[发明专利]一种具有三向微小高频切削力信号测量能力的传感器

说明书

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体为一种具有三向微小高频切削力信号测量能力的传感器。

背景技术

切削力是描述切削进程的重要参数，对切削热的产生、切屑形成、刀具表面磨损、加工表面质量等方面有密切关系。把握切削力的变化规律，实时监测切削力数值与频率特性是计算切削功率，制定切削用量和工艺装备的主要根据，对优化切削参数、提高生产率、抑制震颤、处理切削加工中问题等具有重大意义，因而对切削力变化规律的探讨有助于分析切削过程，对生产实际有重要指导作用。测力仪直接试验测量是反映加工中切削力动态变化的最简单方便并且使用可靠的方法。

但现有的具有三向微小高频切削力信号测量能力的传感器，使用的传感元件存在动态测量精度差，这样工作人员就需要反复测量，工作程度大，且成本较高，给人们带来了财产负担，所以很多人选择丢弃，同时加大了环境保护的压力，给人们提供的帮助较少。

所以，如何设计一种具有三向微小高频切削力信号测量能力的传感器，成为我们当前要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可用于三向微小高频切削力信号测量的低成本压电传感器，以解决在高速切削加工过程中切削力测量仪器存在的固有频率低、加工工艺性差、成本高等问题。

本发明中的机械结构是基于应变集中原则并考虑各向切削力分量的解耦进行设计的，是本发明的关键。本发明采用PVDF压电薄膜作为传感元件，将其固定在所设计的具有应变集中的机械结构上的弹性敏感区域上，组成本发明的切削力信号传感器。结合电荷放大器和数据采集系统，可实现高速切削加工过程中对切削力的实时监测。

本发明通过四组相同应变传感单元对在三向切削力作用下产生的相应应变或位移等物理量进行测量，通过对所测量的信号进行标定和解偶，不但可以实现三向切削力Fx，Fy和Fz的准确求解，而且还可实现对三向力矩Mx，My和Mz进行求解。本发明可满足超精密加工过程切削过程实时监测、大表面质量一致性加工控制、恒力切削、自适应智能加工以及超精密切削机理分析、工艺参数分析、精密刀具设计等工程和科研领域的需要。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计的传感器可测量频率达2kHz，范围在0.1～200N的力学信号，其在小于1N的微小力信号方面的测量分辨率也很高。该种具有三向微小高频切削力信号测量能力的传感器，在结构上实现应变集中效果，解决了现有电阻式切削测力仪存在的固有频率低与压电式测力仪存在的加工工艺性差等问题。在传感元件上选择PVDF压电薄膜，解决了现有电阻式切削测力仪存在的动态测量精度差与压电式测力仪存在的成本高等问题。装置本体有集成信号处理与采集装置，通过解耦可实现三向切削力和三向切削力矩的实时测量，能很好地满足高速切削加工时对切削过程实时监测需求，所以具有三向微小高频切削力信号测量能力的传感器具有广阔的应用市场。

附图说明

图1是本发明的测力平台整体示意图；

图2是本发明的测力仪主体局部结构示意图；

图3是本发明的上盖局部结构示意图；

图4是本发明的传感元件局部结构示意图；

图中：1-测力仪主体；2-主体弹性薄片；3-装夹孔；4-底座；5-传感元件；6-连接螺栓；7-上盖；8-凸台；9-凹槽；10-铜导线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种具有三向微小高频切削力信号测量能力的传感器，包括测力仪主体1和上盖7，所述测力仪主体1的内部设有并联式应变集中结构，其应变在弹性薄片2处放大，所述测力仪主体1的底部包括底座4，所述底座4上设有装夹孔3，所述上盖7与所述测力仪主体1通过螺栓6连接，所述上盖7中部设有凸台8，凸台8可用于增大测量灵敏度，所述上盖7顶部边缘设有凹槽9，传感元件5粘贴附于所述测力仪主体1的弹性薄片2和所述上盖7的凹槽9处，所述传感元件5的右侧设有铜导线10，且所述铜导线10与电荷放大、数据采集显示装置相连，且数据采集显示装置带有解耦效果。

测力仪主体1的弹性敏感区利用并联式应变集中结构方案，实现x、y两向切削力信号测量；上盖的弹性敏感区利用截面突变结构方案，实现z向切削力信号测量。