本發(fā)明涉及切削力測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于錳銅合金微納敏感單元的切削力測量裝置。

背景技術(shù)：

切削力是影響機(jī)床加工精度、刀具壽命、切削效率等的重要因素，也是反映切削過程的可靠指標(biāo)。通過切削力測量進(jìn)行切削狀態(tài)監(jiān)測和控制，是實(shí)現(xiàn)高檔數(shù)控機(jī)床智能化加工的關(guān)鍵方法之一，也能夠?yàn)轭A(yù)報(bào)切削故障、研究切削機(jī)理、延長刀具壽命、優(yōu)化切削工藝提供數(shù)據(jù)支持，對實(shí)現(xiàn)智能制造具有重要意義和實(shí)際價(jià)值。切削力傳感器是進(jìn)行切削力測量最常用的儀器，國內(nèi)外學(xué)者研制了基于機(jī)械、電感、電容、振動(dòng)、壓電和應(yīng)變等各種原理的切削力傳感器，目前使用最廣泛的是應(yīng)變式切削力傳感器和壓電式切削力傳感器。

近兩年，國內(nèi)外學(xué)者開始進(jìn)行新型切削力傳感器的研究，通過將小型壓電力傳感器、表面聲波應(yīng)變傳感器、合金薄膜電阻應(yīng)變計(jì)等測量單元集成到常用數(shù)控車刀上進(jìn)行切削力的測量。這類新型切削力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的特點(diǎn)，可以直接在機(jī)床上安裝使用而不影響機(jī)床原有加工性能。然而，在新型切削力傳感器的研究中還存在以下問題亟待解決：(1)需要對原數(shù)控刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步加工和改造，預(yù)留封裝小型壓電傳感器等測量單元的凹槽，不同的數(shù)控刀具需要進(jìn)行不同的改造和封裝，通用性不強(qiáng)；(2)為了避免切削熱對測量單元測量精度的影響，往往在遠(yuǎn)離刀尖切削位置的地方布置表面聲波應(yīng)變傳感器等測量單元，無法直接有效地進(jìn)行切削力測量。因此，設(shè)計(jì)和研發(fā)具有兼容性好、通用性強(qiáng)、測量精度高和成本合理的新型切削力測量裝置具有重要的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于錳銅合金微納敏感單元的切削力測量裝置，具有兼容性好、通用性強(qiáng)、測量精度高的優(yōu)點(diǎn)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種基于錳銅合金微納敏感單元的切削力測量裝置，包括刀桿9，刀桿9的前端從上向下依次裝有刀片3、切削力測量單元5、刀墊4，刀片3、切削力測量單元5、刀墊4通過壓板2及刀片緊固螺釘1固定在刀桿9上，切削力測量單元5的信號(hào)輸出端和信號(hào)處理電路8的信號(hào)輸入端連接，信號(hào)處理電路8的信號(hào)輸出端和信號(hào)采集設(shè)備12的信號(hào)輸入端連接，信號(hào)采集設(shè)備12的信號(hào)輸出端和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析系統(tǒng)13的信號(hào)輸入端連接；

所述的切削力測量單元5的形狀、尺寸與刀片3、刀墊4匹配，在切削力測量單元5的中間有一個(gè)圓柱狀通孔14；切削力測量單元5為三明治結(jié)構(gòu)，分別為上、下氧化鋁絕緣層15和中間器件層16，中間器件層16的內(nèi)部集成有基于錳銅合金材料的敏感電阻17，銅電極18以及引線電路19的一端與基于錳銅合金材料的敏感電阻17連通，另一端與切削力測量單元5側(cè)面的金屬焊盤20連通，從而使基于錳銅合金材料的敏感電阻17與信號(hào)處理電路8中的固定電阻連接構(gòu)成惠斯通測量電橋。

所述的刀桿9在靠近前端的四個(gè)側(cè)面分別加工有帶臺(tái)階的信號(hào)處理電路封裝槽6，信號(hào)處理電路8安裝在信號(hào)處理電路封裝槽6內(nèi)，其上層和下層分別為硅膠層24，通過真空蒸鍍的方法在上層硅膠的表面制作一層金屬鋁膜25；電路封裝蓋板7以過盈配合的方式與信號(hào)處理電路封裝槽6進(jìn)行裝配，將信號(hào)處理電路8與外界干擾隔離。

所述的刀桿9內(nèi)部加工有導(dǎo)線通孔10，導(dǎo)線通孔10的末端加工出內(nèi)螺紋21，內(nèi)螺紋21與蛇皮管11一端連接，切削力測量單元5、信號(hào)處理電路8的信號(hào)均通過安裝在導(dǎo)線通孔10內(nèi)的導(dǎo)線22進(jìn)行傳輸。

所述的信號(hào)處理電路8制作成獨(dú)立的集成電路形式，內(nèi)部包含用于組成惠斯通測量電橋的固定電阻以及信號(hào)放大和濾波單元，信號(hào)處理電路8對測量到的切削力信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前的預(yù)處理，將測量電路輸出信號(hào)調(diào)整為符合工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的4-20ma或者1-5v直流模擬信號(hào)。

連接切削力測量單元5、信號(hào)處理電路8、信號(hào)采集設(shè)備12以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析系統(tǒng)13的導(dǎo)線22均采用具有電磁屏蔽功能的工業(yè)屏蔽電纜線。

所述的切削力測量單元5采用mems技術(shù)進(jìn)行加工，工藝步驟包括：勻膠——光刻——顯影——濺射——?jiǎng)冸x——清洗，具體為：①將勻膠機(jī)設(shè)置成高速1500轉(zhuǎn)每分鐘，在作為基片的氧化鋁絕緣層15上勻一層epg535光刻膠23；②利用掩膜版上設(shè)計(jì)的圖案進(jìn)行光刻，將敏感電阻的形狀大小轉(zhuǎn)移到光刻膠23上；③用溶液顯影，然后清洗烘干；④用磁控濺射機(jī)濺射錳銅材料形成敏感電阻17；⑤用丙酮浸泡剝離，然后清洗烘干；⑥同上述步驟，利用掩膜版上敏感元件的圖形光刻，濺射獲得所需結(jié)構(gòu)尺寸的銅電極18和引線電路19；⑦用丙酮浸泡剝離，然后清洗烘干，獲得銅電極18和引線電路19；⑧最后在基于錳銅材料的敏感電阻17、銅電極18和引線電路19的表面通過蒸鍍的方法制作一層氧化鋁絕緣層15。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、目前的切削力傳感器以刀架式結(jié)構(gòu)為主，傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，使用時(shí)需要先拆除機(jī)床原有刀架再安裝傳感器，不僅兼容性差、不便于使用，而且影響機(jī)床本身的性能，包括裝配精度、總體剛度等。本發(fā)明采用“刀具即傳感”的創(chuàng)新理念，刀具既是加工工具，也是測量工具，不影響機(jī)床系統(tǒng)的總體剛度；將切削力測量單元設(shè)計(jì)成模塊化零件，直接安裝在刀片和刀墊之間，無需對原來車刀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改和二次加工，具有良好的設(shè)備兼容性和互換性；與現(xiàn)有切削力傳感器或者其他切削力測量裝置相比，使用簡單方便、安全可靠、成本合理，無需對原有機(jī)床結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)進(jìn)行改變，符合工業(yè)應(yīng)用的要求，具有明顯的進(jìn)步。

2、切削區(qū)域高溫、高壓的惡劣環(huán)境是困擾切削力直接測量的難題，現(xiàn)有的切削力傳感器主要通過在遠(yuǎn)離切削區(qū)域布置測量單元間接測量切削力，增加了測量中間環(huán)節(jié)，不利于提高傳感器的響應(yīng)速度和測量精度。本發(fā)明采用錳銅合金作為測力單元敏感電阻材料，通過mems加工工藝和集成化封裝技術(shù)，研制了基于錳銅合金的切削力測量單元，切削力測量單元具有精度好、靈敏度高和響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠在高溫、高壓環(huán)境中正常工作；通過將切削力測量單元安裝在刀片和刀墊之間，直接感受來自刀片切削區(qū)域產(chǎn)生的切削力，測量結(jié)果更加直接、準(zhǔn)確和有效。

3、應(yīng)變式切削力傳感器通常將切削力轉(zhuǎn)換為彈性元件的變形，再通過應(yīng)變片測量彈性元件的變形實(shí)現(xiàn)切削力的測量。彈性元件的存在導(dǎo)致傳感器的靈敏度和剛度之間相互矛盾，難以同時(shí)獲得較高的剛度和靈敏度。本發(fā)明摒棄了傳統(tǒng)應(yīng)變式切削力傳感器借助彈性元件進(jìn)行切削力測量的方法，通過mems技術(shù)研制具有響應(yīng)快、靈敏度高和測量頻帶寬的基于錳銅合金的切削力測量單元；將所研制的切削力測量單元與刀具集成封裝，在不改變刀具原有結(jié)構(gòu)的情況下既獲得了很高的剛度，又具有較高的測量靈敏度；因此解決了傳感器靈敏度和剛度相互矛盾的技術(shù)難題，所研制的切削力測量裝置具有精度高、動(dòng)態(tài)特性好的優(yōu)點(diǎn)，尤其滿足精密切削過程中對微小、高頻切削力測量的需求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明信號(hào)處理電路在刀桿表面封裝槽內(nèi)的封裝示意圖。

圖3是本發(fā)明基于錳銅合金材料的切削力測量單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明基于錳銅合金材料的切削力測量單元加工工藝流程圖。

圖5(a)是本發(fā)明惠斯通測量電橋組成示意圖；圖5(b)是本發(fā)明信號(hào)處理電路的原理示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

參照圖1，一種基于錳銅合金微納敏感單元的切削力測量裝置，包括刀桿9，刀桿9的前端從上向下依次裝有刀片3、切削力測量單元5、刀墊4，刀片3、切削力測量單元5、刀墊4通過壓板2及刀片緊固螺釘1固定在刀桿9上，切削力測量單元5的信號(hào)輸出端和信號(hào)處理電路8的信號(hào)輸入端連接，信號(hào)處理電路8的信號(hào)輸出端和信號(hào)采集設(shè)備12的信號(hào)輸入端連接，信號(hào)采集設(shè)備12的信號(hào)輸出端和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析系統(tǒng)13的信號(hào)輸入端連接。

參照圖1和圖2，所述的刀桿9在靠近前端的四個(gè)側(cè)面分別加工有帶臺(tái)階的信號(hào)處理電路封裝槽6，信號(hào)處理電路8安裝在信號(hào)處理電路封裝槽6內(nèi)，其上層和下層分別為硅膠層24，起電絕緣作用；為了更好地提高信號(hào)處理電路8對電磁信號(hào)的抗干擾能力以及提高硅膠絕緣層的耐腐蝕能力，通過真空蒸鍍的方法在上層硅膠的表面制作一層金屬鋁膜25；電路封裝蓋板7以過盈配合的方式與信號(hào)處理電路封裝槽6進(jìn)行裝配，將信號(hào)處理電路8與外界干擾隔離。

所述的刀桿9內(nèi)部通過機(jī)械加工的方法加工有導(dǎo)線通孔10，導(dǎo)線通孔10的末端加工出內(nèi)螺紋21，內(nèi)螺紋21與蛇皮管11一端連接，蛇皮管11用于保護(hù)導(dǎo)線22內(nèi)部的信號(hào)傳輸不受外界干擾和破壞；切削力測量單元5、信號(hào)處理電路8的信號(hào)均通過安裝在導(dǎo)線通孔10內(nèi)的導(dǎo)線22進(jìn)行傳輸。

參照圖1和圖3，切削力測量單元5的形狀、尺寸與刀片3、刀墊4匹配，在切削力測量單元5的中間有一個(gè)圓柱狀通孔14，圓柱狀通孔14一方面能夠作為刀片3、切削力測量單元5和刀墊4之間的定位孔，另一方面也能夠通過螺釘將刀片3、切削力測量單元5和刀墊4相互串聯(lián)固定在一起，此外還能夠起到預(yù)緊作用；切削力測量單元5為三明治結(jié)構(gòu)，分別為上、下氧化鋁絕緣層15和中間器件層16；中間器件層16的內(nèi)部集成有基于錳銅合金材料的敏感電阻17，銅電極18以及引線電路19的一端與基于錳銅合金材料的敏感電阻17連通，另一端與切削力測量單元5側(cè)面的金屬焊盤20連通，從而使基于錳銅合金材料的敏感電阻17與信號(hào)處理電路8中的固定電阻連接構(gòu)成惠斯通測量電橋。

所述的信號(hào)處理電路8制作成獨(dú)立的集成電路形式，內(nèi)部包含用于組成惠斯通測量電橋的固定電阻以及信號(hào)放大和濾波單元，信號(hào)處理電路8對測量到的切削力信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集前的預(yù)處理，抑制外界干擾信號(hào)，提高信噪比，將測量電路輸出信號(hào)調(diào)整為符合工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的4-20ma或者1-5v直流模擬信號(hào)。

連接切削力測量單元5、信號(hào)處理電路8、信號(hào)采集設(shè)備12以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析系統(tǒng)13的導(dǎo)線22均采用具有電磁屏蔽功能的工業(yè)屏蔽電纜線，保證切削力信號(hào)在傳輸過程中不受外界干擾信號(hào)的影響。

參照圖4，所述的切削力測量單元5采用mems技術(shù)進(jìn)行加工，工藝步驟包括：勻膠——光刻——顯影——濺射——?jiǎng)冸x——清洗，具體為：①將勻膠機(jī)設(shè)置成高速1500轉(zhuǎn)每分鐘，在作為基片的氧化鋁絕緣層15上勻一層epg535光刻膠23；②利用掩膜版上設(shè)計(jì)的圖案進(jìn)行光刻，將敏感電阻的形狀大小轉(zhuǎn)移到光刻膠23上；③用濃度(1升水，5克粉末)的溶液顯影，然后清洗烘干；④用磁控濺射機(jī)濺射一定厚度的錳銅材料形成敏感電阻17；⑤用丙酮浸泡剝離，然后清洗烘干；⑥同上述步驟，利用掩膜版上敏感元件的圖形光刻，濺射獲得所需結(jié)構(gòu)尺寸的銅電極18和引線電路19；⑦用丙酮浸泡剝離，然后清洗烘干，獲得銅電極18和引線電路19；⑧最后在基于錳銅材料的敏感電阻17、銅電極18和引線電路19的表面通過蒸鍍的方法制作一層氧化鋁絕緣層15。

本發(fā)明的工作原理為：

切削加工過程中，當(dāng)切削力作用于刀片3時(shí)，切削力測量單元5受到來自刀片3的壓力，切削力測量單元5內(nèi)部的基于錳銅合金材料的敏感電阻17受壓變形導(dǎo)致自身電阻值發(fā)生變化，使測量電橋失去平衡，產(chǎn)生與切削力相對應(yīng)的電信號(hào)輸出；該電信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路8進(jìn)行濾波和放大處理，濾除干擾信號(hào)并轉(zhuǎn)換為4-20ma或者1-5v的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，達(dá)到抑制外界干擾信號(hào)并提高信噪比的目的；數(shù)據(jù)采集設(shè)備12對得到的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，得到可以存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)，繼而在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析系統(tǒng)13中進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、運(yùn)算和實(shí)時(shí)顯示。

參照圖5(a)，采用惠斯通測量電橋作為切削力測量電路，其中電阻r1和r2是切削力測量單元5中基于錳銅合金材料制作的敏感電阻17，兩個(gè)固定電阻r來自于信號(hào)處理電路8，并且基于錳銅合金材料制作的敏感電阻17和固定電阻r的初始電阻值均為r0；在切削加工過程中，切削力測量單元5內(nèi)部集成的錳銅合金敏感電阻r1和r2在切削力作用下發(fā)生彈性變形，敏感電阻自身電阻值增大，導(dǎo)致惠斯通測量電橋平衡被破壞，產(chǎn)生與切削力大小相對應(yīng)的輸出信號(hào)；假設(shè)敏感電阻在切削力作用下的電阻值變化量為△r，測量電路的供電電壓為e，則電路輸出信號(hào)u可表示如下：

結(jié)合圖5(b)，傳感器信號(hào)處理電路8中集成有濾波模塊和放大模塊，首先對測量電路的輸出信號(hào)u進(jìn)行抗混疊濾波，避免高頻干擾信號(hào)疊加在有用信號(hào)中；然后對濾波后的信號(hào)進(jìn)行放大，獲得符合工業(yè)使用要求的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。