[发明专利]一种压阻式集成化三维车削力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及智能制造装备技术领域，特别涉及一种压阻式集成化三维车削力传感器。

背景技术

在金属切削加工中，车削加工是最常见的加工方法之一。车削力是反映车削过程的重要指标，车削力的大小和车削过程变化密切相关，车削状态的每个微小变化都能通过车削力的变化反映出来。车削力大小与刀具磨损、加工精度、车削温度、功率消耗等有着密切关系，因此如何精确测量车削力对提高加工性能非常重要。

传统的车削力测力仪主要有电阻应变式、压电式、电流式、光纤式、电容式等类型，但是电阻应变式测力仪存在灵敏度和刚度的矛盾；压电式测力仪由于电荷泄漏而不能测试静态力、固有频率的提高受装配接触刚度的限制、维护极不方便、价格昂贵；电流式测力仪测量精度不高，并且由于电流迟滞导致无法满足对车削力实时监测的较高要求；光纤式和电容式传感器易受外界振动和温度变化的影响而无法准确测量。

近年来随着各种微纳传感器的发展，针对车床加工刀具切削过程中切削质量控制、刀具寿命预测以及智能加工需求，研发用于刀具切削等过程检测控制的体积小、功耗低、性能优良的微纳传感器显得尤为迫切和必要。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种压阻式集成化三维车削力传感器，用MEMS硅微力敏芯片捕捉弹性体表面应力，实现三维车削力的精确测量。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种压阻式集成化三维车削力传感器，包括传感器主体结构7，车刀1安装在传感器主体结构7的头部车刀插槽8内，传感器主体结构7的中部上下面分别设有第一竖直八角半环4和第二竖直八角半环5，第一竖直八角半环4、第二竖直八角半环5形成竖直方向八角环，作为竖直方向的弹性体结构，传感器主体结构7的中部前后两个侧面分别连接第一水平八角半环2和第二水平八角半环3，第一水平八角半环2和第二水平八角半环3形成水平方向八角环，作为水平方向的弹性体结构，传感器主体结构7的尾部为传感器柄，传感器柄是截面为矩形的长方体条，在第一竖直八角半环4、第二竖直八角半环5、第一水平八角半环2和第二水平八角半环3外表面分别封装有MEMS硅微力敏芯片6。

所述的车刀插槽8是截面为方形的空心插槽，在车刀插槽8侧面中部开有螺纹孔9。

所述MEMS硅微力敏芯片6是由MEMS技术制作的应力应变转换元件，芯片内部集成压阻惠斯顿全桥电路。

本发明的有益效果是：首先，本发明根据八角环受力变形的特点，采用两个互相垂直的八角环结构实现了三维车削力的独立测量，减小了各向力之间的相互影响和耦合；相比于传统的金属应变片式车削力传感器，采用MEMS硅微力敏芯片，不仅芯片的测量精度和灵敏度大大提高，而且每一片MEMS硅微力敏芯片上都集成了惠斯顿全桥电路，仅需要在一处封装MEMS硅微力敏芯片就可以实现对应力、应变的测量，传统金属应变片式传感器需要在四个特定部位分别粘贴金属应变片以组成惠斯顿电桥，容易引入耦合和误差；相比于压电式车削力传感器只能测量动态力的缺陷，本发明不仅可以测量动态力，也适用于测量静态力。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明传感器主体结构7的结构示意图。

图3为本发明水平八角半环的示意图。

图4为本发明在车床刀架上的安装示意图。

图5为本发明受力示意图。

图6为本发明水平八角环受力分析示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1、图2和图3，一种压阻式集成化三维车削力传感器，包括传感器主体结构7，车刀1安装在传感器主体结构7的头部车刀插槽8内，并通过螺栓固定车刀1，传感器主体结构7的中部上下面分别设有第一竖直八角半环4和第二竖直八角半环5，第一竖直八角半环4、第二垂直八角半环5形成垂直方向八角环，作为竖直方向的弹性体结构；传感器主体结构7的中部前后两个侧面分别连接第一水平八角半环2和第二水平八角半环3，第一水平八角半环2和第二水平八角半环3形成水平方向八角环，作为水平方向的弹性体结构，感器主体结构7的尾部为传感器柄，传感器柄是截面为矩形的长方体条，用于将该传感器固定在车床刀架10上，在第一竖直八角半环4、第二竖直八角半环5、第一水平八角半环2和第二水平八角半环3外表面分别封装有MEMS硅微力敏芯片6，从而构成车削力传感器。