本發(fā)明涉及銑削力傳感器技術領域，具體涉及一種測量扭矩和軸向力的旋轉式銑削力傳感器。

背景技術：

在現代智能制造、智能監(jiān)測過程中，切削力是關鍵指標之一。切削力的無序變化可能導致刀具的磨損異常，刀具的破損和被加工工件較差的表面粗糙度，從而降低產品的尺寸精度和質量。更嚴重的是，有時候它可能威脅到操作者的安全。研究開發(fā)切削力智能監(jiān)測系統是解決這些問題的一種方法。切削力傳感器的發(fā)展對高加工精度、智能化制造以及制造工藝的優(yōu)化有很重要的意義。

為了實現對切削力進行實時監(jiān)測、分析，及時反饋修正，各種直接和間接的切削力監(jiān)測系統已被提出和開發(fā)出來。切削力的測量原理主要基于一些典型的傳感技術，包括壓阻式傳感器、壓電傳感器、電容式傳感器、諧振式傳感器等。以監(jiān)測銑削過程中切削力的變化為目的，一系列的傳感器被開發(fā)出來。例如，基于應變片的固定于工作臺上的四分量測力計，可以測量三軸向和扭轉力，但它的缺陷是自身的較低的剛度和較低的固有頻率。固定于工作臺上的基于壓電效應的測力傳感器的性能較好，具有更好的穩(wěn)定性，高剛度和高靈敏度。然而，測量切削力時，傳感器必須夾緊在機床和工件之間，這無疑限制了工件的幾何形狀和尺寸。基于壓電效應的集成安裝在主軸上環(huán)狀的傳感器，傳感器隨刀柄同時旋轉，具有壓電式傳感器的典型優(yōu)勢，但其缺陷是高成本，不能測量靜態(tài)力。電容、電感式測力儀，原理是利用電容極板間距或電感磁芯的移動把彈性體的位移轉換成電容或電感的變化，并以電信號的方式體現出來，實質仍然是一種位移計。電容、電感式測力儀存在抗干擾能力差、靜態(tài)線形誤差大等缺點。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種測量扭矩和軸向力的旋轉式銑削力傳感器，能夠同時測量軸向力和扭矩，具有高靈敏度、高剛度、低交叉干擾、適應性強等優(yōu)點。

為了實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

一種測量扭矩和軸向力的旋轉式銑削力傳感器，包括主體結構1，保護殼蓋2和保護殼3，主體結構1和保護殼3連接，保護殼3內安裝傳感器的信號采集電路，保護殼3和保護殼蓋2連接，主體結構1的前端為實現測力傳感器與機床主軸連接的刀柄連接標準接口1a，后端為實現與刀具連接的刀具夾持標準接口1c，中部的“籠”式結構1b是整個傳感器的彈性元件。

所述的“籠”式結構1b是在弓形回轉一周形成的曲面體的基礎上，切割4對兩兩對稱均勻分布的縫隙，使曲面體被分割成8部分，在其中4個部分上加工出小平臺1d，并在每個小平臺1d的四角開孔，起到應力集中作用；其余4個部分1e起到支撐作用，保證“籠”式結構1b具有足夠的剛度；“籠”式結構1b上小平臺1d中心沿著軸向、垂直軸向，以及正負45度軸向粘貼半導體硅應變片4，每個方向粘貼有兩片半導體硅應變片4，共8片，其中沿軸向、垂直軸向的4片半導體硅應變片4組成一組，連接成惠斯通全橋形式，用以測量軸向力Fz；沿正負45度軸向粘貼的4片半導體硅應變片4組成一組，連接成惠斯通全橋形式，用于測量加工時刀具受到的扭矩T。

所述的半導體硅應變片4為硅條電阻應變片，將硅條4b集成在基底4a上，然后通過金絲4c將硅條4b連接至焊盤4d上，再通過焊盤4d轉接出金屬線4e，金屬線4e作為半導體硅應變片4的引出線。

所述的“籠”式結構1b總長29mm，壁厚4mm，中間凸起部分中徑44mm；粘貼半導體應變片4的小平臺1d寬10mm,其中心最薄處壁厚2mm，小平臺1d兩側縫隙寬2mm。

所述的保護殼3外徑105mm，內徑40mm。

所述的保護殼蓋2外徑105mm，內徑53mm。

本發(fā)明的有益效果為：

基于半導體的壓阻效應制造的半導體硅應變片4將在保留應變式切削力傳感器優(yōu)點的同時，提高靈敏度，進一步減小體積。在受到外力作用下，其電阻值將發(fā)生改變，通過惠斯通電橋轉變?yōu)殡娦盘栞敵?，達到監(jiān)測切削力的目的。對于銑削力傳感器，設計合理的彈性體結構和選擇合適的貼片位置及組橋方式，能夠有效地解決傳感器的剛度和靈敏度之間的矛盾。

采用“籠”式結構1b作為傳感器的彈性元件，能夠很好解決剛度與靈敏度之間的矛盾，在保證高剛度的前提下極大地提高靈敏度，能夠同時提高軸向和剪切方向的測力靈敏度；其前部1a刀柄連接標準接口1a，能夠方便地同主軸連接，具有安裝簡單、通用性強的特點；后端刀具夾持標準接口1c可以根據實際需求安裝不同的刀具。整體結構采用組合封裝的模式，安裝、拆卸、維修方便，隨時可更換零部件。信號采集電路采用惠斯通全橋電橋，穩(wěn)定性強。本發(fā)明基于半導體硅應變片，能夠測量靜態(tài)力和動態(tài)力，具有高靈敏度、高剛度、無交叉干擾，適應性強、低成本、使用維護簡單方便等優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結構示意圖。

圖2為本發(fā)明的整體結構半剖示意圖。

圖3為本發(fā)明各結構分解示意圖。

圖4為本發(fā)明主體結構1三維示意圖。

圖5為本發(fā)明彈性體“籠”式結構1b上粘貼半導體硅應變片4三維示意圖。

圖6為本發(fā)明金屬應變片連接成惠斯通全橋示意圖。

圖7為本發(fā)明半導體硅應變片4結構示意圖。

圖8為本發(fā)明受軸向力和扭矩時應力變化示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發(fā)明作詳細說明。

參照圖1、圖2和圖3，一種測量扭矩和軸向力的旋轉式銑削力傳感器，包括主體結構1、保護殼蓋2和保護殼3，主體結構1和保護殼3通過螺紋連接，保護殼3內安裝傳感器的信號采集電路，保護殼3和保護殼蓋2之間通過螺紋連接，主體結構1、保護殼蓋2和保護殼3整體組成一個能夠聯結在主軸上，安裝刀具，對軸向銑削力和銑削扭矩實時監(jiān)測的力傳感器。

所述的保護殼蓋2，通過周邊分布的螺紋孔同保護殼3進行螺紋連接，起到保護保護殼3內電信號不被外界干擾的作用，同時具有保護主體結構1上粘貼的半導體硅應變片4的作用。

所述的保護殼3，保護殼3內安裝傳感器的信號采集電路，實現應力應變轉換成電信號并進行無線傳輸。

所述的主體結構1的前端為刀柄連接標準接口1a，后端為刀具夾持接口1c，中部的“籠”式結構1b是整個傳感器的彈性元件。

參照圖3和圖4，所述的“籠”式結構1b是在弓形回轉一周形成的曲面體的基礎上，切割4對兩兩對稱均勻分布的縫隙，使曲面體被分割成8部分，在其中4個部分上加工出小平臺1d，并在每個小平臺1d的四角開孔，達到應力集中的目的；其余4個部分1e起到支撐作用，保證“籠”式結構1b具有足夠的剛度，彈性元件在軸向和剪切方向具有極高的靈敏度，“籠”式結構1b解決了傳感器整體結構剛度與靈敏度的矛盾，在高剛度的基礎上實現了高靈敏度；刀具夾持標準接口1c安裝刀具，可更換不同類型的刀具，保證通用性和可換性。

參見圖5，“籠”式結構1b上小平臺1d中心沿著軸向、垂直軸向，以及正負45度軸向粘貼半導體硅應變片4，每個方向粘貼有兩片半導體硅應變片4，共8片，其中沿軸向、垂直軸向的4片半導體硅應變片4組成一組；沿正負45度軸向粘貼的4片半導體硅應變片4組成一組。

參見圖6，第一組四個半導體硅應變片4，沿軸向、垂直軸向的布置粘貼，連接成惠斯通全橋電路，用以測量軸向力Fz引起的正應力；第二組四個半導體硅應變片4，沿著正負45度軸向布置粘貼，連接成惠斯通全橋電路，用于測量加工時刀具受到的扭矩T引起的剪切應力。

參見圖7，所述的半導體硅應變片4為硅條電阻應變片，將硅條4b集成在基底4a上，然后通過金絲4c將硅條4b和焊盤4d連接，再通過焊盤4d轉接出金屬線4e，金屬線4e作為半導體硅應變片的引出線。半導體硅應變片4作為力敏元件，具有靈敏系數大、機械滯后校、橫向效應小、質量輕，體積小等諸多優(yōu)點。

所述的“籠”式結構1b總長29mm，壁厚4mm，中間凸起部分中徑44mm，粘貼半導體應變片4的小平臺1d寬10mm,中心最薄處壁厚2mm，小平臺1d兩側縫隙寬2mm。

所述的保護殼3外徑105mm，內徑40mm。

所述的保護殼蓋2外徑105mm，內徑53mm。

本發(fā)明的工作原理為：

使用時，將主體結構1中的前端刀柄連接標準接口1a通過刀柄與機床主軸連接，保證測力傳感器與機床主軸的同步旋轉；主體結構1中的后端刀具夾持接口1c通過彈簧夾頭裝卡刀具，保證正常的銑削加工。在銑削加工時，刀具同時承受軸向力Fz和扭矩T的作用，安裝刀具的傳感器，同樣受這兩種力的作用，形成一個壓扭結合的結構件。為實現軸向力Fz和主軸力矩T的測量，應分別測得在軸向力Fz和主軸力矩T作用下的應變。

參見圖8，取“籠”式結構的小平臺1d表面上的一個單元體E進行受力分析，單元體E可以分解為E1和E2，單元體E1只受扭矩T作用產生的剪應力，處于純剪應力狀態(tài)。由應力分析可知，在與軸向成正負45度方向上存在著最小和最大主應力，其絕對值均等于最大剪應力。

以半導體硅應變片測得傾斜45度軸向上的主應力，即為最大剪應力，再根據剪應力與力矩之間的關系式即可求得傳感器受到的扭矩T。

$\mathrm{\τ}=\frac{T}{2{{\mathrm{\πR}}_1}^{2}t}$

單元體E2在軸向作用力Fz下產生壓應力σ_壓，處于單向應力狀態(tài)。由應力分析可知，在橫截面上存在著最大正應力。

${\mathrm{\σ}}_{max}=\frac{y_{A}E}{R_0}$

其中，C₁＝sinh²λl+sin²λl,C₂＝sinh²λl-sin²λl。

E為材料彈性模量，ν為泊松比，R₀“籠”式結構中部中徑，t為“籠”式結構中部厚度，l為“籠”式結構中部凸起部分的長度。

在與軸向成正負45度方向的截面上作用有符號相同的正應力，其數值等于軸向應力σ_壓的一半，也就是最大正應力的一半。

根據上述單元體E的應力分析，可將半導體硅應變片按如下所述方式布置，即通過與主軸的軸向、垂直軸向，以及正負45度軸向進行組合封裝，通過合理的布置電路，消除兩個方向應力的交叉干擾，達到同時對軸向力Fz和扭矩T進行測量的目的。