[发明专利]一种压阻式旋转二分量铣削力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及智能装备制造技术领域，特别涉及一种压阻式旋转二分量铣削力传感器。

背景技术

高速切削和高速加工具有生产效率高、加工精度好、刀具使用寿命长等优点，近年来已经在现代精密、超精密加工中占据了不可或缺的地位。在高速切削和高速加工过程中，刀具所受切削力的大小及切削力的变化趋势与刀具磨损、破损和耐用度之间存在着明显的关系，直接影响加工质量的好坏。为了对机床的切削力进行监测、分析和控制，不同类型的测力仪相继问世，但是均有不足之处。机械式及液压式切削测力仪，不能测量真实的切削力；应变式测力仪，灵敏度和刚度的矛盾无法解决；电容、电感式测力仪有抗干扰能力差、静态线形误差大等缺点；近些年问世的压电测力仪，存在着不能测量静态力、力点位置误差大、价格昂贵等一系列不足之处。

近年来，利用MEMS技术研制的硅微力敏芯片已经进入人们的视线。MEMS硅微力敏芯片的显著特点是体积极其微小，重量轻，工作可靠，批量生产成本低。基于硅的压阻效应制造的力敏芯片将在保留应变式切削力传感器优点的同时，还将进一步减小体积、提高系统的集成度。因此只要合理的选择弹性体的结构和测力方式，有效地平衡刚度和灵敏度之间的矛盾，就可以有效地提高压阻式测力仪的测量精度和动态特性。

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旋转二分量铣削力传感器，具有灵敏度高、抗干扰能力强、通用性强的优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种压阻式旋转二分量铣削力传感器，包括主体结构3，联结盖2和主体结构3中心轴部进行过盈配合，而周边进行螺纹连接，前端结构1和联结盖2之间螺纹连接；

所述的前端结构1，由前部HSK型刀柄头1a和后部圆盘1b连接组成，刀柄头1a实现测力传感器与机床主轴的联结，后部圆盘1b实现与联结盖2的无缝联结；

所述的主体结构3，其一端端头为薄壁圆筒3a，另一端为刀具夹持3c，中部设有支撑圆盘3b，薄壁圆筒3a是整个传感器的弹性元件，具有极高的灵敏度，薄壁圆筒3a实现传感器整体结构刚度与灵敏度的融合；支撑圆盘3b支撑传感器的各个模块，刀具夹持3c安装刀具；薄壁圆筒3a上沿着轴向和45度轴向粘贴MEMS硅微力敏芯片4，用以测量轴向力Fz和主轴力矩M。

所述的薄壁圆筒3a长8mm，厚1.5mm，中径35mm。

所述的支撑圆盘3b外径150mm，内径40mm。

所述的MEMS硅微力敏芯片4，是利用硅材料的压阻效应制成，在（100）晶面的[110]晶向和晶向各制作两个电阻条，四个电阻条在芯片内部集成惠斯通全桥电路，将微弱的电阻变化转换成易于识别的电压信号。

与现有技术相比本发明的优点在于：采用薄壁圆筒3a作为传感器的弹性元件，能够很好解决刚度与灵敏度之间的矛盾。前部刀柄头1a采用HAK-A系列刀柄接口，保证了传感器与高速旋转主轴的通用联结。刀具夹持3c可以根据实际需求安装不同的刀具。整体结构采用组合封装的模式，既保证了传感器的广泛通用性，又可实现随时拆卸、组装和更换部件。同时采用MEMS硅微力敏芯片，具有灵敏度高、可靠性高以及可大规模生产等优点。本发明既可测量静态力，又适用于动态力的在线实时测量，具有高灵敏度、刚度好、通用性强、成本低、维护简单等优点。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的整体结构半剖示意图。

图3为本发明传感器各结构分解示意图。

图4为本发明薄壁圆筒3a外表面分析单元示意图。

图5为本发明薄壁圆筒3a上粘贴MEMS硅微力敏芯片示意图。

图6为本发明MEMS硅微力敏芯片版图结构示意图。

图7为本发明MEMS硅微力敏芯片内部集成惠斯通全桥示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的结构与工作原理详细说明。

参照图1、图2，一种压阻式旋转二分量铣削力传感器，包括传感器主体结构3，联结盖2和主体结构3中心轴部进行过盈配合，而周边进行螺纹连接，前端结构1和联结盖2之间通过螺钉进行螺纹连接，整体结构组成一个既能联结主轴、安装刀具，又能实时监测高速旋转铣削力的测力刀柄。

参见图3，所述的前端结构1，由前部HSK型刀柄头1a和后部圆盘1b连接组成，刀柄头1a实现测力传感器与机床主轴的联结，具有广泛的通用性，后部圆盘1b实现与联结盖2的无缝联结，保障了整体结构的刚度和同轴度。