一种应变式集成化三维车削力传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种应变式集成化三维车削力传感器，包括：传感器本体前端、传感器本体后端、横向十角环弹性敏感元件、纵向十角环弹性敏感元件、半导体电阻应变计；横向十角环弹性敏感元件沿传感器本体后端的横向排布，纵向十角环弹性敏感元件沿传感器本体后端的纵向排布，横向十角环弹性敏感元件和纵向十角环弹性敏感元件垂直，且横向十角环弹性敏感元件和纵向十角环弹性敏感元件连接为一体；横向十角环弹性敏感元件和纵向十角环弹性敏感元件连接于传感器本体前端与传感器本体后端之间；半导体电阻应变计粘贴于横向十角环弹性敏感元件和纵向十角环弹性敏感元件的表面。本发明专利技术中的传感器可以对三维切削力进行精确测量，且结构简单、易安装、通用性强。

A strain integrated three-dimensional turning force sensor

【技术实现步骤摘要】
一种应变式集成化三维车削力传感器
本专利技术涉及智能制造装备
，更具体的说是涉及一种应变式集成化三维车削力传感器。
技术介绍
近年来，智能制造成为我国制造业由“大”转“强”的主攻方向之一，而高档数控机床是智能制造必不可少的智能装备。机床加工过程中车刀与工件之间产生摩擦，刀具的切削能力会逐渐降低，切削力逐渐增大，进而影响加工精度。对机床切削过程中产生的切削力进行实时在线的监测，便能及时的调整切削参数，提高加工精度，实现智能加工。实现对三维切削力的精准测量，难点在于如何保证传感器兼具高灵敏度和高固有频率，以及如何消除或减小测量过程中各切削分量之间的交叉干扰。如果想要对高档数控机床提供器件支持，就要提高传感器的性能。因此，研究出一种可以对车削过程进行实时、在线监测与反馈，提高测量精度的应变式集成化三维车削力传感器是本领域技术人员亟需解决的问题。
技术实现思路
现有的技术一般是利用四个八角半环弹性敏感元件通过螺栓固定从而形成双正交八角环弹性敏感元件，将三维车削力分量解耦到两个互相垂直的八角环平面上，而这种结构有着较大的缺陷，首先，通过四个八角半环通过螺栓固定形成两个相互垂直的八角环，在用螺栓固定的时候，两个八角半环所形成的水平八角环和两个半环形成的竖直八角环之间不是完全对称的，并且水平八角环和竖直八角环也不是完全相互垂直的，这就导致会产生较大误差，其次，靠螺栓连接的八角半环在实际测量时的刚度较小，动态性能较差。有鉴于此，本专利技术提供了一种测量精度更高，且测量准确的应变式集成化三维车削力传感器。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种应变式集成化三维车削力传感器，包括：传感器本体前端、传感器本体后端、横向十角环弹性敏感元件、纵向十角环弹性敏感元件、半导体电阻应变计；所述传感器本体前端远离所述传感器本体后端的一侧与车刀连接；所述横向十角环弹性敏感元件沿所述传感器本体后端的横向排布，所述纵向十角环弹性敏感元件沿所述传感器本体后端的纵向排布，所述横向十角环弹性敏感元件和纵向十角环弹性敏感元件垂直，且所述横向十角环弹性敏感元件和纵向十角环弹性敏感元件连接为一体；所述横向十角环弹性敏感元件和纵向十角环弹性敏感元件连接于所述传感器本体前端与传感器本体后端之间；所述半导体电阻应变计粘贴于所述横向十角环弹性敏感元件和纵向十角环弹性敏感元件的表面。采用上述技术方案的有益效果是，本专利技术中横向十角环弹性敏感元件和纵向十角环弹性敏感元件垂直连接构成双正交十角环弹性敏感元件，采用互相垂直的横向十角环弹性敏感元件和纵向十角环弹性敏感元件，可以实现三维车削力的独立测量，还可以减小各向力之间的相互影响和耦合，并且所述的正交十角环弹性敏感元件是一个整体，在保证了一定的刚度条件下，灵敏度更高，测量误差较小，精度更高。优选的，所述横向十角环弹性敏感元件包括：第一横向十角半环弹性敏感元件、第二横向十角半环弹性敏感元件；所述第一横向十角半环弹性敏感元件、第二横向十角半环弹性敏感元件分别位于所述传感器本体前端和所述传感器本体后端横向的侧面上。优选的，所述纵向十角环弹性敏感元件包括：第一纵向十角半环弹性敏感元件、第二纵向十角半环弹性敏感元件；所述第一纵向十角半环弹性敏感元件、第二纵向十角半环弹性敏感元件分别位于所述传感器本体前端和所述传感器本体后端纵向的侧面上。优选的，所述第一横向十角半环弹性敏感元件、第二横向十角半环弹性敏感元件、第一纵向十角半环弹性敏感元件、第二纵向十角半环弹性敏感元件中部靠近所述传感器本体前端的外侧面为粘贴面，所述第一横向十角半环弹性敏感元件、第二横向十角半环弹性敏感元件、第一纵向十角半环弹性敏感元件、第二纵向十角半环弹性敏感元件内侧与所述粘贴面对应的位置均开设有第一凹槽。优选的，所述第一横向十角半环弹性敏感元件、第二横向十角半环弹性敏感元件、第一纵向十角半环弹性敏感元件、第二纵向十角半环弹性敏感元件与所述传感器本体后端连接部位的两侧面上均设有第二凹槽。优选的，所述第一凹槽宽度为6mm，深度为2mm；所述第二凹槽宽度为6mm，深度为1mm。优选的，所述第一凹槽和所述第二凹槽内粘贴所述半导体电阻应变计。在粘贴半导体电阻应变计任选横向十角环弹性敏感元件和纵向十角环弹性敏感元件中的一个在其粘贴面和第一凹槽内粘贴半导体电阻应变计，横向十角环弹性敏感元件和纵向十角环弹性敏感元件中的第二凹槽内均粘贴半导体电阻应变计，一共粘贴12处，之所以这样贴片，是因为通过强度有限元模拟确定侧面形变和应力变化都很明显，可以更容易测量且测量精度更高。优选的，所述传感器本体前端远离所述传感器本体后端的端面处设有用于所述车刀插入的插接槽。优选的，所述插接槽的侧壁上设有用于螺栓穿过的螺纹孔，通过螺栓将车刀固定在插接槽内。优选的，所述传感器本体后端为传感器柄，所述传感器柄为横截面为矩形的长方体。切削力的测量过程：使用时，将传感器本体后端固定在车床刀架上；车刀在车削过程中受到车削力可分解为三个互相垂直的作用力，分别是主车削力FC，进给力Ff和吃刀抗力Fp。其中主车削力FC引起的变形主要体现在纵向十角环弹性敏感元件上面，进给力Ff引起的变形主要体现在横向十角环弹性敏感元件上面，吃刀抗力Fp引起的变形分别体现在双正交十角环弹性敏感元件上。横向十角环弹性敏感元件的一端固定，另一端受到进给力Ff和吃刀抗力Fp的作用，其中，t表示横向十角环弹性敏感元件和纵向十角环弹性敏感元件的厚度，r表示横向十角环弹性敏感元件和纵向十角环弹性敏感元件的平均半径。由于横向十角环弹性敏感元件和纵向十角环弹性敏感元件的整体结构对称，并且结构类似于圆环，因此采用圆环分析方法取右边半环进行分析，则任意截面上的弯矩为：其中，Fv、Fh分别表示作用于圆环的径向力、切向力；忽略轴力的影响，则圆环表面应力为：(W为抗弯截面模量)，可见当θ＝90°时，圆环表面应力仅与吃刀抗力Fp有关，当θ＝39.4°or140.6°时，圆环表面应力仅与进给力Ff有关。通过仿真实验发现，对于横向十角环弹性敏感元件和纵向十角环弹性敏感元件的结构，在横向十角环弹性敏感元件和纵向十角环弹性敏感元件的表面θ＝72°和θ＝45°或135°位置处适合贴有半导体电阻应变计。本专利技术在横向十角环弹性敏感元件表面θ＝72°位置和横向十角环弹性敏感元件侧面θ＝145°位置贴有半导体电阻应变计，通过仿真实验发现因为侧面应变量变化较八角环更大一些，所以更容易测量且测量精度更高。半导体应变计能够将横向十角环弹性敏感元件和纵向十角环弹性敏感元件表面应力应变并转换为电量输出，通过标定即可实现对进给力Ff和吃刀抗力Fp的测量。同理，纵向十角环弹性敏感元件上粘贴的半导体应变计可以实现对主车削力FC的测量。通过测得的进给力Ff、吃刀抗力Fp、主车削力FC可以得到车削力，进而对车削过程中的车削力进行实时监测和反馈。经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应变式集成化三维车削力传感器，其特征在于，包括：传感器本体前端(1)、传感器本体后端(2)、横向十角环弹性敏感元件(3)、纵向十角环弹性敏感元件(4)、半导体电阻应变计；/n所述传感器本体前端(1)远离所述传感器本体后端(2)的一侧与车刀连接；/n所述横向十角环弹性敏感元件(3)沿所述传感器本体后端(2)的横向排布，所述纵向十角环弹性敏感元件(4)沿所述传感器本体后端(2)的纵向排布，所述横向十角环弹性敏感元件(3)和纵向十角环弹性敏感元件(4)垂直，且所述横向十角环弹性敏感元件(3)和纵向十角环弹性敏感元件(4)连接为一体；/n所述横向十角环弹性敏感元件(3)和纵向十角环弹性敏感元件(4)连接于所述传感器本体前端(1)与传感器本体后端(2)之间；/n所述半导体电阻应变计粘贴于所述横向十角环弹性敏感元件(3)和纵向十角环弹性敏感元件(4)的表面。/n

【技术特征摘要】
1.一种应变式集成化三维车削力传感器，其特征在于，包括：传感器本体前端(1)、传感器本体后端(2)、横向十角环弹性敏感元件(3)、纵向十角环弹性敏感元件(4)、半导体电阻应变计；
所述传感器本体前端(1)远离所述传感器本体后端(2)的一侧与车刀连接；
所述横向十角环弹性敏感元件(3)沿所述传感器本体后端(2)的横向排布，所述纵向十角环弹性敏感元件(4)沿所述传感器本体后端(2)的纵向排布，所述横向十角环弹性敏感元件(3)和纵向十角环弹性敏感元件(4)垂直，且所述横向十角环弹性敏感元件(3)和纵向十角环弹性敏感元件(4)连接为一体；
所述横向十角环弹性敏感元件(3)和纵向十角环弹性敏感元件(4)连接于所述传感器本体前端(1)与传感器本体后端(2)之间；
所述半导体电阻应变计粘贴于所述横向十角环弹性敏感元件(3)和纵向十角环弹性敏感元件(4)的表面。


2.根据权利要求1所述的一种应变式集成化三维车削力传感器，其特征在于，所述横向十角环弹性敏感元件(3)包括：第一横向十角半环弹性敏感元件(31)、第二横向十角半环弹性敏感元件(32)；所述第一横向十角半环弹性敏感元件(31)、第二横向十角半环弹性敏感元件(32)分别位于所述传感器本体前端(1)和所述传感器本体后端(2)横向的侧面上。


3.根据权利要求2所述的一种应变式集成化三维车削力传感器，其特征在于，所述纵向十角环弹性敏感元件(4)包括：第一纵向十角半环弹性敏感元件(41)、第二纵向十角半环弹性敏感元件(42)；所述第一纵向十角半环弹性敏感元件(41)、第二纵向十角半环弹性敏感元件(42)分别位于所述传感器本体前端(1)和所述传感器本体后端(2)纵向的侧面上。


4.根据权利要求3所述的一种应变式集成化三维车削力传感器，其特征在于，所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏，赵瑞杰，黄珂卿，王楠，杨帆，席玮，张晨冰，王琼，赵瑞军，
申请(专利权)人：陕西理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61