一種壓阻式旋轉(zhuǎn)二分量銑削力傳感器的制造方法
【專利摘要】一種壓阻式旋轉(zhuǎn)二分量銑削力傳感器，包括主體結(jié)構(gòu)，聯(lián)結(jié)蓋和主要結(jié)構(gòu)中心軸部進行過盈配合，而周邊進行螺紋連接，前端結(jié)構(gòu)和聯(lián)結(jié)蓋之間螺紋連接，前端結(jié)構(gòu)由前部HSK型刀柄頭和后部圓盤連接組成，刀柄頭實現(xiàn)測力傳感器與機床主軸的聯(lián)結(jié)，后部圓盤實現(xiàn)與聯(lián)結(jié)蓋的無縫聯(lián)結(jié)；主體結(jié)構(gòu)一端端頭為薄壁圓筒，另一端為刀具夾持，中部設有支撐圓盤，薄壁圓筒是整個傳感器的彈性元件，具有極高的靈敏度，薄壁圓筒實現(xiàn)傳感器整體結(jié)構(gòu)剛度與靈敏度的融合；支撐圓盤支撐傳感器的各個模塊，刀具夾持安裝刀具；薄壁圓筒上沿著軸向和45度軸向粘貼MEMS硅微力敏芯片，用以測量軸向力Fz和主軸力矩M。具有靈敏度高、抗干擾能力強、通用性強等優(yōu)點。
【專利說明】—種壓阻式旋轉(zhuǎn)二分量銑削力傳感器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及智能裝備制造【技術領域】，特別涉及一種壓阻式旋轉(zhuǎn)二分量銑削力傳感器。
【背景技術】
[0002]高速切削和高速加工具有生產(chǎn)效率高、加工精度好、刀具使用壽命長等優(yōu)點，近年來已經(jīng)在現(xiàn)代精密、超精密加工中占據(jù)了不可或缺的地位。在高速切削和高速加工過程中，刀具所受切削力的大小及切削力的變化趨勢與刀具磨損、破損和耐用度之間存在著明顯的關系，直接影響加工質(zhì)量的好壞。為了對機床的切削力進行監(jiān)測、分析和控制，不同類型的測力儀相繼問世，但是均有不足之處。機械式及液壓式切削測力儀，不能測量真實的切削力；應變式測力儀，靈敏度和剛度的矛盾無法解決；電容、電感式測力儀有抗干擾能力差、靜態(tài)線形誤差大等缺點；近些年問世的壓電測力儀，存在著不能測量靜態(tài)力、力點位置誤差大、價格昂貴等一系列不足之處。
[0003]近年來，利用MEMS技術研制的硅微力敏芯片已經(jīng)進入人們的視線。MEMS硅微力敏芯片的顯著特點是體積極其微小，重量輕，工作可靠，批量生產(chǎn)成本低。基于硅的壓阻效應制造的力敏芯片將在保留應變式切削力傳感器優(yōu)點的同時，還將進一步減小體積、提聞系統(tǒng)的集成度。因此只要合理的選擇彈性體的結(jié)構(gòu)和測力方式，有效地平衡剛度和靈敏度之間的矛盾，就可以有效地提高壓阻式測力儀的測量精度和動態(tài)特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種壓阻式旋轉(zhuǎn)二分量銑削力傳感器，具有靈敏度高、抗干擾能力強、通用性強的優(yōu)點。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為:
[0006]一種壓阻式旋轉(zhuǎn)二分量銑削力傳感器，包括主體結(jié)構(gòu)3，聯(lián)結(jié)蓋2和主體結(jié)構(gòu)3中心軸部進行過盈配合，而周邊進行螺紋連接，前端結(jié)構(gòu)I和聯(lián)結(jié)蓋2之間螺紋連接；
[0007]所述的前端結(jié)構(gòu)1，由前部HSK型刀柄頭Ia和后部圓盤Ib連接組成，刀柄頭Ia實現(xiàn)測力傳感器與機床主軸的聯(lián)結(jié)，后部圓盤Ib實現(xiàn)與聯(lián)結(jié)蓋2的無縫聯(lián)結(jié)；
[0008]所述的主體結(jié)構(gòu)3，其一端端頭為薄壁圓筒3a，另一端為刀具夾持3c，中部設有支撐圓盤3b，薄壁圓筒3a是整個傳感器的彈性元件，具有極高的靈敏度，薄壁圓筒3a實現(xiàn)傳感器整體結(jié)構(gòu)剛度與靈敏度的融合；支撐圓盤3b支撐傳感器的各個模塊，刀具夾持3c安裝刀具；薄壁圓筒3a上沿著軸向和45度軸向粘貼MEMS硅微力敏芯片4，用以測量軸向力Fz和主軸力矩M。
[0009]所述的薄壁圓筒3a長8mm,厚1.5mm,中徑35mm。
[0010]所述的支撐圓盤3b外徑150mm,內(nèi)徑40mm。
[0011]所述的MEMS硅微力敏芯片4，是利用硅材料的壓阻效應制成，在(100)晶面的
[110]晶向和[110 ]晶向各制作兩個電阻條，四個電阻條在芯片內(nèi)部集成惠斯通全橋電路，將微弱的電阻變化轉(zhuǎn)換成易于識別的電壓信號。
[0012]與現(xiàn)有技術相比本發(fā)明的優(yōu)點在于:采用薄壁圓筒3a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。前部刀柄頭Ia采用HAK-A系列刀柄接口，保證了傳感器與高速旋轉(zhuǎn)主軸的通用聯(lián)結(jié)。刀具夾持3c可以根據(jù)實際需求安裝不同的刀具。整體結(jié)構(gòu)采用組合封裝的模式，既保證了傳感器的廣泛通用性，又可實現(xiàn)隨時拆卸、組裝和更換部件。同時采用MEMS硅微力敏芯片，具有靈敏度高、可靠性高以及可大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點。本發(fā)明既可測量靜態(tài)力，又適用于動態(tài)力的在線實時測量，具有高靈敏度、剛度好、通用性強、成本低、維護簡單等優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)半剖示意圖。
[0015]圖3為本發(fā)明傳感器各結(jié)構(gòu)分解示意圖。
[0016]圖4為本發(fā)明薄壁圓筒3a外表面分析單元示意圖。
[0017]圖5為本發(fā)明薄壁圓筒3a上粘貼MEMS硅微力敏芯片示意圖。
[0018]圖6為本發(fā)明MEMS硅微力敏芯片版圖結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖7為本發(fā)明MEMS硅微力敏芯片內(nèi)部集成惠斯通全橋示意圖。
【具體實施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與工作原理詳細說明。
[0021]參照圖1、圖2，一種壓阻式旋轉(zhuǎn)二分量銑削力傳感器，包括傳感器主體結(jié)構(gòu)3，聯(lián)結(jié)蓋2和主體結(jié)構(gòu)3中心軸部進行過盈配合，而周邊進行螺紋連接，前端結(jié)構(gòu)I和聯(lián)結(jié)蓋2之間通過螺釘進行螺紋連接，整體結(jié)構(gòu)組成一個既能聯(lián)結(jié)主軸、安裝刀具，又能實時監(jiān)測高速旋轉(zhuǎn)銑削力的測力刀柄。
[0022]參見圖3，所述的前端結(jié)構(gòu)1，由前部HSK型刀柄頭Ia和后部圓盤Ib連接組成，刀柄頭Ia實現(xiàn)測力傳感器與機床主軸的聯(lián)結(jié)，具有廣泛的通用性，后部圓盤Ib實現(xiàn)與聯(lián)結(jié)蓋2的無縫聯(lián)結(jié)，保障了整體結(jié)構(gòu)的剛度和同軸度。
[0023]參見圖3，所述的聯(lián)結(jié)蓋2，其端部2a實現(xiàn)了與前端結(jié)構(gòu)I的后部圓盤Ib螺紋連接，其端部2b又實現(xiàn)了與主體結(jié)構(gòu)3的過盈配合和螺紋連接，同時具有保護主體結(jié)構(gòu)3中傳感器芯片的作用。
[0024]參見圖3，所述的主體結(jié)構(gòu)3，其一端端頭為薄壁圓筒3a，另一端為刀具夾持3c，中部設有支撐圓盤3b，薄壁圓筒3a是整個傳感器的彈性元件，具有極高的靈敏度，薄壁圓筒3a實現(xiàn)傳感器整體結(jié)構(gòu)剛度與靈敏度的融合；支撐圓盤3b支撐傳感器的各個模塊，實現(xiàn)應力應變信號的無線傳輸；刀具夾持3c安裝刀具，保證了廣泛通用性。
[0025]所述的薄壁圓筒3a長8mm,厚1.5mm,中徑35mm。
[0026]所述的支撐圓盤3b外徑150mm,內(nèi)徑40mm。
[0027]參見圖5，所述的薄壁圓筒3a上沿著軸向和45度軸向粘貼MEMS硅微力敏芯片4，用以測量軸向力Fz和主軸力矩M，沿著軸向粘貼的MEMS硅微力敏芯片主要為了測量軸向力Fz引起的正應力，而沿著45度軸向的MEMS硅微力敏芯片主要是為了測量主軸力矩M引起的切應力。薄壁圓筒3a厚度薄，保證了測量靈敏度；長度短，則不影響整體結(jié)構(gòu)的剛度，解決了靈敏度與剛度之間的矛盾。
[0028]參見圖6和圖7，所述的MEMS硅微力敏芯片4，是利用硅材料的壓阻效應制成，根據(jù)(100)晶面內(nèi)單晶硅優(yōu)良的力學和電學特性，采用MEMS技術和集成電路工藝，在[110]晶
向和[110 ]晶向各制作兩個電阻條，四個電阻條在芯片內(nèi)部集成惠斯通全橋電路，將微弱
的電阻變化轉(zhuǎn)換成易于識別的電壓信號，具有靈敏度高、可靠性高以及可大規(guī)模生產(chǎn)等諸多優(yōu)點。
[0029]本發(fā)明的工作原理為:
[0030]使用時，參見圖1，將整體傳感器的前端部分I與機床主軸聯(lián)結(jié)，保證測力傳感器與機床主軸的同步轉(zhuǎn)動。聯(lián)結(jié)蓋2將前端結(jié)構(gòu)I和主要結(jié)構(gòu)3連接為一個整體，隨機床主軸一起高速旋轉(zhuǎn)，具有良好的剛度和同軸度。主要結(jié)構(gòu)3上裝卡刀具，保證正常切削的完成。
[0031]參見圖5，刀具在高速旋轉(zhuǎn)時，同時承受軸向力Fz和主軸力矩M作用，是一個受壓扭組合變形的構(gòu)件。為實現(xiàn)軸向力Fz和主軸力矩M的測量，應分別測得在軸向力Fz和主軸力矩M作用下的應變。
[0032]參見圖4，取薄壁圓筒3a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El和E2。單元體El只受主軸力矩M作用產(chǎn)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。
[0033]
【權(quán)利要求】
1.一種壓阻式旋轉(zhuǎn)二分量銑削力傳感器，包括主體結(jié)構(gòu)(3)，其特征在于:聯(lián)結(jié)蓋(2)和主體結(jié)構(gòu)(3)中心軸部進行過盈配合，而周邊進行螺紋連接，前端結(jié)構(gòu)(I)和聯(lián)結(jié)蓋(2)之間螺紋連接； 所述的前端結(jié)構(gòu)(1)，由前部HSK型刀柄頭(Ia)和后部圓盤(Ib)連接組成，刀柄頭(Ia)實現(xiàn)測力傳感器與機床主軸的聯(lián)結(jié)，后部圓盤(Ib)實現(xiàn)與聯(lián)結(jié)蓋(2)的無縫聯(lián)結(jié)； 所述的主體結(jié)構(gòu)(3)，其一端端頭為薄壁圓筒(3a)，另一端為刀具夾持(3c)，中部設有支撐圓盤(3b)，薄壁圓筒(3a)是整個傳感器的彈性元件，支撐圓盤(3b)支撐傳感器的各個模塊，刀具夾持(3c)安裝刀具；薄壁圓筒(3a)上沿著軸向和45度軸向粘貼MEMS硅微力敏芯片(4)，用以測量軸向力Fz和主軸力矩M。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓阻式旋轉(zhuǎn)二分量銑削力傳感器，其特征在于:所述的薄壁圓筒(3a)長8mm,厚1.5mm,中徑35mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓阻式旋轉(zhuǎn)二分量銑削力傳感器，其特征在于:所述的支撐圓盤(3b)外徑150mm,內(nèi)徑40mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種壓阻式旋轉(zhuǎn)二分量銑削力傳感器，其特征在于:所述的MEMS硅微力敏芯片(4)，是利用硅材料的壓阻效應制成，在(100)晶面的[110]晶向和[110 I晶向各制作兩個電阻條，四個電阻條在芯片內(nèi)部集成惠斯通全橋電路，將微弱的電阻變化轉(zhuǎn)換成易于識別的電壓信號。
【文檔編號】G01L1/18GK103743502SQ201310675116
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月11日
【發(fā)明者】趙玉龍, 高欣浩 申請人:西安交通大學