一種應變式高頻響固定式四分量銑削力傳感器的制造方法
【專利摘要】一種應變式高頻響固定式四分量銑削力傳感器，傳感器為一個整體結構零件，傳感器采用支撐梁加變形梁的復合結構設計，傳感器以豎直中心軸四面對稱，且每面又以該面內的豎直對稱軸左右鏡像對稱，傳感器包括載物平臺、復合梁、固定底座三部分，載物平臺通過復合梁連接在固定底座上，復合梁共四組，每組由一個側邊連接臺、一對支撐變形梁以及一對水平變形梁組成，在各組支撐變形梁的內壁貼裝第一金屬電阻應變片，在各組水平變形梁外壁貼裝第二金屬電阻應變片，本發明提高測力儀的動態特性，實現對銑臺水平X、Y方向和豎直Z方向受力的精確測量，間接獲得銑臺三維方向受力以及所承受的主軸扭矩的大小。
【專利說明】一種應變式高頻響固定式四分量銑削力傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及銑削力測力【技術領域】，特別涉及一種應變式高頻響固定式四分量銑削力傳感器。
【背景技術】
[0002]在機械加工中的眾多手段中，銑削加工是最常見的加工方法之一。銑削力和軸向扭矩都是反映銑削過程的重要指標，銑削狀態的每個微小變化都能通過銑削力以及軸向扭矩的變化反映出來。銑削力和軸向扭矩大小與刀具磨損程度、銑削加工溫度、銑床加工精度、速度以及功率消耗等有著密切關系，因此如何精確測量銑削力對于提高加工效率、實現機加工過程的實時監控非常重要。
[0003]傳統的銑削力測力儀主要有機械式、液壓式、電容式、電感式、壓電式、應變式等類型。目前比較常見的是壓電式和應變式的銑削力傳感器。壓電式銑削力測力儀多為固定式結構，具有高靈敏度高固有頻率 的特點，適合于動態量的測量。但是由于壓電傳感器的結構復雜，通常需要多塊壓電晶體高精度組合裝配，調試麻煩，維護極為不便，且造價昂貴，在產品化上受到很大限制。應變式銑削力測力儀則具有性能可靠、量產成本低、靜態精度高、長期穩定性好、堅固耐用、工藝性好等特點。不僅具有較好的動態特性，還能測量靜態載荷下的應變。但是由于固定式應變式測力儀無法解決其靈敏度和固有頻率之間的固有矛盾，所以多年來固定式應變式測力儀的應用一直落后于固定式壓電式測力儀。在進行固定式應變式測力儀的結構設計時，固有頻率的計算需要將被加工工件的質量也考慮在內，因此更要選擇合理的結構設計方案，在保持一定靈敏度的基礎上，盡量提高固定式應變式銑削力測力儀本身的固有頻率。
[0004]現有的銑床扭矩測量儀種類也是多種多樣的，主要包括接觸式和非接觸式的兩種測量方法，包含應變式、壓電式、電容式、聲波式、電磁式和光電式等類型，其中大部分又為定心式扭矩測量儀。對于銑床定心扭矩測量儀，目前最常用的結構是貼在銑刀旋轉主軸上的應變式扭矩測量儀。它雖然也具有應變式測量儀的所有優點，但是由于是安裝在不斷旋轉的主軸上，數據輸出的難度大大增加，且對輸出設備的裝配平衡度要求較高。對于無定心的扭矩測量，近年來，國內僅大連理工大學等少數科研單位進行了相關的研究，選用的是固定式的壓電傳感器。如前所述，壓電式測量儀雖然有諸多優點，但是傳感器的運維開銷十分巨大。因此對無定心固定式應變式扭矩測量的各種探索成為一種必然。
【發明內容】
[0005]為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種應變式高頻響固定式四分量銑削力傳感器，提高測力儀的動態特性，實現對銑臺水平Χ、Y方向和豎直Z方向受力的精確測量，間接獲得銑臺三維方向受力以及所承受的主軸扭矩的大小。
[0006]為了達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的:
[0007]—種應變式高頻響固定式四分量銑削力傳感器，傳感器2為一個整體結構零件，被加工工件I通過夾具固定在傳感器2上，傳感器2固定于銑臺3上；
[0008]所述傳感器2采用支撐梁加變形梁的復合結構設計，共十六根變形梁，傳感器2以豎直中心軸10四面對稱，且每面又以該面內的豎直對稱軸11左右鏡像對稱，傳感器2包括載物平臺4、復合梁5、固定底座6三部分，載物平臺4通過復合梁5連接在固定底座6上，靠近豎直中心軸10的方向相對為內側，而靠近傳感器2四邊的方向定義為外側；靠近豎直對稱軸11的方向相對為內端，而靠近傳感器2四角的方向定義為外端；
[0009]所述的復合梁5共四組，以豎直中心軸10四面對稱，每組由一個側邊連接臺7、一對支撐變形梁8以及一對水平變形梁9組成，且都以豎直對稱軸11左右鏡像對稱，側邊連接臺7為長方體結構，內壁與載物平臺4相接，豎直厚度與載物平臺4相同，側邊連接臺7與載物平臺4連接面的水平長度為載物平臺4水平邊長的1/3 ;支撐變形梁8為一對長方體立柱結構，兩個長方體分立豎直對稱軸11兩側，支撐變形梁8頂面與側邊連接臺7底面相接，其底面與固定底座6上表面相接，其外壁與側邊連接臺7的外壁豎直共面，其內壁與固定底座6的環形內壁豎直共面，其內、外壁間的長度短于側邊連接臺7內、外壁間的長度，且該長度差不超過短值的1/5 ;水平變形梁9為一對長方體豎直薄片結構，兩薄片結構分立于側邊連接臺7左右兩側，其內端分別與側邊連接臺7的左右側壁相接，其外端分別與固定底座6的隆起部分相連，其底面與側邊連接臺8的底面水平共面，其內壁與固定底座6的環形內壁豎直共面；
[0010]所述的支撐變形梁8既為水平和豎直方向的支撐梁也為豎直Z向的變形梁，分別在各組支撐變形梁8的內壁，以豎直對稱軸11軸對稱豎直貼裝第一金屬電阻應變片12，用以檢測銑臺3受到的豎直Z向作用力；水平變形梁9僅起水平支撐作用，分別在各組水平變形梁9外壁，以豎直對稱軸11軸對稱，水平貼裝第二金屬電阻應變片13，用以檢測銑臺3受到的水平X向或Y向作用力，并間接獲得銑刀施加的主軸扭矩。
[0011]所述的載物平臺4為四方體結構，以豎直中心軸10四面對稱，且每面又以該面內的豎直對稱軸11左右鏡像對稱，上、下面為正方形，用于承載和固定被加工工件I。
[0012]所述的固定底座6為四方環形結構，以豎直中心軸10四面對稱，且每面又以該面內的豎直對稱軸11左右鏡像對稱，中部為方形空洞，四角處向上隆起，且各鉆削有一個通孔。
[0013]本發明的有益效果:第一，本發明在水平方向選擇剪切力、拉壓力以及彎曲正應力組合的支撐作用力結構，在豎直方向上選用偏心拉壓的支撐作用力，使傳感器本身的固有頻率提升到4KHz以上的同時，也保證了變形梁上有充足的形變；第二，本發明在水平方向上使用水平拉壓差動變形梁結構，豎直方向上使用豎直偏心拉壓變形梁結構，主應力方向明確且單一，與施力方向相同，有效減少了各向銑削分力之間的相互影響和耦合；第三，本發明選用中心軸四面對稱結構，結合水平拉壓差動變形梁結構，便于求解出在傳感器各邊上，水平面內的切向主切削力投影的大小，進而實現對無定心銑削主軸扭矩的測量；第四，相比于壓電式銑削力傳感器只能測量動態力的缺陷，本發明不僅可以測量動態力，也適用于靜態力的測量，在使用和維護方面更加簡單可靠，降低成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為傳感器2安裝使用示意圖。[0015]圖2為傳感器2總體結構示意圖；其中2(a)為上下二等角軸側視圖；2(b)為前視圖；2(c)為下視圖。
[0016]圖3為復合梁5結構示意圖。
[0017]圖4為第一金屬電阻應變片12和第二金屬電阻應變片13貼片位置示意圖。
[0018]圖5為復合梁5受力變形示意圖；其中5(a)為受到水平力Fx或Fy時復合梁5的形變；5(b)為受到豎直力Fz時復合梁5的形變；5(c)為受到水平扭矩M作用時復合梁5的形變。
[0019]圖6為支撐變形梁8和水平變形梁9示意圖；其中6(a)為支撐變形梁8示意圖；6(b)為水平變形梁9示意圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發明做詳細描述。
[0021]本發明目的為測量較高主軸轉速下，銑臺在主軸Z向、水平X向或Y向受力以及銑刀主軸的扭矩，其中，銑刀主軸扭矩采用對水平面內周期作用的切向主切削力的動態測量而間接獲得。
[0022]參照圖1，一種應變式高頻響固定式四分量銑削力傳感器，為達到良好的作用力傳遞效果，傳感器2為一個整體結構零件，被加工工件I通過夾具固定在傳感器2上，傳感器2通過螺栓固定于銑臺3上。
[0023]參照圖2 Ca)和圖2 (b)，所述的傳感器2采用支撐梁加變形梁的復合結構設計，共十六根變形梁，傳感器2以豎直中心軸10四面對稱，且每面又以該面內的豎直對稱軸11左右鏡像對稱，傳感器2包括載物平臺4、復合梁5、固定底座6三部分，載物平臺4通過復合梁5連接在固定底座6上,靠近豎直中心軸10的方向相對為內側，而靠近傳感器2四邊的方向定義為外側；靠近豎直對稱軸11的方向相對為內端，而靠近傳感器2四角的方向定義為外端。
[0024]參照圖2 (a)，所述的載物平臺4為四方體結構，以豎直中心軸10四面對稱，且每面又以該面內的豎直對稱軸11左右鏡像對稱，上、下面為正方形，用于承載和固定被加工工件I。
[0025]參照圖2 (b)和圖2 (C)，所述的固定底座6為四方環形結構，以豎直中心軸10四面對稱，且每面又以該面內的豎直對稱軸11左右鏡像對稱，中部為方形空洞，四角處向上隆起，且各鉆削有一個通孔，當固定于銑臺3上時，自由度為O。
[0026]參照圖3，所述的復合梁5共四組，以豎直中心軸10四面對稱，每組由一個側邊連接臺7、一對支撐變形梁8以及一對水平變形梁9組成，且都以豎直對稱軸11左右鏡像對稱，側邊連接臺7為長方體結構，內壁與載物平臺4相接，豎直厚度與載物平臺4相同，側邊連接臺7與載物平臺4連接面的水平長度為載物平臺4水平邊長的1/3 ;支撐變形梁8為一對長方體立柱結構，兩個長方體分立豎直對稱軸11兩側，支撐變形梁8頂面與側邊連接臺7底面相接，其底面與固定底座6上表面相接，其外壁與側邊連接臺7的外壁豎直共面，其內壁與固定底座6的環形內壁豎直共面，其內、外壁間的長度短于側邊連接臺7內、外壁間的長度，且該長度差不超過短值的1/5 ;水平變形梁9為一對豎直長方體薄片結構，兩薄片結構分立于側邊連接臺7左右兩側，其內端分別與側邊連接臺7的左右側壁相接，其外端分別與固定底座6的隆起部分相連，其底面與側邊連接臺8的底面水平共面，其內壁與固定底座6的環形內壁豎直共面。
[0027]參照圖4，所述的支撐變形梁8既為水平X、Y向以及豎直Z向的支撐梁也為豎直Z向的變形梁，分別在各組支撐變形梁8的內壁，以豎直對稱軸11軸對稱豎直貼裝第一金屬電阻應變片12，用以檢測銑臺3受到的豎直Z向作用力；水平變形梁9僅起水平支撐作用，分別在各組水平變形梁9外壁，以豎直對稱軸11軸對稱，水平貼裝第二金屬電阻應變片13，用以檢測銑臺3受到的水平X向或Y向作用力，并間接獲得銑刀施加的主軸扭矩。
[0028]本發明的工作原理為:
[0029]復合梁5為本發明的主要支撐和變形部件，參照圖5 (a)，當施加X向或Y向水平作用力時，復合梁5中的側邊連接臺7近似為剛體，銑刀作用力通過側邊連接臺7分別傳遞到其下端和兩側的支撐變形梁8和水平變形梁9上，此時，支撐變形梁8和水平變形梁9起主要的支撐作用。分布在力的作用方向兩端的兩對支撐變形梁8及水平變形梁9的位置連線平行于力的作用方向，主要依靠支撐變形梁8的前向彎曲的剪切力進行支撐；分布在力的作用方向兩側的兩對支撐變形梁8和水平變形梁9，該兩組支撐變形梁的位置連線垂直于力的作用方向，主要依靠支撐變形8的側向彎曲正應力和水平變形梁9的差動拉壓正應力進行支撐。本發明水平45°方向上的固有頻率最低，經過ANSYS仿真驗證，本發明的支撐梁設計可將一階固有頻率提高到4KHz以上。
[0030]參照圖5(a)，當位于力的作用方向兩側的側邊連接臺7隨水平力作用產生與力的作用方向相同的位移時，帶動與之相連的水平變形梁9的內端亦產生位移，由于水平變形梁9的外端與固定底座6相連，該端近似自由度為0，水平變形梁9將被迫分別產生水平方向的擠壓和拉伸變形，該對差動應變以豎直對稱軸11呈鏡像對稱分布。本發明使用分布于X向或Y向水平力作用方向兩側的兩組水平變形梁9，產生水平差動應變，實現對除主切削力以外的水平作用力的測量。
[0031]參照圖5 (a)、圖6 (a)和圖6 (b)，在水平X向作用力Fx或Y向作用力Fy作用時，單個待測水平變形梁9的應變近似計算如下:
[0032]載物平臺4近似剛體，支撐梁X向或Y向的等效總剛度Kx或Ky近似為:
[0033]
【權利要求】
1.一種應變式高頻響固定式四分量銑削力傳感器，其特征在于:傳感器(2)為一個整體結構零件，被加工工件(I)通過夾具固定在傳感器(2)上，傳感器(2)固定于銑臺(3)上； 所述傳感器(2)采用支撐梁加變形梁的復合結構設計，共十六根變形梁，傳感器(2)以豎直中心軸(10)四面對稱，且每面又以該面內的豎直對稱軸(11)左右鏡像對稱，傳感器(2)包括載物平臺(4)、復合梁(5)、固定底座(6)三部分，載物平臺(4)通過復合梁(5)連接在固定底座(6)上，靠近豎直中心軸(10)的方向相對為內側，而靠近傳感器(2)四邊的方向定義為外側；靠近豎直對稱軸(11)的方向相對為內端，而靠近傳感器(2)四角的方向定義為外端； 所述的復合梁(5)共四組，以豎直中心軸(10)四面對稱，每組由一個側邊連接臺(7)、一對支撐變形梁(8 )以及一對水平變形梁(9 )組成，且都以豎直對稱軸(11)左右鏡像對稱，側邊連接臺(7)為長方體結構，內壁與載物平臺(4)相接，豎直厚度與載物平臺(4)相同，側邊連接臺(7)與載物平臺(4)連接面的水平長度為載物平臺(4)水平邊長的1/3 ;支撐變形梁(8 )為一對長方體立柱結構，兩個長方體分立豎直對稱軸(11)兩側，支撐變形梁(8 )頂面與側邊連接臺(7)底面相接，其底面與固定底座(6)上表面相接，其外壁與側邊連接臺(7)的外壁豎直共面，其內壁與固定底座(6)的環形內壁豎直共面，其內、外壁間的長度短于側邊連接臺(7)內、外壁間的長度，且該長度差不超過短值的1/5 ;水平變形梁(9)為一對長方體豎直薄片結構，兩薄片結構分立于側邊連接臺(7)左右兩側，其內端分別與側邊連接臺(7)的左右側壁相接，其外端分別與固定底座(6)的隆起部分相連，其底面與側邊連接臺(8)的底面水平共面，其內壁與固定底座(6)的環形內壁豎直共面； 所述的支撐變形梁(8)既為水平和豎直方向的支撐梁也為豎直Z向的變形梁，分別在各組支撐變形梁(8)的內壁，以豎直對稱軸(11)軸對稱豎直貼裝第一金屬電阻應變片(12)，用以檢測銑臺(3)受到的豎直Z向作用力；水平變形梁(9)僅起水平支撐作用，分別在各組水平變形梁(9)外壁，以豎直對稱軸(11)軸對稱，水平貼裝第二金屬電阻應變片(13)，用以檢測銑臺(3)受到的水平X向或Y向作用力，并間接獲得銑刀施加的主軸扭矩。
2.根據權利要求1所述的一種應變式高頻響固定式四分量銑削力傳感器，其特征在于:所述的載物平臺(4)為四方體結構，以豎直中心軸(10)四面對稱，且每面又以該面內的豎直對稱軸(11)左右鏡像對稱，上、下面為正方形，用于承載和固定被加工工件(I)。
3.根據權利要求1所述的一種應變式高頻響固定式四分量銑削力傳感器，其特征在于:所述的固定底座(6)為四方環形結構，以豎直中心軸(10)四面對稱，且每面又以該面內的豎直對稱軸(11)左右鏡像對稱，中部為方形空洞，四角處向上隆起，且各鉆削有一個通孔。
【文檔編號】B23Q17/09GK103921174SQ201410155079
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月17日 優先權日:2014年4月17日
【發明者】趙玉龍, 李瑩雪, 趙友, 高欣浩, 王鵬 申請人:西安交通大學