一种用于二维铣削力监测的应变式智能刀柄系统的制作方法

本发明涉及切削过程中多维切削力的监测，具体涉及一种用于二维铣削力监测的应变式智能刀柄系统。

背景技术：

机械制造的现代化对切削加工的速度和精度提出了更高的要求，为实现高速和高精度，对切削加工的监测显得尤为重要。

目前，国内外在切削力监测领域用的最多的是压电式测力仪，而绝大部分测力仪为台式结构，使用时测力仪安装在工作台上，工件安装在测力仪上，这样就对工件的尺寸有了限制，且无法满足加工大型零件时切削力的实时监测。

技术实现要素：

针对上述存在问题，本发明旨在提供一种用于二维铣削力检测的智能监测系统，以解决大型零件切削或重型切削时轴向力和扭矩的实时监测。

本发明所采用的技术方案是：一种用于二维铣削力监测的应变式智能刀柄系统，其特征在于，该系统主要由标准刀柄、电路载体、密封盖、电源模块、采集发射模块、应变传感器等组成，所述标准刀柄上开有一个环形槽，所述环形槽两侧开有螺纹孔，所述应变传感器粘贴于环形槽内，所述电路载体套装在标准刀柄上，所述电路载体两侧为圆柱体，圆柱体上开有与环形槽上的螺纹孔相对应的通孔，所述电路载体中间部分由四个平面和四段圆弧面交错组成，每个平面上分别开有一个凹槽、一个孔形成四个凹槽、四个孔，所述电源模块、采集发射模块两两对称交错设置在四个凹槽内，所述应变传感器的导线通过四个孔引到两个采集发射模块，所述密封盖套装在电路载体上，密封盖内表面与电路载体两侧圆柱体配合，通过沉头螺钉将密封盖、标准刀柄、电路载体固连在一起；系统工作时，电路载体、密封盖、电源模块、采集发射模块、应变传感器跟随标准刀柄一起旋转，电源模块为应变传感器、采集发射模块供电，应变传感器的信号通过导线传输到采集发射模块，采集发射模块通过无线Wifi传输方式传输到上位机终端进行处理、显示二维铣削力监测结果。

本发明采用应变传感器、信号采集和传输集结在刀柄的监测方案，对原刀柄的结构更改较小，不影响刀具的安装、使用和机械手的抓取，具有结构简单、实用性强等特点。

本发明尤其适用于大型零件的切削或重型切削的工况，解决了测力仪受限于零件尺寸的问题。相对于测力仪来说，本发明采用的应变传感器和采集发射电路，价格便宜很多，具有很好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为应变式智能刀柄系统主视图。

图2为应变式智能刀柄系统俯视图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为图2的B-B剖视图。

图5为图2的A向视图。

图6为应变传感器在标准刀柄环形槽处的展开图。

图7为应变传感器的电阻应变片R1、R2、R3、R4组成的电桥电路。

图8为应变传感器的电阻应变片R5、R6、R7、R8组成的电桥电路。

图9为应变式智能刀柄系统无线数据采集系统框图。

具体实施方法

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明：

参照图1-5，本发明实施例的应变式智能刀柄系统主要由标准刀柄1、电路载体2、密封盖3、电源模块4、采集发射模块5、应变传感器6等组成。其中，标准刀柄1开一个环形槽1a，环形槽1a内粘贴应变传感器6。环形槽1a的两侧开有8个螺纹孔，用于沉头螺钉的配合。电路载体2的内孔与刀柄1的外圆配合，通过8个沉头开槽螺钉连接在一起。电路载体2两侧2a和2b是圆柱形状，且开有8个通孔，用于沉头螺钉的穿过。中间部分2c由四个平面和四段圆弧面组成，且在四个平面上开有四个凹槽2e和四个孔2f，四个凹槽2e内对称放电源模块4a、4b、采集发射模块5a、5b，应变传感器6的导线通过四个孔2f引到采集发射模块5a、5b。密封盖3为圆筒形状，与电路载体2a、2b两侧配合，通过沉头螺钉将刀柄1、密封盖3、电路载体2固连在一起。

本发明在使用时，应变传感器6的信号通过导线传输到采集发射模块5a、5b，采集发射模块5a、5b通过无线Wifi传输的方式传输到上位机终端进行处理、显示二维铣削力监测结果。整个过程中，电源模块4a为应变传感器6、采集发射模块5a供电。电源模块4b为应变传感器6、采集发射模块5b供电。

本发明的工作原理如下：

如图6所示，应变传感器6由电阻应变片R1、R2、R3、R4和R5、R6、R7、R8组成，其中R1、R2、R3、R4用于测量轴向力，R5、R6、R7、R8用于测量扭矩。R1、R4和R2、R3分别组成应变花，布置在刀柄开槽处外壁相距180°的位置。R5、R6和R7、R8分别组成应变花，布置在刀柄开槽处外壁相距180°的位置。R1、R2、R3、R4组成的电桥电路见图7，R5、R6、R7、R8组成的电桥电路见图8。根据材料力学原理推导出轴向力与测试电压、扭矩测试电压的关系：

$U_{F_z}=-\frac{2U_0{S}_g(1+\mathrm{\μ})F_z}{\mathrm{\π}E(D^2-d^2)},U^T=-\frac{16U_0{S}_0(1+\mathrm{\μ})T}{{\mathrm{\πED}}^3\[1-{(d/D)}^4\]}$

其中：F_z为刀柄所受轴向力，S_g为电阻应变片的灵敏度，E为刀柄材料的弹性模量，μ为刀柄材料的泊松比，U₀为电桥的供电电压，T为刀柄所受扭矩，D、d为电阻应变片粘贴处刀柄的外径和内径，为测量轴向力电桥电路的输出电压，U_T为测量扭矩电桥电路的输出电压；

即通过电桥电压的输出可以间接的测量轴向力和扭矩。

如图9所示，标准刀柄1在外力的作用下产生应变，轴向应变由应变传感器6的电阻应变片R1、R2、R3、R4感知，扭矩应变由R5、R6、R7、R8感知，感知的信号经过放大、滤波等调理电路进行预处理，再由单片机控制的AD芯片进行数据采集，通过无线WiFi传输系统传输到个人电脑上进行数据处理、显示和分析。整个采集模块、无线发射模块由电源模块4的锂电池供电，利用C8051F206单片机控制其ADC进行采样，无线传输采用WiFi的方式，同时满足传输速度高和传输距离远的要求。