體積小，靈敏度高，絕緣性好等諸多優點。
[0030]參見圖7，所述第一組四個金屬應變片4，沿著軸向和垂直軸向布置粘貼，連接成惠斯通全橋，測量軸向力Fz引起的正應力；所述第二組四個金屬應變片4，沿著正負45度軸向布置粘貼，連接成惠斯通全橋，測量主軸力矩M引起的切應力。
[0031]本發明的工作原理為:
[0032]使用時，參見圖1，將整體傳感器的前端部分I與工具機主軸聯結，保證測力傳感器與工具機主軸的同步轉動。聯結蓋2將前端結構I和主要結構3連接為一個整體，隨工具機主軸一起高速旋轉，具有良好的剛度和同軸度。主要結構3上裝卡刀具，保證正常切削的完成。
[0033]參見圖5，刀具在高速旋轉時，同時承受軸向力Fz和主軸力矩M作用，是一個受壓扭組合變形的構件。為實現軸向力Fz和主軸力矩M的測量，應分別測得在軸向力Fz和主軸力矩M作用下的應變。
[0034]參見圖4，取薄壁圓筒3a表面上的一個單元體E進行受力分析。單元體E可以分解為El和E2。單元體El只受主軸力矩M作用產生的剪應力，處於純剪應力狀態。由應力分析可知，在與軸向成正負45度方向上存在著最小和最大主應力,其絕對值均等於最大剪應力。
[0035]
【權利要求】
1.一種應變式旋轉二分量銑削力傳感器，包括主體結構(3)，其特徵在於:聯結蓋(2)和主體結構(3)中心軸部進行過盈配合，而周邊進行螺紋連接，前端結構(I)和聯結蓋(2)之間螺紋連接； 所述的前端結構(1)，由前部HSK型刀柄頭(Ia)和後部圓盤(Ib)連接組成，刀柄頭(Ia)實現測力傳感器與工具機主軸的聯結，後部圓盤(Ib)實現與聯結蓋(2)的無縫聯結； 所述的主體結構(3)，其一端端頭為薄壁圓筒(3a)，另一端為刀具夾持(3c)，中部設有支撐圓盤(3b)，薄壁圓筒(3a)是整個傳感器的彈性元件，具有極高的靈敏度，薄壁圓筒(3a)實現傳感器整體結構剛度與靈敏度的融合；支撐圓盤(3b)支撐傳感器的各個模塊，刀具夾持(3c)安裝刀具，薄壁圓筒(3a)上沿著軸向、垂直軸向，以及正負45度軸向粘貼有八個金屬應變片(4)，分成兩組，分別連接成惠斯通全橋形式，用以測量軸向力Fz和主軸力矩M0
2.根據權利要求1所述的一種應變式旋轉二分量銑削力傳感器，其特徵在於:所述的薄壁圓筒(3a)長8mm,厚1.5mm,中徑35mm。
3.根據權利要求1所述的一種應變式旋轉二分量銑削力傳感器，其特徵在於:所述的支撐圓盤(3b)外徑150mm,內徑40mm。
4.根據權利要求1所述的一種應變式旋轉二分量銑削力傳感器，其特徵在於:所述的金屬應變片(4)為箔式電阻應變片，將金屬箔製成柵狀，並夾在兩層絕緣基底中製成，然後通過鍍錫銅線和應變片絲柵連接，作為應變片的引出線。
【文檔編號】B23Q17/09GK103737430SQ201310675119
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月11日 優先權日:2013年12月11日
【發明者】趙玉龍, 高欣浩 申請人:西安交通大學