回转主轴装置及集成该装置的二维微力测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微细加工及精密检测技术领域，尤其涉及回转主轴装置及集成该装置的二维微力测量系统。
【背景技术】
[0002]目前，国内科研机构对微型力传感器的研究主要集中在机器人的各关节力和力矩的测量、摩擦实验的研究、宇航测试技术的研究和生物医学等。国外对多维传感器的设计比较灵活，利用电容式、压电式、压阻式等组合式原理，实现不同维数力的测量要求。同时，对高频的力的测量，多采用压电效应，压电薄膜等的应用，也使力传感器趋向于高精度化和微型化。
[0003]力传感器的设计多种多样，在不同的应用场合使用者对于传感器的特性有不同的要求，导致传感器设计的复杂性。当前主流的测量原理一个是基于应变所产生的电阻变化进行测量，另外一个就是基于压电效应的压电式力传感器。两者各自具有其优势，比如压电式具有极高的刚度，但是不能对静态量进行长时间的测量；应变式可以用于静态情景，但是由于该方法是依靠变形量进行检测的，所以刚度与灵敏度一直是矛盾的两个方面。应变式测量具有较好的低频特性，当采用灵敏度系数高的半导体式应变片时，能够达到很高的测量灵敏度。且基于应变的传感器几乎没有漂移，因此非常适合长期静态监控任务。
[0004]在薄壁微小结构零件的加工及装配过程中不适当的力会导致系统变形，进而影响系统精度，或者导致对加工表面的损伤，材料内应力的变化等。因此有必要对多维度的微力检测传感技术进行研究，用于微小型精密零件的纳米级尺寸测量、微型组件的微装配、加工应力控制等场合。
【发明内容】
[0005]本发明是为了解决薄壁微小零部件的加工装配中测力难的问题。提供回转主轴装置及集成该装置的二维微力测量系统。
[0006]一种回转主轴装置，它包括四片X方向电阻应变片1-1、传感器弹性体1-2、主轴驱动用伺服电机1-3、增量式编码器1-4、主轴支座1-5、联轴机构1-6、传感器安装螺钉1-7、高精度回转主轴1-8、主轴夹紧轴套1-9、研磨工具1-10、弹簧夹头1-11、主轴紧定螺钉1-12和四片Y方向电阻应变片1-13 ;
[0007]增量式编码器1-4与主轴驱动用伺服电机1-3的后端同轴连接，主轴驱动用伺服电机1-3的前端通过螺钉固定在联轴机构1-6的上端面上，联轴机构1-6的下端面与高精度回转主轴1-8的一端螺纹连接；
[0008]传感器弹性体1-2为中空结构，高精度回转主轴1-8位于传感器弹性体1-2内部，且高精度回转主轴1-8与传感器弹性体1-2的内壁之间设置有1_的间隙；传感器弹性体1-2通过四个传感器安装螺钉1-7安装于主轴支座1-5上；主轴支座1-5的竖直面上开有四个沉头孔，用于与外部进行支撑固定；
[0009]主轴夹紧轴套1-9为薄壁轴套结构，其一侧开有通槽，主轴紧定螺钉1-12放置于该通槽内；主轴夹紧轴套1-9位于高精度回转主轴1-8和传感器弹性体1-2之间的间隙内，并由主轴紧定螺钉1-12锁紧；
[0010]弹簧夹头1-11的一端与高精度回转主轴1-8的另一端螺纹连接；研磨工具1-10的顶端深入弹簧夹头1-11内，且由弹簧夹头1-11夹紧；
[0011]四片X方向电阻应变片1-1均粘贴于传感器弹性体1-2的下半部分的两个侧面上，每个侧面的中间位置各粘贴两片；
[0012]四片Y方向电阻应变片1-13均粘贴于传感器弹性体1-2的上半部分的两个侧面上，每个侧面的中间位置各粘贴两片。
[0013]传感器弹性体1-2包括X方向一号梁1-2-1、X方向二号梁1_2_2、一号螺纹孔1-2-3、沿X方向的通槽1-2-4、二号螺纹孔1-2-5、Y方向一号梁1_2_6、沿Y方向的通槽1-2-7、Y方向二号梁1-2-8、薄壁1-2-9、通孔1-2-10和U型工艺槽口 1-2-11 ；
[0014]传感器弹性体1-2上沿两个相邻的竖直面上切割出通槽，分别为沿X方向的通槽1-2-4和沿Y方向的通槽1-2-7 ;通槽与传感器弹性体1-2的外表面距离最近的位置形成厚度为0.5mm的薄壁1-2-9 ；
[0015]沿X方向的通槽1-2-4与传感器弹性体1-2的体身构成两个梁，分别为X方向一号梁1-2-1和X方向二号梁1-2-2，且两个梁相互平行，构成X方向的平行梁结构；
[0016]沿Y方向的通槽1-2-7与传感器弹性体1-2的体身构成两个梁，分别为Y方向一号梁1-2-6和Y方向二号梁1-2-8，且两个梁相互平行，构成Y方向的平行梁结构；
[0017]传感器弹性体1-2的底部加工有两个U型工艺槽口 1-2-11，用于粘贴X方向电阻应变片1-1和Y方向电阻应变片1-13 ;
[0018]传感器弹性体1-2中间开有通孔1-2-10，用于安装高精度回转主轴1-8 ;
[0019]传感器弹性体1-2的侧面开有一号螺纹孔1-2-3，用于安装传感器安装螺钉1-7 ;
[0020]传感器弹性体1-2的底面开有二号螺纹孔1-2-5，用于安装主轴紧定螺钉1-12。
[0021]四片X方向电阻应变片1-1分为两组，每组两片，一片作为X方向测量片1-1-1，另一片作为X方向温度补偿片1-1-2 ；
[0022]两组X方向电阻应变片1-1均粘贴于传感器弹性体1-2的上半部分的两个侧面上，两片X方向测量片1-1-1横跨传感器弹性体1-2，且其敏感方向指向传感器弹性体1-2的中心轴线；X方向温度补偿片1-1-2与X方向测量片1-1-1相邻粘贴，且其敏感方向垂直于传感器弹性体1-2的中心轴线。
[0023]四片Y方向电阻应变片1-13分为两组，每组两片，一片作为Y方向测量片1-13-1，另一片作为Y方向温度补偿片1-13-2 ；
[0024]两组Y方向电阻应变片1-13均粘贴于传感器弹性体1-2的上半部分的两个侧面上，两片Y方向测量片1-13-1横跨传感器弹性体1-2，且其敏感方向指向传感器弹性体1-2的中心轴线4方向温度补偿片1-13-2与Y方向测量片1-13-1相邻粘贴，且其敏感方向垂直于传感器弹性体1-2的中心轴线。
[0025]联轴机构1-6包括主轴外壳1-6-1、紧定螺钉1-6-2、伺服电机动力输出轴1_6_3、联轴叉件1-6-4、支撑件1-6-5和主轴转子1-6-6 ；
[0026]伺服电机动力输出轴1-6-3的一端与主轴驱动用伺服电机1-3同轴连接，伺服电机动力输出轴1-6-3的另一端通过紧定螺钉1-6-2与联轴叉件1-6-4连接；联轴叉件1_6_4的外部设置有支撑件1-6-5 ;
[0027]联轴叉件1-6-4的端部加工成凸出的十字叉形状，主轴转子1-6-6的顶端加工成凹陷的十字凹槽，联轴叉件1-6-4的凸出的十字叉形状与主轴转子1-6-6的凹陷的十字凹槽相匹配；
[0028]主轴外壳1-6-1通过螺纹连接的方式与支撑件1-6-5相连接，且主轴外壳1_6_1套接在主轴转子1-6-6外部。
[0029]基于一种集成回转主轴装置的二维微力测量系统，它包括回转主轴装置1、动态应变仪3、AD采集模块4和PC控制器5 ;
[0030]回转主轴装置1用于将回转主轴装置1在受力的情况下，X方向电阻应变片1-1产生的X方向应变信号和Y方向电阻应变片1-13产生的Y方向应变信号发送至动态应变仪3 ；
[0031]动态应变仪3用于将X方向应变信号和Y方向应变信号进行放大，放大后的信号为0V?5V的X方向应变模拟信号和0V?5V的Y方向应变模拟信号，并将X方向应变模拟信号和Y方向应变模拟信号发送至AD采集模块4 ;
[0032]AD采集模块4用于采集X方向应变模拟信号和Y方向应变模拟信号，并将X方向应变模