[发明专利]一种大量程压阻式高频响固定式四分量铣削力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及铣削力测力技术领域，特别涉及一种大量程压阻式高频响固定式四分量铣削力传感器。

背景技术

传统的固定式铣削力测力仪主要有电容式、电感式、压电式、应变式等类型。目前国外比较成熟的产品多为固定压电式铣削力传感器。压电式测力仪适合于动态受力监测，具有高灵敏度和高固有频率的优点，但是因其价格昂贵、结构复杂、调试繁琐、维护不便，国内一直无法实现对拥有自主知识产权的压电式传感器的量产。在我国八十年代末，曾对应用于机械加工状态监测的应变式测力仪有过一段时间的系统研究。固定式应变测力仪成本较低、结构简单、长期稳定性好、工艺成熟，已广泛应用于静态力或缓变力的测量中，但是由于固定式应变测力仪无法解决其灵敏度和固有频率之间的固有矛盾，对动态铣削受力的测量一直仅限于低速铣削过程。近年来，有些高校的学者尝试进行应变式高频响固定式铣削力传感器的研究，但是由于选用的依然是传统的金属电阻应变片，在保证可用灵敏度的前提下，使得该固定式铣削力测力仪的承载平台尺寸有限，且可用量程较小，多为小力测量，这远远无法满足当前高速铣削过程中大量程测力的需要。

传统的固定式铣床扭矩测量仪种类也是多种多样的，主要包括接触式和非接触式的两种测量方法，分别实现对定心钻削扭矩的测量和无定心铣削扭矩的测量。比较常见的是固定式定心钻削扭矩测量仪，且该类产品多为进口的压电式传感器，优缺点这里不再赘述。对于更能真实准确的反映动态铣削过程的固定式无定心铣削扭矩的测量，目前国内仅限于起步阶段，并且也依然以压电式传感器为主，这大大限制了国内对于无定心铣削扭矩测量仪的商品化。而相对于压电式传感器而言，更加经济耐用的应变式固定式无定心铣削扭矩测量仪面临的主要问题则是测量灵敏度不足。由于固定式无定心铣削扭矩测量仪利用在主轴垂直平面的切向主切削力对主轴扭矩进行间接测量，在相同主轴扭矩输入的情况下，测力灵敏度随传感器检测点到主轴的距离增加而递减，因此应变式固定式无定心铣削扭矩测量仪存在本身台面尺寸与测量灵敏度之间的固有矛盾。

压阻式测力传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器，该类传感器具有体积小、频响高、灵敏度高、精度高、性能稳定、可靠性高等诸多优点。近年来随着微纳技术在国内的蓬勃发展，针对铣削加工过程中的切削质量控制、刀具寿命预测以及智能加工等需求，研发拥有自主知识产权的，用于铣削加工等过程监测的低功耗、高性能的压阻式传感器已被提上议事日程。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大量程压阻式高频响固定式四分量铣削力传感器，可以实现对铣台所受包括水平X、Y向，竖直Z向三向力的测量以及主轴扭矩的检测，本发明测力范围：X、Y向0—5kN，Z向0—10kN，扭矩：-100N·m—100N·m，固有频率4KHz。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种大量程压阻式高频响固定式四分量铣削力传感器，传感器2为一个整体结构零件，被加工工件1通过夹具固定在传感器2上，传感器2固定于铣台3上；

所述传感器2采用支撑梁加变形梁的复合结构设计，共十二根变形梁，传感器2以竖直中心轴8四面对称，且每面又以该面内的竖直对称轴9左右镜像对称，传感器2包括载物平台4、竖直变形梁5、水平变形梁6、固定底座7四部分，载物平台4通过竖直变形梁5和水平变形梁6连接在固定底座7上，靠近竖直中心轴8的方向相对为内侧，而靠近传感器2四边的方向定义为外侧，靠近竖直对称轴9的方向相对为内端，而靠近传感器2四角的方向定义为外端；

所述的竖直变形梁5共四个，以竖直中心轴8四面对称，每个为长方体竖直薄板结构，该薄板结构以竖直对称轴9左右镜像对称，其顶面与载物平台4底面相接，其底面与固定底座7上表面相连，其内壁与固定底座7环形内壁竖直共面，其外壁与载物平台4外壁竖直共面，竖直变形梁5与载物平台4接触面的水平长度为载物平台4水平边长的1/3；

所述的水平变形梁6共四组，以竖直中心轴8四角对称，分别位于载物平台4的四角处，每组由两个相同尺寸的长方体水平薄片组成，以过竖直中心轴8与载物平台4的竖直侧边所成的半对角平面为对称面，每组的两薄片结构分别关于其中一组半对角面镜像对称，并在水平面内呈90°夹角，每组水平变形梁6的内壁分别与载物平台4两相邻外壁连接，其外壁与固定底座7相接固定，其上顶面与固定底座7隆起部分的上表面水平共面，其下底面与载物平台4下底面水平共面；