本發(fā)明涉及傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種具有三向微小高頻切削力信號(hào)測(cè)量能力的傳感器。

背景技術(shù)：

切削力是描述切削進(jìn)程的重要參數(shù)，對(duì)切削熱的產(chǎn)生、切屑形成、刀具表面磨損、加工表面質(zhì)量等方面有密切關(guān)系。把握切削力的變化規(guī)律，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)切削力數(shù)值與頻率特性是計(jì)算切削功率，制定切削用量和工藝裝備的主要根據(jù)，對(duì)優(yōu)化切削參數(shù)、提高生產(chǎn)率、抑制震顫、處理切削加工中問(wèn)題等具有重大意義，因而對(duì)切削力變化規(guī)律的探討有助于分析切削過(guò)程，對(duì)生產(chǎn)實(shí)際有重要指導(dǎo)作用。測(cè)力儀直接試驗(yàn)測(cè)量是反映加工中切削力動(dòng)態(tài)變化的最簡(jiǎn)單方便并且使用可靠的方法。

但現(xiàn)有的具有三向微小高頻切削力信號(hào)測(cè)量能力的傳感器，使用的傳感元件存在動(dòng)態(tài)測(cè)量精度差，這樣工作人員就需要反復(fù)測(cè)量，工作程度大，且成本較高，給人們帶來(lái)了財(cái)產(chǎn)負(fù)擔(dān)，所以很多人選擇丟棄，同時(shí)加大了環(huán)境保護(hù)的壓力，給人們提供的幫助較少。

所以，如何設(shè)計(jì)一種具有三向微小高頻切削力信號(hào)測(cè)量能力的傳感器，成為我們當(dāng)前要解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種可用于三向微小高頻切削力信號(hào)測(cè)量的低成本壓電傳感器，以解決在高速切削加工過(guò)程中切削力測(cè)量?jī)x器存在的固有頻率低、加工工藝性差、成本高等問(wèn)題。

本發(fā)明中的機(jī)械結(jié)構(gòu)是基于應(yīng)變集中原則并考慮各向切削力分量的解耦進(jìn)行設(shè)計(jì)的，是本發(fā)明的關(guān)鍵。本發(fā)明采用pvdf壓電薄膜作為傳感元件，將其固定在所設(shè)計(jì)的具有應(yīng)變集中的機(jī)械結(jié)構(gòu)上的彈性敏感區(qū)域上，組成本發(fā)明的切削力信號(hào)傳感器。結(jié)合電荷放大器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高速切削加工過(guò)程中對(duì)切削力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

本發(fā)明通過(guò)四組相同應(yīng)變傳感單元對(duì)在三向切削力作用下產(chǎn)生的相應(yīng)應(yīng)變或位移等物理量進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)對(duì)所測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定和解偶，不但可以實(shí)現(xiàn)三向切削力fx，fy和fz的準(zhǔn)確求解，而且還可實(shí)現(xiàn)對(duì)三向力矩mx，my和mz進(jìn)行求解。本發(fā)明可滿足超精密加工過(guò)程切削過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、大表面質(zhì)量一致性加工控制、恒力切削、自適應(yīng)智能加工以及超精密切削機(jī)理分析、工藝參數(shù)分析、精密刀具設(shè)計(jì)等工程和科研領(lǐng)域的需要。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明設(shè)計(jì)的傳感器可測(cè)量頻率達(dá)2khz，范圍在0.1～200n的力學(xué)信號(hào)，其在小于1n的微小力信號(hào)方面的測(cè)量分辨率也很高。該種具有三向微小高頻切削力信號(hào)測(cè)量能力的傳感器，在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)應(yīng)變集中效果，解決了現(xiàn)有電阻式切削測(cè)力儀存在的固有頻率低與壓電式測(cè)力儀存在的加工工藝性差等問(wèn)題。在傳感元件上選擇pvdf壓電薄膜，解決了現(xiàn)有電阻式切削測(cè)力儀存在的動(dòng)態(tài)測(cè)量精度差與壓電式測(cè)力儀存在的成本高等問(wèn)題。裝置本體有集成信號(hào)處理與采集裝置，通過(guò)解耦可實(shí)現(xiàn)三向切削力和三向切削力矩的實(shí)時(shí)測(cè)量，能很好地滿足高速切削加工時(shí)對(duì)切削過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)需求，所以具有三向微小高頻切削力信號(hào)測(cè)量能力的傳感器具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的測(cè)力平臺(tái)整體示意圖；

圖2是本發(fā)明的測(cè)力儀主體局部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的上蓋局部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的傳感元件局部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1-測(cè)力儀主體；2-主體彈性薄片；3-裝夾孔；4-底座；5-傳感元件；6-連接螺栓；7-上蓋；8-凸臺(tái)；9-凹槽；10-銅導(dǎo)線。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

請(qǐng)參閱圖1-4，本發(fā)明提供一種技術(shù)方案：一種具有三向微小高頻切削力信號(hào)測(cè)量能力的傳感器，包括測(cè)力儀主體1和上蓋7，所述測(cè)力儀主體1的內(nèi)部設(shè)有并聯(lián)式應(yīng)變集中結(jié)構(gòu)，其應(yīng)變?cè)趶椥员∑?處放大，所述測(cè)力儀主體1的底部包括底座4，所述底座4上設(shè)有裝夾孔3，所述上蓋7與所述測(cè)力儀主體1通過(guò)螺栓6連接，所述上蓋7中部設(shè)有凸臺(tái)8，凸臺(tái)8可用于增大測(cè)量靈敏度，所述上蓋7頂部邊緣設(shè)有凹槽9，傳感元件5粘貼附于所述測(cè)力儀主體1的彈性薄片2和所述上蓋7的凹槽9處，所述傳感元件5的右側(cè)設(shè)有銅導(dǎo)線10，且所述銅導(dǎo)線10與電荷放大、數(shù)據(jù)采集顯示裝置相連，且數(shù)據(jù)采集顯示裝置帶有解耦效果。

測(cè)力儀主體1的彈性敏感區(qū)利用并聯(lián)式應(yīng)變集中結(jié)構(gòu)方案，實(shí)現(xiàn)x、y兩向切削力信號(hào)測(cè)量；上蓋的彈性敏感區(qū)利用截面突變結(jié)構(gòu)方案，實(shí)現(xiàn)z向切削力信號(hào)測(cè)量。

壓電傳感元件5固定在主體1與上蓋7的各向彈性敏感區(qū)，所述的各向切削力彈性敏感區(qū)可固定四個(gè)壓電傳感器，確保測(cè)量準(zhǔn)確性并助于求解各向力矩信號(hào)。傳感元件5為pvdf壓電薄膜傳感器，傳感元件5粘貼附于測(cè)力儀主體1的彈性薄片2和上蓋7的彈性薄片9上。

工作原理：該種具有三向微小高頻切削力信號(hào)測(cè)量能力的傳感器，首先將測(cè)力儀主體1放在合適的地方，裝夾孔3會(huì)幫助其安裝在機(jī)床上，有利于主體1的穩(wěn)定，接著將上蓋7通過(guò)螺栓6與主體1連接，然后將傳感元件5的一端固定在主體1的彈性薄片2和上蓋7的凹槽9上，再將銅導(dǎo)線10連接所需設(shè)備，把刀具放在凸臺(tái)8上，便于刀具移動(dòng)，有利于測(cè)量的準(zhǔn)確性，當(dāng)使用者對(duì)刀具施加力時(shí)，上蓋與測(cè)力儀主體在力作用下產(chǎn)生變形，其中各向應(yīng)變敏感區(qū)2和9集中了大部分應(yīng)變，產(chǎn)生較大變形。壓電傳感元件5在應(yīng)變作用下產(chǎn)生電荷信號(hào)，經(jīng)過(guò)電荷放大器轉(zhuǎn)換、放大后變?yōu)榭刹杉妷盒盘?hào)，通過(guò)解耦處理得到三向切削力fx，fy和fz信號(hào)及三向力矩mx，my和mz信號(hào)。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同物限定。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有三向微小高頻切削力信號(hào)測(cè)量能力的傳感器，包括測(cè)力平臺(tái)和傳感元件組成，所述測(cè)力平臺(tái)包括測(cè)力儀主體和上蓋兩部分，且所述測(cè)力儀主體和上蓋分別設(shè)有三向切削力的敏感區(qū)域，所述測(cè)力儀主體的下方底座安裝有裝夾孔，所述裝夾孔方便裝置的安裝，通過(guò)對(duì)裝置本體的多方面改進(jìn)，傳感元件選擇PVDF壓電薄膜為材質(zhì)制成，具有高頻響應(yīng)和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，解決了現(xiàn)有電阻式切削測(cè)力儀存在的頻響低和動(dòng)態(tài)測(cè)量精度差的問(wèn)題，所以該種具有三向微小高頻切削力信號(hào)測(cè)量能力的傳感器具有廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：王延深;張鈺忻
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）
技術(shù)研發(fā)日：2017.08.21
技術(shù)公布日：2017.11.03