一種嵌入薄膜應變片傳感器的切削力在線測量刀具系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及切削力測量技術，具體是一種嵌入薄膜應變片傳感器的切削力在線測量刀具系統(tǒng)。本發(fā)明解決了現(xiàn)有測力儀體積大、測量精度和靈敏度低、結構復雜、制造成本高的問題。一種嵌入薄膜應變片傳感器的切削力在線測量刀具系統(tǒng)，包括信號采集部分和信號處理部分；所述信號采集部分包括刀桿、刀片、定位螺釘、壓板、緊固螺栓、薄膜應變片傳感器、接線端子、緊固螺釘、連接線；所述信號處理部分包括電壓反饋運算放大器、儀表放大器、PC機；其中，刀片通過定位螺釘緊固安裝于刀桿的前部左側面；薄膜應變片傳感器固定安裝于刀桿的側面中部。本發(fā)明適用于金屬切削加工過程中切削力的測量。
【專利說明】一種嵌入薄膜應變片傳感器的切削力在線測量刀具系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及切削力測量技術，具體是一種嵌入薄膜應變片傳感器的切削力在線測量刀具系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]切削力是金屬切削過程中的主要物理現(xiàn)象之一，其大小不僅直接影響切削熱加工表面質量、刀具磨損及刀具耐用度等，而且是設計和使用機床、刀具及夾具的重要依據(jù)。因此，在實際切削加工過程中，切削力的測量具有十分重要的意義。在現(xiàn)有技術條件下，切削力的測量普遍是通過測力儀來實現(xiàn)的。然而，現(xiàn)有測力儀多由各種分立元器件組成，導致其存在如下問題:其一，體積較大，導致其無法滿足微小化的測量要求。其二，測量精度和靈敏度較低，導致其無法滿足高精度、高分辨率的測量要求。其三，結構復雜、制造成本較高，導致其無法滿足高可靠性、低成本的測量要求。基于此，有必要發(fā)明一種全新的切削力測量裝置，以解決現(xiàn)有測力儀體積大、測量精度和靈敏度低、結構復雜、制造成本高的問題。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有測力儀體積大、測量精度和靈敏度低、結構復雜、制造成本高的問題，提供了一種嵌入薄膜應變片傳感器的切削力在線測量刀具系統(tǒng)。
[0004]本發(fā)明是采用如下技術方案實現(xiàn)的:一種嵌入薄膜應變片傳感器的切削力在線測量刀具系統(tǒng)，包括信號采集部分和信號處理部分；所述信號采集部分包括刀桿、刀片、定位螺釘、壓板、緊固螺栓、薄膜應變片傳感器、接線端子、緊固螺釘、連接線；所述信號處理部分包括電壓反饋運算放大器、儀表放大器、PC機；其中，刀片通過定位螺釘緊固安裝于刀桿的前部左側面；壓板通過緊固螺栓緊固安裝于刀桿的前部左側面，且壓板的前部右側面緊壓于刀片的左側面；薄膜應變片傳感器固定安裝于刀桿的側面中部；接線端子通過緊固螺釘緊固安裝于刀桿的后部下側面；薄膜應變片傳感器的信號輸出端通過連接線與接線端子的信號輸入端連接；接線端子的信號輸出端與電壓反饋運算放大器的信號輸入端連接；電壓反饋運算放大器的信號輸出端與儀表放大器的信號輸入端連接；儀表放大器的信號輸出端與PC機的信號輸入端連接。
[0005]具體工作過程如下:在實際切削加工過程中，當?shù)镀邢鞴ぜr，刀桿在切削力的作用下發(fā)生形變。薄膜應變片傳感器在線感知刀桿的形變量，并將刀桿的形變量轉換為電壓信號，然后依次通過連接線、接線端子將電壓信號在線發(fā)送至電壓反饋運算放大器。電壓反饋運算放大器對接收到的電壓信號進行在線放大，并將放大后的電壓信號在線發(fā)送至儀表放大器。儀表放大器對接收到的電壓信號進行在線調理，并將調理后的電壓信號在線發(fā)送至PC機。PC機根據(jù)接收到的電壓信號在線計算出刀桿的形變量，由此在線測得切削力的大小。基于上述過程，與現(xiàn)有測力儀相比，本發(fā)明所述的一種嵌入薄膜應變片傳感器的切削力在線測量刀具系統(tǒng)具有如下優(yōu)點:其一，本發(fā)明所述的一種嵌入薄膜應變片傳感器的切削力在線測量刀具系統(tǒng)將薄膜應變片傳感器集成在刀桿上，通過利用薄膜應變片傳感器體積小的特點，有效減小了自身體積，從而完全滿足了微小化的測量要求。其二，本發(fā)明所述的一種嵌入薄膜應變片傳感器的切削力在線測量刀具系統(tǒng)一方面通過薄膜應變片傳感器在線感知刀桿的形變量，另一方面通過電壓反饋運算放大器、儀表放大器、PC機在線計算出刀桿的形變量，由此在線測得切削力的大小，有效提高了測量精度和靈敏度，從而完全滿足了高精度、高分辨率的測量要求。其三，本發(fā)明所述的一種嵌入薄膜應變片傳感器的切削力在線測量刀具系統(tǒng)通過將薄膜應變片傳感器集成在刀桿上，使得薄膜應變片傳感器與刀桿形成一個整體，由此有效簡化了自身結構，并有效降低了制造成本，從而完全滿足了高可靠性、低成本的測量要求。綜上所述，本發(fā)明所述的一種嵌入薄膜應變片傳感器的切削力在線測量刀具系統(tǒng)基于全新結構，有效解決了現(xiàn)有測力儀體積大、測量精度和靈敏度低、結構復雜、制造成本高的問題。
[0006]本發(fā)明結構合理、設計巧妙，有效解決了現(xiàn)有測力儀體積大、測量精度和靈敏度低、結構復雜、制造成本高的問題，適用于金屬切削加工過程中切削力的測量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1是本發(fā)明的信號采集部分的立體結構示意圖。
[0008]圖2是本發(fā)明的信號采集部分的平面結構示意圖。
[0009]圖3是圖2的俯視圖。
[0010]圖4是本發(fā)明的信號處理部分的結構示意圖。
[0011]圖5是本發(fā)明的薄膜應變片傳感器的結構示意圖。
[0012]圖6是本發(fā)明的薄膜應變片傳感器的薄膜電阻和電極的結構示意圖。
[0013]圖中:1_刀桿，2-刀片，3-定位螺釘，4-壓板，5-緊固螺栓，6-薄膜應變片傳感器，7-接線端子，8-緊固螺釘，9-連接線，10-電壓反饋運算放大器，11-儀表放大器，12-PC機，13-薄膜絕緣層，14-薄膜電阻，15-薄膜電極。
【具體實施方式】
[0014]一種嵌入薄膜應變片傳感器的切削力在線測量刀具系統(tǒng)，包括信號采集部分和信號處理部分；所述信號采集部分包括刀桿1、刀片2、定位螺釘3、壓板4、緊固螺栓5、薄膜應變片傳感器6、接線端子7、緊固螺釘8、連接線9;所述信號處理部分包括電壓反饋運算放大器10、儀表放大器11、PC機12 ;其中，刀片2通過定位螺釘3緊固安裝于刀桿I的前部左側面；壓板4通過緊固螺栓5緊固安裝于刀桿I的前部左側面，且壓板4的前部右側面緊壓于刀片2的左側面；薄膜應變片傳感器6固定安裝于刀桿I的側面中部；接線端子7通過緊固螺釘8緊固安裝于刀桿I的后部下側面；薄膜應變片傳感器6的信號輸出端通過連接線9與接線端子7的信號輸入端連接；接線端子7的信號輸出端與電壓反饋運算放大器10的信號輸入端連接；電壓反饋運算放大器10的信號輸出端與儀表放大器11的信號輸入端連接；儀表放大器11的信號輸出端與PC機12的信號輸入端連接。
[0015]所述薄膜應變片傳感器6的數(shù)目為四個；所述接線端子7的信號輸入端的數(shù)目為四個；所述連接線9的數(shù)目為四根；四個薄膜應變片傳感器6分別固定安裝于刀桿I的上側面中部、下側面中部、左側面中部、右側面中部；四個薄膜應變片傳感器6的信號輸出端通過四根連接線9與接線端子7的四個信號輸入端一一對應連接。工作時，四個薄膜應變片傳感器同時在線感知刀桿的形變量，由此進一步提高了測量精度和靈敏度。
[0016]所述薄膜應變片傳感器6包括基片；基片的上表面形成有薄膜絕緣層13 ;薄膜絕緣層13的上表面形成有四個薄膜電阻14和八個薄膜電極15 ;其中兩個薄膜電阻14均縱向分布于薄膜絕緣層13的上表面，且該兩個薄膜電阻14的位置關于薄膜絕緣層13的寬度中心線對稱；另外兩個薄膜電阻14均橫向分布于薄膜絕緣層13的上表面，且該兩個薄膜電阻14的位置關于薄膜絕緣層13的寬度中心線對稱；四個薄膜電阻14的兩端與八個薄膜電極15 —一對應連接；四個薄膜電阻14的上表面形成有薄膜保護層；八個薄膜電極15均曝露于薄膜保護層外；基片固定安裝于刀桿I的側面中部；八個薄膜電極15共同作為薄膜應變片傳感器6的信號輸出端。工作時，通過八個薄膜電極將四個薄膜電阻柵與外部電壓表連接構成惠斯通電橋，并通過連接線將該惠斯通電橋的輸出端與接線端子的信號輸入端連接。當?shù)镀邢鞴ぜr，刀桿在切削力的作用下發(fā)生形變，并帶動四個薄膜電阻均發(fā)生形變，此時，縱向分布的兩個薄膜電阻的形變量與橫向分布的兩個薄膜電阻的形變量不相等，導致惠斯通電橋輸出電壓信號，該電壓信號依次通過連接線、接線端子在線發(fā)送至電壓反饋運算放大器。
[0017]所述基片的材料為45號鋼；所述薄膜絕緣層13的材料為Si3N4 ;所述四個薄膜電阻14的材料均為N1-Cr合金；所述八個薄膜電極15的材料均為銀；所述薄膜保護層的材料
為 Si3N4。
[0018]所述基片為正方形基片，其長度為15mm，寬度為15mm，厚度為Imm ;所述薄膜絕緣層13為正方形薄膜絕緣層，其長度為15mm，寬度為15mm，厚度為500nm ;所述四個薄膜電阻14均為長方形薄膜電阻,其長度均為2.55mm,寬度均為2mm,厚度均為400nm ;所述八個薄膜電極15均為正方形薄膜電極，其長度均為2mm,寬度均為2mm,厚度均為400nm ;所述薄膜保護層為正方形薄膜保護層，其厚度為300nm。
[0019]具體實施時，刀片2采用93°偏頭外圓刀片。薄膜應變片傳感器6通過擴散焊的連接方式固定安裝于刀桿I的側面中部。電壓反饋運算放大器10采用0PA656型電壓反饋運算放大器，0PA656型電壓反饋運算放大器具有超寬頻帶、單位增益穩(wěn)定的特點。儀表放大器11采用INA129型儀表放大器，INA129型儀表放大器具有低功耗、高精度的特點。
【權利要求】
1.一種嵌入薄膜應變片傳感器的切削力在線測量刀具系統(tǒng)，其特征在于:包括信號采集部分和信號處理部分；所述信號采集部分包括刀桿(I)、刀片(2)、定位螺釘(3)、壓板(4)、緊固螺栓(5)、薄膜應變片傳感器(6)、接線端子(7)、緊固螺釘(8)、連接線(9);所述信號處理部分包括電壓反饋運算放大器(10)、儀表放大器(11)、PC機(12);其中，刀片(2)通過定位螺釘(3)緊固安裝于刀桿(I)的前部左側面；壓板(4)通過緊固螺栓(5)緊固安裝于刀桿(I)的前部左側面，且壓板(4)的前部右側面緊壓于刀片(2)的左側面；薄膜應變片傳感器(6)固定安裝于刀桿(I)的側面中部；接線端子(7)通過緊固螺釘(8)緊固安裝于刀桿(O的后部下側面；薄膜應變片傳感器(6)的信號輸出端通過連接線(9)與接線端子(7)的信號輸入端連接；接線端子(7)的信號輸出端與電壓反饋運算放大器(10)的信號輸入端連接；電壓反饋運算放大器(10)的信號輸出端與儀表放大器(11)的信號輸入端連接；儀表放大器(11)的信號輸出端與PC機(12)的信號輸入端連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種嵌入薄膜應變片傳感器的切削力在線測量刀具系統(tǒng)，其特征在于:所述薄膜應變片傳感器(6)的數(shù)目為四個；所述接線端子(7)的信號輸入端的數(shù)目為四個；所述連接線(9)的數(shù)目為四根；四個薄膜應變片傳感器(6)分別固定安裝于刀桿(I)的上側面中部、下側面中部、左側面中部、右側面中部；四個薄膜應變片傳感器(6)的信號輸出端通過四根連接線(9)與接線端子(7)的四個信號輸入端一一對應連接。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種嵌入薄膜應變片傳感器的切削力在線測量刀具系統(tǒng)，其特征在于:所述薄膜應變片傳感器(6)包括基片；基片的上表面形成有薄膜絕緣層(13);薄膜絕緣層(13)的上表面形成有四個薄膜電阻(14)和八個薄膜電極(15);其中兩個薄膜電阻(14)均縱向分布于薄膜絕緣層(13)的上表面，且該兩個薄膜電阻(14)的位置關于薄膜絕緣層(13)的寬度中心線對稱；另外兩個薄膜電阻(14)均橫向分布于薄膜絕緣層(13)的上表面，且該兩個薄膜電阻(14)的位置關于薄膜絕緣層(13)的寬度中心線對稱；四個薄膜電阻(14)的兩端與八個薄膜電極(15) —一對應連接；四個薄膜電阻(14)的上表面形成有薄膜保護層；八個薄膜電極(15)均曝露于薄膜保護層外；基片固定安裝于刀桿(I)的側面中部；八個薄膜電極(15)共同作為薄膜應變片傳感器(6)的信號輸出端。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種嵌入薄膜應變片傳感器的切削力在線測量刀具系統(tǒng)，其特征在于:所述基片的材料為45號鋼；所述薄膜絕緣層(13)的材料為Si3N4 ;所述四個薄膜電阻(14)的材料均為N1-Cr合金；所述八個薄膜電極(15)的材料均為銀；所述薄膜保護層的材料為Si3N4。
5.根據(jù)權利要求3所述的一種嵌入薄膜應變片傳感器的切削力在線測量刀具系統(tǒng)，其特征在于:所述基片為正方形基片，其長度為15mm,寬度為15mm,厚度為Imm ;所述薄膜絕緣層(13)為正方形薄膜絕緣層，其長度為15mm，寬度為15mm，厚度為500nm ;所述四個薄膜電阻(14)均為長方形薄膜電阻,其長度均為2.55mm,寬度均為2mm,厚度均為400nm ;所述八個薄膜電極(15)均為正方形薄膜電極,其長度均為2mm,寬度均為2mm,厚度均為400nm ;所述薄膜保護層為正方形薄膜保護層，其厚度為300nm。
【文檔編號】B23Q17/09GK103707131SQ201310739624
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權日:2013年12月30日
【發(fā)明者】成云平, 武文革, 劉麗娟, 杜曉軍, 李琦, 李學瑞, 馮霞 申請人:中北大學