專利名稱：旋轉(zhuǎn)式動態(tài)銑削扭矩測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬切削加工領(lǐng)域，主要用來實時測量銑削過程的動態(tài)銑削扭矩。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)式動態(tài)銑削扭矩測量儀器是用來測量動態(tài)銑削扭矩的， 一般來講銑削力/扭矩的測量 可以使用兩種儀器臺式測力儀和旋轉(zhuǎn)測力儀
1. 臺式測力儀
圖1是臺式測力儀的工作原理示意圖將臺式測力儀15安裝在銑床工作臺16上(一般
通過T形螺栓連接)，被切削工件14安裝在臺式測力儀15上(一般通過螺栓連接)，銑削時 普通銑刀刀柄13安裝在銑床主軸11上(通過錐面)，銑刀12安裝在普通銑刀刀柄13上，銑 刀12對工件14產(chǎn)生切削力/扭矩，工件14將切削力/扭矩傳遞到臺式測力儀臺15上，臺式測 力儀15實際上是一個多向的力/扭矩傳感器，它可以測量出切削力/扭矩。
臺式測力儀的主要缺點是由于工件安裝在臺式測力儀上，所以安裝工件的尺寸受到限 制，并且切削力作用在工件不同的位置時測量結(jié)果會有誤差。
2. 旋轉(zhuǎn)測力儀
圖2是旋轉(zhuǎn)測力儀的工作原理示意圖將旋轉(zhuǎn)測力儀17安裝在銑床主軸11上(通過錐 面)，旋轉(zhuǎn)測力儀17實際上相當(dāng)于一個刀柄，上面集成了力/扭矩傳感器，在旋轉(zhuǎn)測力儀上安 裝銑刀12:被切削工件14直接安裝在銑床工作臺16上，工件14和旋轉(zhuǎn)測力儀17不安裝一 起。銑削時，銑刀12和工件14之間的切削力/扭矩傳遞到旋轉(zhuǎn)測力儀17 (即刀柄)上，旋轉(zhuǎn) 測力儀17就測量出銑削力/扭矩。因為傳感器隨同主軸旋轉(zhuǎn)，所以稱之為旋轉(zhuǎn)測力儀。
旋轉(zhuǎn)測力儀的優(yōu)點是使刀柄(實際上就是刀具)自身具備測力/扭矩功能，且不受工件
尺寸、形狀的影響，切削力作用點相對于傳感器的位置可保持不變；缺點是由于刀柄內(nèi)集成
了力/扭矩傳感器，所以使刀柄的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。
一直以來廣泛使用的測量儀基本都是臺式測量儀，目前只有瑞士的Kistler公司在制造并 銷售旋轉(zhuǎn)測量儀，并且?guī)缀醺采w了整個世界的市場，圖3是Kistler—款產(chǎn)品的圖片。Kistler 的旋轉(zhuǎn)測量儀采用了感應(yīng)供電的方式，且其所采用的力/扭矩傳感器為壓電晶體式，通過感應(yīng) 的方式將信號傳出
發(fā)明內(nèi)容
.
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有測力儀存在的不足，提供一種旋轉(zhuǎn)式動態(tài)銑削扭矩測量儀， 其在刀柄內(nèi)集成了扭矩傳感器，使刀柄(即刀具)自身具備扭矩測量功能，切削力作用點相對于傳感器的位置保持不變，且刀柄結(jié)構(gòu)簡單，制作方便。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種旋轉(zhuǎn)式動態(tài)銑削扭矩測量儀，其包括銑刀、刀柄、供電系統(tǒng)、信號傳送系統(tǒng)，刀柄 集成有扭矩傳感器，傳感器包括直接加工在刀柄上的敏感元件、粘貼于敏感元件上的應(yīng)變片 及與應(yīng)變片相連的信號調(diào)理電路，信號調(diào)理電路將應(yīng)變片產(chǎn)生的信號放大及輸出至與其相連 的信號傳送系統(tǒng)，信號傳送系統(tǒng)接收并發(fā)送信號調(diào)理電路輸出的信號，供電系統(tǒng)對傳感器進 行供電。
所述應(yīng)變片為采用兩片45°雙電阻應(yīng)變片構(gòu)成電橋。
所述信號調(diào)理電路由電橋供電電路、調(diào)零電路、測量放大器、運算放大電路、低通濾波 電路依次相連構(gòu)成。
所述供電系統(tǒng)采用感應(yīng)供電方式。
所述供電系統(tǒng)包括振蕩信號發(fā)生電路、靜止環(huán)、旋轉(zhuǎn)環(huán)，靜止環(huán)固定于機床床身上，其 內(nèi)嵌有內(nèi)部固定有初級線圈的導(dǎo)磁鐵芯；旋轉(zhuǎn)環(huán)固定于刀柄上，其內(nèi)嵌有內(nèi)部固定有次級線 圈的導(dǎo)磁鐵芯，靜止環(huán)上還設(shè)有接收振蕩信號發(fā)生電路產(chǎn)生的電流信號并輸送給初級線圈的 插座。
所述振蕩信號發(fā)生電路的高頻振蕩器產(chǎn)生高頻電流，經(jīng)功率放大器行功率放大及變壓器 提升電壓，由插座輸送至初級線圈中產(chǎn)生高頻交變電流，從而在初級線圈周圍產(chǎn)生高頻電磁 場，次級線圈被感應(yīng)后產(chǎn)生交變電流，經(jīng)過整流穩(wěn)壓電路后輸出穩(wěn)定的電壓對傳感器供電。
所述旋轉(zhuǎn)環(huán)內(nèi)安裝有信號調(diào)理電路、整流穩(wěn)壓電路，通過旋轉(zhuǎn)環(huán)防護蓋保護電路。
所述信號傳送系統(tǒng)采用無線傳輸。
所述信號傳送系統(tǒng)包括A/D轉(zhuǎn)換電路，接收信號調(diào)理電路輸出信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號； 編碼電路，對數(shù)字信號進行編碼；發(fā)射電路，發(fā)射編碼后的信號；接收電路，接收發(fā)射電路 發(fā)出的信號；解碼電路，對接收到的信號解碼還原；串口通訊電路，輸出解碼還原后的數(shù)字 信號。
所述編碼電路及發(fā)射電路置于供電系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)環(huán)內(nèi)，通過旋轉(zhuǎn)環(huán)防護蓋保護電路。 旋轉(zhuǎn)式動態(tài)銑削扭矩測量儀包括集成扭矩傳感器刀柄、松耦合感應(yīng)電源、無線信號傳送 系統(tǒng)等部件。
1. 集成扭矩傳感器刀柄是在國家標(biāo)準(zhǔn)BT50型刀柄上直接加工出彈性敏感元件，然后在 敏感元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成電橋，將刀柄受到的切削扭矩轉(zhuǎn)換為電橋的輸出電壓，兩者 成正比。這樣，銑刀刀柄就可以測量出切削扭矩了。
2. 由于刀柄是旋轉(zhuǎn)的，無法直接通過導(dǎo)線為應(yīng)變片電橋供電，所以本發(fā)明采用松耦合感 應(yīng)電源為集成扭矩傳感器刀柄提供電源。這種電源是通過電磁感應(yīng)的方式將能量從靜止的初 級線圈傳輸?shù)叫D(zhuǎn)的次級線圈上，只是初級線圈與次級線圈之間存在著間隙，且初級線圈所 產(chǎn)生電磁場的頻率較高，是一種非接觸的供電方式。
3. 同樣由于刀柄是旋轉(zhuǎn)的，難以直接通過導(dǎo)線將應(yīng)變片電橋測出的扭矩信號輸出，因 此采用無線電載波的方式將扭矩信號發(fā)射出去，實現(xiàn)了信號的遙測。由于采用了上述方案，本發(fā)明具有以下特點-
1. 在標(biāo)準(zhǔn)銑刀刀柄上直接加工出彈性敏感元件(而不是將扭矩傳感器與刀柄連接)，沒有 接觸剛度的損失，可以在保證傳感器靈敏度的前提下，使整個刀柄仍然具有較高的剛度和固 有頻率，能夠承受較大的切削力，且能夠測量出動態(tài)銑削扭矩。
2. 采用松耦合感應(yīng)電源實現(xiàn)了非接觸、不限時連續(xù)供電，無論刀柄是否旋轉(zhuǎn)均可平穩(wěn)地 提供電能，且不受刀柄轉(zhuǎn)速的影響。
3. 無線電遙測的方式實現(xiàn)了信號的傳輸，使信號接收端可以適當(dāng)?shù)剡h離切削區(qū)域。


圖1為現(xiàn)有臺式測力儀的工作原理圖。
圖2為現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)測力儀的工作原理圖。
圖3為Kistler旋轉(zhuǎn)測力儀(Type 9123)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明的集成扭矩傳感器刀柄結(jié)構(gòu)圖。
圖5為本發(fā)明的扭矩傳感器的原理圖。
圖6為本發(fā)明的松耦合感應(yīng)電源的原理圖。
圖7為本發(fā)明的松耦合感應(yīng)電源的結(jié)構(gòu)圖。
圖8為本發(fā)明的無線信號傳輸系統(tǒng)原理圖。
圖9為本發(fā)明的電路板安裝圖。 '
圖10為本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)式動態(tài)銑削扭矩測量刀柄安裝圖。
圖11為本發(fā)明測量儀的剖視圖。
圖中11——銑床主軸，12——銑刀，13——普通銑刀刀柄，14——工件，15——臺式 測力儀，16^銑床工作臺，17——旋轉(zhuǎn)測力儀
1——集成扭矩傳感器刀柄，2——高頻振蕩器，3——靜止環(huán)，4—一初級線圈，5——次 級線圈，6~~旋轉(zhuǎn)環(huán)，7——信號編碼電路，8——射頻發(fā)射電路，9——射頻接收電路，10—— 信號解碼電路，21——電橋供電電路，22——調(diào)零電路，23——測量放大器，24——運算放 大器，25——低通濾波電路，26——振蕩信號發(fā)生電路，27——功率放大器，28——變壓器， 29——整流穩(wěn)壓電路，30——靜止環(huán)導(dǎo)磁鐵芯，31——旋轉(zhuǎn)環(huán)導(dǎo)磁鐵芯，32——插座，33—— 旋轉(zhuǎn)環(huán)防護蓋，34——AD轉(zhuǎn)換電路，35——發(fā)射天線，36~~接收天線，37——串口通訊 電路，38——信號調(diào)理電路，40——電阻應(yīng)變片，41——敏感元件，42——保護罩，43—— 螺釘，44——銑刀
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖所示實例對本發(fā)明作進一步的說明。本發(fā)明旋轉(zhuǎn)式動態(tài)銑削扭矩測量儀包
括
1.集成扭矩傳感器刀柄
這是旋轉(zhuǎn)測力儀的主體，用來將旋轉(zhuǎn)切削測力儀與機床主軸進行連接(通過錐面)，并安裝刀具。見圖4，集成扭矩傳感器刀柄的圓錐柄部符合BT50國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 10944.1-2006)， 在刀柄上直接加工出彈性敏感元件41，然后在敏感元件上粘貼電阻應(yīng)變片40構(gòu)成電橋，其 采用兩片45°雙電阻應(yīng)變片構(gòu)成，這樣就將扭矩傳感器直接集成到刀柄上。防護罩42用來 保護應(yīng)變片，螺釘43將防護罩42固定在刀柄1上。電橋的導(dǎo)線通過防護罩42上的孔穿出并 連接到信號調(diào)理電路。
傳感器還包括信號調(diào)理電路，如圖5所示，其主要有電橋供電電路21、調(diào)零電路22、測 量放大器23、運算放大電路24、低通濾波電路25構(gòu)成。電橋測量出切削時銑刀對工件的扭 矩，并由調(diào)理電路放大該電信號。
2. 松耦合感應(yīng)電源
通過非接觸電磁感應(yīng)的方式為集成傳感器刀柄提供電源，感應(yīng)電源的原理見圖6，振蕩 信號發(fā)生電路26產(chǎn)生高頻振蕩信號，經(jīng)過功率放大器27進行功率放大，然后通過變壓器28 提升電壓，并在初級線圈4中產(chǎn)生高頻交變電流，從而在初級線圈4周圍產(chǎn)生高頻電磁場， 次級線圈5被感應(yīng)后產(chǎn)生交變電流，經(jīng)過整流穩(wěn)壓電路29后輸出穩(wěn)定的電壓，整流穩(wěn)壓電路 29輸出電壓輸送給信號調(diào)理電路、編碼電路7及發(fā)射電路8。
感應(yīng)電源結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要分為兩部分靜止環(huán)3和旋轉(zhuǎn)環(huán)6，靜止環(huán)3與機床床 身固定，是靜止不動的，旋轉(zhuǎn)環(huán)6與刀柄1連接在一起并隨同刀柄1一起旋轉(zhuǎn)。靜止環(huán)3內(nèi) 嵌有導(dǎo)磁鐵芯30，初級線圈4通過膠水固定在導(dǎo)磁鐵芯30的槽內(nèi)，旋轉(zhuǎn)環(huán)6內(nèi)嵌有導(dǎo)磁鐵 芯31，次級線圈5也通過膠水固定在導(dǎo)磁鐵芯31的槽內(nèi)。振蕩信號發(fā)生電路26的高頻振蕩 器2通過設(shè)置于靜止環(huán)3上的插座32向靜止環(huán)3中的初級線圈4提供高頻電流，在初級線圈 4周圍形成交變的電磁場，通過兩組相對的導(dǎo)磁鐵芯30和31使次級線圈5感應(yīng)到電磁場， 從而在次級線圈5中產(chǎn)生交變電流，經(jīng)過整流穩(wěn)壓后就形成直流穩(wěn)壓電源。
由于靜止環(huán)3和旋轉(zhuǎn)環(huán)6之間有一定的間隙，所以實現(xiàn)了非接觸供電。無論旋轉(zhuǎn)環(huán)6是 靜止還是旋轉(zhuǎn)均可平穩(wěn)地提供電源。
3. 無線信號傳輸系統(tǒng)
用來實現(xiàn)信號的遙測，無線信號傳輸系統(tǒng)的電路原理見圖8:扭矩傳感器產(chǎn)生的模擬信 號進入A/D轉(zhuǎn)換電路34后形成數(shù)字信號；接著進入信號編碼電路7進行編碼，使用SPI編 碼方式；編碼后的信號進入射頻發(fā)射電路8并通過發(fā)射天線35發(fā)射出去，射頻接收電路9通 過接收天線36接收到信號，然后經(jīng)信號解碼電路IO進行解碼，解碼還原后的數(shù)字信號經(jīng)串 口通訊電路37輸出。
信號編碼電路7和信號解碼電路10的核心芯片是可編程門陣列(簡稱FPGA)，所用FPGA 芯片為Altera公司CycloneII系列的EP2C5。
射頻發(fā)射電路8和射頻接收電路9的核心是挪威Nordic Semiconductor ASA生產(chǎn)的 2.4GHz射頻發(fā)射接收芯片nRF2401 。
Kistler采用感應(yīng)的方式傳送信號，從旋轉(zhuǎn)環(huán)傳送到靜止環(huán)，而本發(fā)明采用工作于2.4GHz ISM (工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用)頻段的無線射頻收發(fā)芯片，傳送速度和傳送精度大大提高。
圖9說明了電路板的安裝方式，其中感應(yīng)電源的整流穩(wěn)壓電路29、信號調(diào)理電路38、信號編碼電路7以及射頻發(fā)射電路8均制作成1/4扇環(huán)形電路板，然后通過螺釘安裝在旋轉(zhuǎn)環(huán)6 內(nèi)，旋轉(zhuǎn)環(huán)防護蓋33用來保護電路。
圖IO說明了本發(fā)明的組裝方式、在機床上的安裝及整個系統(tǒng)的連接將銑刀44安裝在 集成扭矩傳感器刀柄1上(采用標(biāo)準(zhǔn)接口安裝的銑刀可以更換)，并通過螺釘緊固，然后將旋 轉(zhuǎn)環(huán)6通過螺釘安裝到刀柄1上；將靜止環(huán)3通過強力磁鐵吸附到銑床床身上，隨后將集成 扭矩傳感器刀柄1、旋轉(zhuǎn)環(huán)6和銑刀44的組合體安裝在銑床的主軸上，靜止環(huán)3和旋轉(zhuǎn)環(huán)6 之間可保證0.5mm左右的間隙；再通過導(dǎo)線將高頻振蕩器2和插座32連接；功率放大器27、 變壓器28、振蕩信號發(fā)生電路26、射頻接收電路9、信號解碼電路IO、串口通訊電路37放 置在一個電器箱內(nèi)，完成了整個系統(tǒng)的連接。
本發(fā)明旋轉(zhuǎn)式動態(tài)銑削扭矩測量儀的一種優(yōu)選方案的技術(shù)指標(biāo)為
錐柄形式ISO50
測量物理量銑削扭矩 扭矩傳感器靈敏度lOOkgf/100^ 扭矩傳感器固有頻率約3kHz 扭矩傳感器線性度<1% 感應(yīng)電源可提供電能2W (最大) 感應(yīng)電源傳輸效率約30%
感應(yīng)電源靜止環(huán)和旋轉(zhuǎn)環(huán)之間間隙0.5 0.8mm 無線傳輸載波頻率2.4GHz
無線發(fā)射天線內(nèi)置式
無線信號傳輸距離<3m 信號傳輸編碼方式SPI協(xié)議 實時采樣及無線傳輸頻率3.1kHz (最高) A/D轉(zhuǎn)換12位 輸出信號通訊方式RS232
上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉 本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應(yīng) 用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技 術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種旋轉(zhuǎn)式動態(tài)銑削扭矩測量儀，其包括銑刀、刀柄、供電系統(tǒng)、信號傳送系統(tǒng)，其特征在于刀柄集成有扭矩傳感器，傳感器包括直接加工在刀柄上的敏感元件、粘貼于敏感元件上的應(yīng)變片及與應(yīng)變片相連的信號調(diào)理電路，信號調(diào)理電路將應(yīng)變片產(chǎn)生的信號放大及輸出至與其相連的信號傳送系統(tǒng)，信號傳送系統(tǒng)接收并發(fā)送信號調(diào)理電路輸出的信號，供電系統(tǒng)對傳感器進行供電。
2、 如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式動態(tài)銑削扭矩測量儀，其特征在于所述應(yīng)變片為采用兩 片45°雙電阻應(yīng)變片構(gòu)成電橋。
3、 如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式動態(tài)銑削扭矩測量儀，其特征在于所述信號調(diào)理電路由 電橋供電電路、調(diào)零電路、測量放大器、運算放大電路、低通濾波電路依次相連構(gòu)成。
4、 如權(quán)利要求l所述的旋轉(zhuǎn)式動態(tài)銑削扭矩測量儀，其特征在于所述供電系統(tǒng)采用感 應(yīng)供電方式。
5、 如權(quán)利要求4所述的旋轉(zhuǎn)式動態(tài)銑削扭矩測量儀，其特征在于所述供電系統(tǒng)包括振 蕩信號發(fā)生電路、靜止環(huán)、旋轉(zhuǎn)環(huán)，靜止環(huán)固定于機床床身上，其內(nèi)嵌有內(nèi)部固定有初級線 圈的導(dǎo)磁鐵芯；旋轉(zhuǎn)環(huán)固定于刀柄上，其內(nèi)嵌有內(nèi)部固定有次級線圈的導(dǎo)磁鐵芯，靜止環(huán)上 還設(shè)有接收振蕩信號發(fā)生電路產(chǎn)生的電流信號并輸送給初級線圈的插座。
6、 如權(quán)利要求5所述的旋轉(zhuǎn)式動態(tài)銑削扭矩測量儀，其特征在于所述振蕩信號發(fā)生電 路的高頻振蕩器產(chǎn)生高頻電流，經(jīng)功率放大器行功率放大及變壓器提升電壓，由插座輸送至 初級線圈中產(chǎn)生高頻交變電流，從而在初級線圈周圍產(chǎn)生高頻電磁場，次級線圈被感應(yīng)后產(chǎn) 生交變電流，經(jīng)過整流穩(wěn)壓電路后輸出穩(wěn)定的電壓對傳感器供電。
7、 如權(quán)利要求6所述的旋轉(zhuǎn)式動態(tài)銑削扭矩測量儀，其特征在于所述旋轉(zhuǎn)環(huán)內(nèi)安裝有 信號調(diào)理電路、整流穩(wěn)壓電路，通過旋轉(zhuǎn)環(huán)防護蓋保護電路。
8、 如權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)式動態(tài)銑削扭矩測量儀，其特征在于所述信號傳送系統(tǒng)采 用無線傳輸。
9、 如權(quán)利要求8所述的旋轉(zhuǎn)式動態(tài)銑削扭矩測量儀，其特征在于所述信號傳送系統(tǒng)包 括A/D轉(zhuǎn)換電路，接收信號調(diào)理電路輸出信號并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；編碼電路，對數(shù)字信號進 行編碼；發(fā)射電路，發(fā)射編碼后的信號；接收電路，接收發(fā)射電路發(fā)出的信號；解碼電路， 對接收到的信號解碼還原；串口通訊電路，輸出解碼還原后的數(shù)字信號。
10、 如權(quán)利要求9所述的旋轉(zhuǎn)式動態(tài)銑削扭矩測量儀，其特征在于所述編碼電路及發(fā) 射電路置于供電系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)環(huán)內(nèi)，通過旋轉(zhuǎn)環(huán)防護蓋保護電路。
全文摘要
一種旋轉(zhuǎn)式動態(tài)銑削扭矩測量儀，其包括銑刀、刀柄、供電系統(tǒng)、信號傳送系統(tǒng)，刀柄集成有扭矩傳感器，傳感器包括直接加工在刀柄上的敏感元件、粘貼于敏感元件上的電阻應(yīng)變片及與應(yīng)變片相連的信號調(diào)理電路，信號調(diào)理電路將應(yīng)變片產(chǎn)生的信號放大并輸出至與其相連的信號傳送系統(tǒng)，信號傳送系統(tǒng)接收并通過無線傳輸方式發(fā)送信號調(diào)理電路輸出的信號，供電系統(tǒng)采用電磁感應(yīng)的方式對傳感器進行供電。本發(fā)明在刀柄內(nèi)集成了扭矩傳感器，使刀柄自身具備扭矩測量功能，且刀柄結(jié)構(gòu)簡單，制作方便；本發(fā)明的感應(yīng)供電使得供電不受刀柄旋轉(zhuǎn)影響；本發(fā)明的無線傳輸信號方式可使信號接收端適當(dāng)?shù)剡h離切削區(qū)域。
文檔編號B23Q17/09GK101612712SQ200910054619
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月10日
發(fā)明者意 于, 劉曉東, 張玉磊, 卉 王, 郭為君 申請人:同濟大學(xué)