一种应变式旋转二分量铣削力传感器的制造方法
【专利摘要】一种应变式旋转二分量铣削力传感器，包括主体结构，联结盖和主体结构中心轴部进行过盈配合，而周边进行螺纹连接，前端结构和联结盖之间螺纹连接；前端结构由前部HSK型刀柄头和后部圆盘连接组成，刀柄头实现测力传感器与机床主轴的联结，后部圆盘实现与联结盖的无缝联结；主体结构一端端头为薄壁圆筒，另一端为刀具夹持，中部设有支撑圆盘，薄壁圆筒是整个传感器的弹性元件，具有极高的灵敏度，薄壁圆筒实现传感器整体结构刚度与灵敏度的融合；支撑圆盘支撑传感器的各个模块，刀具夹持安装刀具；薄壁圆筒上粘贴金属应变片，连接成惠斯通全桥形式，用以测量轴向力Fz和主轴力矩M，具有灵敏度高、抗干扰能力强、通用性强等优点。
【专利说明】一种应变式旋转二分量铣削力传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及智能装备制造【技术领域】，特别涉及一种应变式旋转二分量铣削力传感器。
【背景技术】
[0002]高速切削和高速加工具有生产效率高、加工精度好、刀具使用寿命长等优点，近年来已经在现代精密、超精密加工中占据了不可或缺的地位。在高速切削和高速加工过程中，刀具所受切削力的大小及切削力的变化趋势与刀具磨损、破损和耐用度之间存在着明显的关系，直接影响加工质量的好坏。因此，在加工过程中实现对切削力的实时监测显得尤为重要。
[0003]为了对机床的切削力进行监测、分析和控制，不同类型的测力仪相继问世。首先是机械式及液压式切削测力仪。机械式测力仪是一种纯粹的位移计，灵敏度和刚度的矛盾无法解决，不能测量真实的切削力。液压式测力仪由于受自身结构的复杂性和静刚度的限制，其固有频率很低，也不能测量动态力。电容、电感式测力仪，原理是利用电容极板间距或电感磁芯的移动把弹性体的位移转换成电容或电感的变化，并以电信号的方式体现出来，实质仍然是一种位移计。电容、电感式测力仪存在抗干扰能力差、静态线形误差大等缺点。近些年问世的压电测力仪以压电晶体为传感元件，测量动态力灵敏度很高，却存在着不能测量静态力、力点位置误差大、价格昂贵等一系列不足之处。
[0004]应变式测力仪的原理是金属丝在外力作用下发生机械变形时，其阻值将发生变化，再通过电桥转变成电信号进行输出。应变式测力仪有很多优点:结构简单，灵敏度高，性价比好，抗干扰能力强。对于应变式测力仪而言，合理的选择弹性体的结构和测力方式，可以有效地解决刚度和灵敏度之间的矛盾。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种应变式旋转二分量铣削力传感器，具有灵敏度高、抗干扰能力强、通用性强等优点。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0007]—种应变式旋转二分量铣削力传感器，包括主体结构3，联结盖2和主体结构3中心轴部进行过盈配合，而周边进行螺纹连接，前端结构I和联结盖2之间螺纹连接；
[0008]所述的前端结构1，由前部HSK型刀柄头Ia和后部圆盘Ib连接组成，刀柄偷Ia实现测力传感器与机床主轴的联结，后部圆盘Ib实现与联结盖2的无缝联结；
[0009]所述的主体结构3，其一端端头为薄壁圆筒3a，另一端为刀具夹持3c，中部设有支撑圆盘3b，薄壁圆筒3a是整个传感器的弹性元件，具有极高的灵敏度，薄壁圆筒3a实现传感器整体结构刚度与灵敏度的融合；支撑圆盘3b支撑传感器的各个模块，刀具夹持3c安装刀具，薄壁圆筒3a上沿着轴向、垂直轴向，以及正负45度轴向粘贴有八个金属应变片4，分成两组，分别连接成惠斯通全桥形式，用以测量轴向力Fz和主轴力矩M。[0010]所述的薄壁圆筒3a长8mm,厚1.5mm,中径35mm。
[0011]所述的支撑圆盘3b外径150mm,内径40mm。
[0012]所述的金属应变片4为箔式电阻应变片，将金属箔制成栅状，并夹在两层绝缘基底中制成，然后通过镀锡铜线和应变片丝栅连接，作为应变片的引出线。
[0013]与现有技术相比本发明的优点在于:采用薄壁圆筒3a作为传感器的弹性元件，能够很好解决刚度与灵敏度之间的矛盾。前部Ia采用HAK-A系列刀柄接口，保证了传感器与高速旋转主轴的通用联结。刀具夹持3c可以根据实际需求安装不同的刀具。整体结构采用组合封装的模式，既保证了传感器的广泛通用性，又可实现随时拆卸、组装和更换部件。同时采用惠斯通电桥，具有良好的温度稳定性。本发明既可测量静态力，又适用于动态力的在线实时测量，具有高灵敏度、刚度好、通用性强、成本低、维护简单等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本发明传感器的整体结构示意图。
[0015]图2为本发明传感器的整体结构半剖示意图。
[0016]图3为本发明传感器各结构分解示意图。
[0017]图4为本发明薄壁圆筒3a外表面分析单元示意图。
[0018]图5为本发明薄壁圆筒3a上粘贴金属应变片示意图。
[0019]图6为本发明中箔式金属应变片4结构示意图。
[0020]图7为本发明中金属应变片连接成惠斯通全桥示意图。
【具体实施方式】
[0021]以下结合附图对本发明的结构与工作原理详细说明。
[0022]参照图1和图2，一种应变式旋转二分量铣削力传感器，包括传感器主体结构3，联结盖2和主体结构3中心轴部进行过盈配合，而周边进行螺纹连接，前端结构I和联结盖2之间通过螺钉进行螺纹连接，整体结构组成一个既能联结主轴、安装刀具，又能实时监测高速旋转铣肖'J力的测力刀柄。
[0023]参见图3，所述的前端结构1，由前部HSK型刀柄头Ia和后部圆盘Ib连接组成，刀柄头Ia实现测力传感器与机床主轴的联结，具有广泛的通用性，后部圆盘Ib实现与联结盖2的无缝联结，保障了整体结构的刚度和同轴度。
[0024]参见图3，所述的联结盖2，其端部2a实现了与端部结构I的后部圆盘Ib螺纹连接，其端部2b又实现了与主体结构3的过盈配合和螺纹连接，同时具有保护主体结构3中传感器芯片的作用。
[0025]参见图3，所述的主体结构3，其一端端头为薄壁圆筒3a，另一端为刀具夹持3c，中部设有支撑圆盘3b，薄壁圆筒3a是整个传感器的弹性元件，具有极高的灵敏度，薄壁圆筒3a实现传感器整体结构刚度与灵敏度的融合；支撑圆盘3b支撑传感器的各个模块，实现应力应变信号的无线传输；刀具夹持3c安装刀具，保证了广泛通用性。
[0026]所述的薄壁圆筒3a长8mm,厚1.5mm,中径35mm。
[0027]所述的支撑圆盘3b外径150mm,内径40mm。
[0028]参见图5，所述薄壁圆筒3a上共粘贴八个金属应变片4，用以测量轴向力Fz和主轴力矩Μ。第一组四个金属应变片4，沿着轴向和垂直轴向粘贴，主要为了测量轴向力Fz引起的正应力。第二组四个金属应变片4，沿着正负45度轴向粘贴，主要是为了测量主轴力矩M引起的切应力。
[0029]参见图6，所述箔式金属应变片4是在作为绝缘基底的塑料薄膜4a上，贴上金属箔材制成的敏感栅4b，上面覆盖一层绝缘薄膜4c做成迭层构造，各迭层间以环氧树脂作为胶粘剂，用镀锡铜线与应变片丝栅连接，连接成成惠斯通电桥，作为应变片引出线4d，箔式金属应变片4作为感受应力的元件，具有重量轻，体积小，灵敏度高，绝缘性好等诸多优点。
[0030]参见图7，所述第一组四个金属应变片4，沿着轴向和垂直轴向布置粘贴，连接成惠斯通全桥，测量轴向力Fz引起的正应力；所述第二组四个金属应变片4，沿着正负45度轴向布置粘贴，连接成惠斯通全桥，测量主轴力矩M引起的切应力。
[0031]本发明的工作原理为:
[0032]使用时，参见图1，将整体传感器的前端部分I与机床主轴联结，保证测力传感器与机床主轴的同步转动。联结盖2将前端结构I和主要结构3连接为一个整体，随机床主轴一起高速旋转，具有良好的刚度和同轴度。主要结构3上装卡刀具，保证正常切削的完成。
[0033]参见图5，刀具在高速旋转时，同时承受轴向力Fz和主轴力矩M作用，是一个受压扭组合变形的构件。为实现轴向力Fz和主轴力矩M的测量，应分别测得在轴向力Fz和主轴力矩M作用下的应变。
[0034]参见图4，取薄壁圆筒3a表面上的一个单元体E进行受力分析。单元体E可以分解为El和E2。单元体El只受主轴力矩M作用产生的剪应力，处于纯剪应力状态。由应力分析可知，在与轴向成正负45度方向上存在着最小和最大主应力,其绝对值均等于最大剪应力。
[0035]
【权利要求】
1.一种应变式旋转二分量铣削力传感器，包括主体结构(3)，其特征在于:联结盖(2)和主体结构(3)中心轴部进行过盈配合，而周边进行螺纹连接，前端结构(I)和联结盖(2)之间螺纹连接； 所述的前端结构(1)，由前部HSK型刀柄头(Ia)和后部圆盘(Ib)连接组成，刀柄头(Ia)实现测力传感器与机床主轴的联结，后部圆盘(Ib)实现与联结盖(2)的无缝联结； 所述的主体结构(3)，其一端端头为薄壁圆筒(3a)，另一端为刀具夹持(3c)，中部设有支撑圆盘(3b)，薄壁圆筒(3a)是整个传感器的弹性元件，具有极高的灵敏度，薄壁圆筒(3a)实现传感器整体结构刚度与灵敏度的融合；支撑圆盘(3b)支撑传感器的各个模块，刀具夹持(3c)安装刀具，薄壁圆筒(3a)上沿着轴向、垂直轴向，以及正负45度轴向粘贴有八个金属应变片(4)，分成两组，分别连接成惠斯通全桥形式，用以测量轴向力Fz和主轴力矩M0
2.根据权利要求1所述的一种应变式旋转二分量铣削力传感器，其特征在于:所述的薄壁圆筒(3a)长8mm,厚1.5mm,中径35mm。
3.根据权利要求1所述的一种应变式旋转二分量铣削力传感器，其特征在于:所述的支撑圆盘(3b)外径150mm,内径40mm。
4.根据权利要求1所述的一种应变式旋转二分量铣削力传感器，其特征在于:所述的金属应变片(4)为箔式电阻应变片，将金属箔制成栅状，并夹在两层绝缘基底中制成，然后通过镀锡铜线和应变片丝栅连接，作为应变片的引出线。
【文档编号】B23Q17/09GK103737430SQ201310675119
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】赵玉龙, 高欣浩 申请人:西安交通大学