[發(fā)明專利]一種壓阻式集成化三維車削力傳感器

有效

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• 申請日: 2013-10-10
• 公開（公告）號: CN103551921B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發(fā)明（設計）人: 趙玉龍;趙友
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B23Q17/09
• 分類號: B23Q17/09;G01L1/18;G01L5/16
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所61215
• 代理人: 賀建斌

技術領域

本發(fā)明涉及智能制造裝備技術領域，特別涉及一種壓阻式集成化三維車削力傳感器。

背景技術

在金屬切削加工中，車削加工是最常見的加工方法之一。車削力是反映車削過程的重要指標，車削力的大小和車削過程變化密切相關，車削狀態(tài)的每個微小變化都能通過車削力的變化反映出來。車削力大小與刀具磨損、加工精度、車削溫度、功率消耗等有著密切關系，因此如何精確測量車削力對提高加工性能非常重要。

傳統(tǒng)的車削力測力儀主要有電阻應變式、壓電式、電流式、光纖式、電容式等類型，但是電阻應變式測力儀存在靈敏度和剛度的矛盾；壓電式測力儀由于電荷泄漏而不能測試靜態(tài)力、固有頻率的提高受裝配接觸剛度的限制、維護極不方便、價格昂貴；電流式測力儀測量精度不高，并且由于電流遲滯導致無法滿足對車削力實時監(jiān)測的較高要求；光纖式和電容式傳感器易受外界振動和溫度變化的影響而無法準確測量。

近年來隨著各種微納傳感器的發(fā)展，針對車床加工刀具切削過程中切削質量控制、刀具壽命預測以及智能加工需求，研發(fā)用于刀具切削等過程檢測控制的體積小、功耗低、性能優(yōu)良的微納傳感器顯得尤為迫切和必要。

發(fā)明內容

為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種壓阻式集成化三維車削力傳感器，用MEMS硅微力敏芯片捕捉彈性體表面應力，實現(xiàn)三維車削力的精確測量。

為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案是這樣實現(xiàn)的：

一種壓阻式集成化三維車削力傳感器，包括傳感器主體結構7，車刀1安裝在傳感器主體結構7的頭部車刀插槽8內，傳感器主體結構7的中部上下面分別設有第一豎直八角半環(huán)4和第二豎直八角半環(huán)5，第一豎直八角半環(huán)4、第二豎直八角半環(huán)5形成豎直方向八角環(huán)，作為豎直方向的彈性體結構，傳感器主體結構7的中部前后兩個側面分別連接第一水平八角半環(huán)2和第二水平八角半環(huán)3，第一水平八角半環(huán)2和第二水平八角半環(huán)3形成水平方向八角環(huán)，作為水平方向的彈性體結構，傳感器主體結構7的尾部為傳感器柄，傳感器柄是截面為矩形的長方體條，在第一豎直八角半環(huán)4、第二豎直八角半環(huán)5、第一水平八角半環(huán)2和第二水平八角半環(huán)3外表面分別封裝有MEMS硅微力敏芯片6。

所述的車刀插槽8是截面為方形的空心插槽，在車刀插槽8側面中部開有螺紋孔9。

所述MEMS硅微力敏芯片6是由MEMS技術制作的應力應變轉換元件，芯片內部集成壓阻惠斯頓全橋電路。

本發(fā)明的有益效果是：首先，本發(fā)明根據(jù)八角環(huán)受力變形的特點，采用兩個互相垂直的八角環(huán)結構實現(xiàn)了三維車削力的獨立測量，減小了各向力之間的相互影響和耦合；相比于傳統(tǒng)的金屬應變片式車削力傳感器，采用MEMS硅微力敏芯片，不僅芯片的測量精度和靈敏度大大提高，而且每一片MEMS硅微力敏芯片上都集成了惠斯頓全橋電路，僅需要在一處封裝MEMS硅微力敏芯片就可以實現(xiàn)對應力、應變的測量，傳統(tǒng)金屬應變片式傳感器需要在四個特定部位分別粘貼金屬應變片以組成惠斯頓電橋，容易引入耦合和誤差；相比于壓電式車削力傳感器只能測量動態(tài)力的缺陷，本發(fā)明不僅可以測量動態(tài)力，也適用于測量靜態(tài)力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結構示意圖。

圖2為本發(fā)明傳感器主體結構7的結構示意圖。

圖3為本發(fā)明水平八角半環(huán)的示意圖。

圖4為本發(fā)明在車床刀架上的安裝示意圖。

圖5為本發(fā)明受力示意圖。

圖6為本發(fā)明水平八角環(huán)受力分析示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。

參照圖1、圖2和圖3，一種壓阻式集成化三維車削力傳感器，包括傳感器主體結構7，車刀1安裝在傳感器主體結構7的頭部車刀插槽8內，并通過螺栓固定車刀1，傳感器主體結構7的中部上下面分別設有第一豎直八角半環(huán)4和第二豎直八角半環(huán)5，第一豎直八角半環(huán)4、第二垂直八角半環(huán)5形成垂直方向八角環(huán)，作為豎直方向的彈性體結構；傳感器主體結構7的中部前后兩個側面分別連接第一水平八角半環(huán)2和第二水平八角半環(huán)3，第一水平八角半環(huán)2和第二水平八角半環(huán)3形成水平方向八角環(huán)，作為水平方向的彈性體結構，感器主體結構7的尾部為傳感器柄，傳感器柄是截面為矩形的長方體條，用于將該傳感器固定在車床刀架10上，在第一豎直八角半環(huán)4、第二豎直八角半環(huán)5、第一水平八角半環(huán)2和第二水平八角半環(huán)3外表面分別封裝有MEMS硅微力敏芯片6，從而構成車削力傳感器。