一種壓阻式集成化三維車削力傳感器的制造方法
【專利摘要】一種壓阻式集成化三維車削力傳感器，車刀安裝在傳感器主體結(jié)構(gòu)的頭部車刀插槽內(nèi)，傳感器主體結(jié)構(gòu)的中部上下面分別設(shè)有第一豎直八角半環(huán)和第二豎直八角半環(huán)，傳感器主體結(jié)構(gòu)的中部前后兩個(gè)側(cè)面分別連接第一水平八角半環(huán)和第二水平八角半環(huán)，傳感器主體結(jié)構(gòu)的尾部為傳感器柄，八角半環(huán)外表面封裝有MEMS硅微力敏芯片，采用兩個(gè)互相垂直的八角環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了三維車削力的獨(dú)立測量，減小了各向力之間的相互影響和耦合，采用MEMS硅微力敏芯片，不僅芯片的測量精度和靈敏度大大提高，僅需要在一處封裝MEMS硅微力敏芯片就可以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)力、應(yīng)變的測量，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)三維車削力的精確測量，不僅可以測量動(dòng)態(tài)力，也適用于測量靜態(tài)力。
【專利說明】一種壓阻式集成化三維車削力傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及智能制造裝備【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種壓阻式集成化三維車削力傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]在金屬切削加工中，車削加工是最常見的加工方法之一。車削力是反映車削過程的重要指標(biāo)，車削力的大小和車削過程變化密切相關(guān)，車削狀態(tài)的每個(gè)微小變化都能通過車削力的變化反映出來。車削力大小與刀具磨損、加工精度、車削溫度、功率消耗等有著密切關(guān)系，因此如何精確測量車削力對提高加工性能非常重要。
[0003]傳統(tǒng)的車削力測力儀主要有電阻應(yīng)變式、壓電式、電流式、光纖式、電容式等類型，但是電阻應(yīng)變式測力儀存在靈敏度和剛度的矛盾；壓電式測力儀由于電荷泄漏而不能測試靜態(tài)力、固有頻率的提高受裝配接觸剛度的限制、維護(hù)極不方便、價(jià)格昂貴；電流式測力儀測量精度不高，并且由于電流遲滯導(dǎo)致無法滿足對車削力實(shí)時(shí)監(jiān)測的較高要求；光纖式和電容式傳感器易受外界振動(dòng)和溫度變化的影響而無法準(zhǔn)確測量。
[0004]近年來隨著各種微納傳感器的發(fā)展，針對車床加工刀具切削過程中切削質(zhì)量控制、刀具壽命預(yù)測以及智能加工需求，研發(fā)用于刀具切削等過程檢測控制的體積小、功耗低、性能優(yōu)良的微納傳感器顯得尤為迫切和必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種壓阻式集成化三維車削力傳感器，用MEMS硅微力敏芯片捕捉彈性體表面應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)三維車削力的精確測量。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種壓阻式集成化三維車削力傳感器，包括傳感器主體結(jié)構(gòu)7，車刀I安裝在傳感器主體結(jié)構(gòu)7的頭部車刀插槽8內(nèi)，傳感器主體結(jié)構(gòu)7的中部上下面分別設(shè)有第一豎直八角半環(huán)4和第二豎直八角半環(huán)5，第一豎直八角半環(huán)4、第二豎直八角半環(huán)5形成豎直方向八角環(huán)，作為豎直方向的彈性體結(jié)構(gòu)，傳感器主體結(jié)構(gòu)7的中部前后兩個(gè)側(cè)面分別連接第一水平八角半環(huán)2和第二水平八角半環(huán)3，第一水平八角半環(huán)2和第二水平八角半環(huán)3形成水平方向八角環(huán)，作為水平方向的彈性體結(jié)構(gòu)，傳感器主體結(jié)構(gòu)7的尾部為傳感器柄，傳感器柄是截面為矩形的長方體條，在第一豎直八角半環(huán)4、第二豎直八角半環(huán)5、第一水平八角半環(huán)2和第二水平八角半環(huán)3外表面分別封裝有MEMS硅微力敏芯片6。
[0008]所述的車刀插槽8是截面為方形的空心插槽，在車刀插槽8側(cè)面中部開有螺紋孔9。
[0009]所述MEMS硅微力敏芯片6是由MEMS技術(shù)制作的應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)換元件，芯片內(nèi)部集成壓阻惠斯頓全橋電路。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:首先，本發(fā)明根據(jù)八角環(huán)受力變形的特點(diǎn)，采用兩個(gè)互相垂直的八角環(huán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了三維車削力的獨(dú)立測量，減小了各向力之間的相互影響和耦合；相比于傳統(tǒng)的金屬應(yīng)變片式車削力傳感器，采用MEMS硅微力敏芯片，不僅芯片的測量精度和靈敏度大大提高，而且每一片MEMS硅微力敏芯片上都集成了惠斯頓全橋電路，僅需要在一處封裝MEMS硅微力敏芯片就可以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)力、應(yīng)變的測量，傳統(tǒng)金屬應(yīng)變片式傳感器需要在四個(gè)特定部位分別粘貼金屬應(yīng)變片以組成惠斯頓電橋，容易引入耦合和誤差；相比于壓電式車削力傳感器只能測量動(dòng)態(tài)力的缺陷，本發(fā)明不僅可以測量動(dòng)態(tài)力，也適用于測量靜態(tài)力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2為本發(fā)明傳感器主體結(jié)構(gòu)7的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖3為本發(fā)明水平八角半環(huán)的示意圖。
[0014]圖4為本發(fā)明在車床刀架上的安裝示意圖。
[0015]圖5為本發(fā)明受力示意圖。
[0016]圖6為本發(fā)明水平八角環(huán)受力分析示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0018]參照圖1、圖2和圖3，一種壓阻式集成化三維車削力傳感器，包括傳感器主體結(jié)構(gòu)7，車刀I安裝在傳感器主體結(jié)構(gòu)7的頭部車刀插槽8內(nèi)，并通過螺栓固定車刀1，傳感器主體結(jié)構(gòu)7的中部上下面分別設(shè)有第一豎直八角半環(huán)4和第二豎直八角半環(huán)5，第一豎直八角半環(huán)4、第二垂直八角半環(huán)5形成垂直方向八角環(huán)，作為豎直方向的彈性體結(jié)構(gòu)；傳感器主體結(jié)構(gòu)7的中部前后兩個(gè)側(cè)面分別連接第一水平八角半環(huán)2和第二水平八角半環(huán)3，第一水平八角半環(huán)2和第二水平八角半環(huán)3形成水平方向八角環(huán)，作為水平方向的彈性體結(jié)構(gòu)，感器主體結(jié)構(gòu)7的尾部為傳感器柄，傳感器柄是截面為矩形的長方體條，用于將該傳感器固定在車床刀架10上，在第一豎直八角半環(huán)4、第二豎直八角半環(huán)5、第一水平八角半環(huán)2和第二水平八角半環(huán)3外表面分別封裝有MEMS硅微力敏芯片6，從而構(gòu)成車削力傳感器。
[0019]參照圖2，所述的車刀插槽8是截面為方形、具有一定厚度的空心插槽，用于插入車刀1，在車刀插槽8側(cè)面開有螺紋孔9，用于插入螺栓并固定車刀I。
[0020]所述MEMS硅微力敏芯片6是由MEMS技術(shù)制作的應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)換元件，芯片內(nèi)部集成壓阻惠斯頓全橋電路。
[0021]本發(fā)明的工作原理為:
[0022]使用時(shí)，參照圖4，將感器主體結(jié)構(gòu)7的尾部傳感器柄固定在車床刀架10上，電動(dòng)機(jī)11帶動(dòng)刀架轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)換刀功能。
[0023]參照圖5，硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位車刀I在車削過程中受到車削力可分解為三個(gè)互相垂直的作用力，分別是主車削力FC，進(jìn)給力Ff和吃刀抗力Fp。其中主車削力FC引起的變形主要體現(xiàn)在第一豎直八角半環(huán)4、第二豎直八角半環(huán)5上，進(jìn)給力Ff引起的變形主要體現(xiàn)在第一水平八角半環(huán)2、第二水平八角半環(huán)3上，吃刀抗力Fp引起的變形分別體現(xiàn)在第一豎直八角半環(huán)4、第二豎直八角半環(huán)5和第一水平八角半環(huán)2、第二水平八角半環(huán)3上。[0024]參照圖6，第一水平八角半環(huán)2、第二水平八角半環(huán)3組成的水平八角環(huán)的一端固定，另一端受到進(jìn)給力Ff和吃刀抗力Fp的作用，圖中t表示八角環(huán)厚度，r表示八角環(huán)平均半徑。由于八角環(huán)結(jié)構(gòu)對稱，并且結(jié)構(gòu)類似于圓環(huán)，因此采用圓環(huán)分析方法取右邊半環(huán)進(jìn)行分析，則任意截面上的彎矩為:
[0025]
【權(quán)利要求】
1.一種壓阻式集成化三維車削力傳感器，包括傳感器主體結(jié)構(gòu)(7)，其特征在于:車刀(I)安裝在傳感器主體結(jié)構(gòu)(7)的頭部車刀插槽(8)內(nèi)，傳感器主體結(jié)構(gòu)(7)的中部上下面分別設(shè)有第一豎直八角半環(huán)(4)和第二豎直八角半環(huán)(5)，第一豎直八角半環(huán)(4)、第二豎直八角半環(huán)(5)形成豎直方向八角環(huán)，作為豎直方向的彈性體結(jié)構(gòu)，傳感器主體結(jié)構(gòu)(7)的中部前后兩個(gè)側(cè)面分別連接第一水平八角半環(huán)(2)和第二水平八角半環(huán)(3)，第一水平八角半環(huán)(2)和第二水平八角半環(huán)(3)形成水平方向八角環(huán)，作為水平方向的彈性體結(jié)構(gòu)，傳感器主體結(jié)構(gòu)(7)的尾部為傳感器柄，傳感器柄是截面為矩形的長方體條，在第一豎直八角半環(huán)(4)、第二豎直八角半環(huán)(5)、第一水平八角半環(huán)(2)和第二水平八角半環(huán)(3)外表面分別封裝有MEMS硅微力敏芯片(6)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓阻式集成化三維車削力傳感器，其特征在于:所述的車刀插槽(8)是截面為方形的空心插槽，在車刀插槽(8)側(cè)面中部開有螺紋孔(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓阻式集成化三維車削力傳感器，其特征在于:所述MEMS硅微力敏芯片(6)是由MEMS技術(shù)制作的應(yīng)力應(yīng)變轉(zhuǎn)換元件，芯片內(nèi)部集成壓阻惠斯頓全橋電路。
【文檔編號(hào)】G01L1/18GK103551921SQ201310473528
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月10日
【發(fā)明者】趙玉龍, 趙友 申請人:西安交通大學(xué)