一种实时监测多维切削力智能刀柄

1.本发明专利属于切削力测力仪技术领域，具体涉及一种实时监测多维切削力智能刀柄。


背景技术：

2.切削力是影响产品质量、刀具设计、制造成本、加工效率，优化加工工艺等的重要因素之一。研究具有优良性能，与机床系统兼容并适合实际工业化应用的切削力测力仪是智能机床研究的重要组成部分。这对实现机床切削质量控制、刀具寿命预测以及智能制造，对打破国外技术封锁及高端测力仪市场垄断，提高我国制造业的智能水平，增强高端制造业的国际竞争力具有重要意义。
3.为了在加工过程中实现对切削力的实时监测，实现制造过程智能化，多种形式的切削力测量、监测装置被研究人员开发出来，主要有测力刀柄、测力传感器、测力刀具，其测量原理主要基于敏感元件受力时的电阻、电容、电荷、间隙、共振频率等的变化导致输出量的变化。面向切削过程中切削力的变化为监测对象，一系列的测力仪被开发出来。
4.比如，固定式应变测力仪，可测量多维力并且不需要参与旋转运动，信号输出单元易于实现，但其缺点是不适用于高速切削，且其应用受限于机床结构及工件结构。压电式测力仪特点是精度高，但其成本高、易漏电、不能测量静态力等特点限制了其应用。电容、电感式测力仪存在抗干扰能力差、静态线形误差大等缺点。也有一些测力传感器，通过测量传递力监测切削力，这在测量力的准确性方面也带来了一些问题。
5.目前现有技术中如中国专利(cn114749994a)公开的一种实时测量切削力、振动和切削温度的多传感融合智能化刀柄监测装置，该装置忽视了测力刀柄的刚度和灵敏度之间的矛盾，故测量结果容易产生误差。


技术实现要素：

6.为了解决上述的技术问题，本发明设计了一种实时监测多维切削力智能刀柄，该装置能够在低速至高速切削频段，实时监测刀具与工件间产生的切削力，为高质量智能加工提供底层切削数据，本发明有高灵敏度、高刚度、多模态、适应性强等优点。
7.为了达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现的：一种实时监测多维切削力智能刀柄，包括主体结构，保护壳和保护盖，主体结构和保护壳连接，保护壳内安装切削力敏感单元受力变化产生的信号采集及前处理电路，保护壳和保护壳盖连接，主体结构的前端为bt标准刀柄接头，后端为夹持刀具标准接口，中间部分圆周均布的弓形结构为测力刀柄的弹性元件。
8.作为优选，所述的弓形结构是在正六边形相邻三边拉伸形成的弓形平面体的基础上，绕轴线回转形成若干个圆周均布的弓形平面体，两两相邻平面体之间有均匀分布的缝隙，弓形平面体上设置有方形凹槽，在其相邻弓形平面体上设置有方形凹槽，圆周均布的弓形结构上方形凹槽沿着轴向以及正负45度轴向粘贴半导体硅应变片，半导体硅应变片连接
成惠斯通全桥形式。
9.作为优选，所述的半导体硅应变片为硅基半导体薄膜应变片，其中硅/二氧化硅作为基底、氧化铟锡作为敏感电阻、绝缘性能好的氮化硅作为保护层。
10.作为优选，所述的相互垂直的氧化铟锡敏感电阻集中溅射在基底中部，敏感电阻和焊盘连接，敏感电阻上连接有金丝，金丝另一端连接外部电路。
11.作为优选，所述的圆周均布的弓形结构总长30mm，厚3mm，宽10mm；粘贴半导体应变片的方形凹槽尺寸为5
×5×
1mm。
12.作为优选，所述的保护壳外径100mm，内径35mm。
13.作为优选，所述的保护壳盖外径100mm，内径50mm。
14.本发明的有益效果为：
15.基于半导体的压阻效应制造的半导体硅应变片(4)将在保留微应变感知性能的同时，提高灵敏度，进一步减小体积。在受到外力作用下，其电阻值将发生改变，通过惠斯通电桥转变为电信号输出，达到监测切削力的目的。对于测力刀柄，设计合理的弹性体结构和半导体应变片粘贴位置及方式，能够有效地解决测力刀柄的刚度和灵敏度之间的矛盾。
16.采用圆周均布的弓形结构(1b)作为测力刀柄的弹性元件，能够很好解决刚度与灵敏度之间的矛盾，在保证高刚度的前提下极大地提高灵敏度，能够同时提高轴向力、径向力和切向力的测力灵敏度；其前部(1a)为bt标准刀柄接头，能够方便地同主轴连接，具有安装简单、通用性强的特点；后端刀具夹持标准接口(1c)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，安装、拆卸、维修方便，随时可更换零部件。
17.信号采集电路采用惠斯通全桥电桥，稳定性强。感知单元为半导体硅应变片，氧化铟锡(陶瓷材料)作为敏感电阻材料、绝缘性能好的氮化硅材料作为保护层，具有高灵敏度、耐腐蚀、耐高温等特点。整体而言，本发明能够测量静态力和动态力，具有多维力监测功能、高灵敏度、高刚度、无交叉干扰，适应性强、低成本、使用维护简单方便等优点。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明的整体结构透视图；
20.图2为本发明的各结构分解示意图；
21.图3为本发明整体装配示意图；
22.图4为本发明主体结构(1)三维示意图；
23.图5为本发明弹性体结构(1b)上粘贴硅应变片示意图；
24.图6为本发明单向力测量全桥电路示意图；
25.图7为本发明硅应变片(4)结构示意图；
26.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
27.主体结构1、保护壳2、保护盖3、bt标准刀柄接头1a、弓形结构1b、夹持刀具标准接口1c、方形凹槽1b1、方形凹槽1b2、方形凹槽1b3、半导体硅应变片4、基底4a、敏感电阻4b、焊
盘4c、金丝4d。
具体实施方式
28.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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
29.实施例1
30.参照图1、图2和图3，一种实时监测多维切削力智能刀柄，包括主体结构1、保护壳2和保护壳盖3，主体结构1和保护壳2通过螺纹连接，保护壳2内安装切削力敏感单元受力变化产生的信号采集及前处理电路，保护壳2和保护壳盖3之间通过螺栓连接，主体结构1通过bt标准刀柄接头能够联结在主轴上，末端安装刀具，对铣削加工时刀具受到的轴向力、径向力和切向力实时监测。
31.保护壳盖3，于边沿圆周均匀分布光孔，利用螺栓将其同保护壳2进行螺纹连接，其表面对称布置2个小孔，以便安装信号处理电路的发射天线，既能保证电路正常发射力/电学信号，又能起到保护壳体2内电信号不被外界干扰的作用，同时具有保护主体结构1上粘贴的半导体硅应变片4的作用。
32.保护壳2，保护壳2内安装传感器的信号采集电路，实现应力应变转换成电信号并进行无线传输。保护壳2通过螺纹连接和主体结构1形成一体，获取支撑，通过螺栓连接支撑保护壳盖3。
33.主体结构1的前端为bt标准刀柄接头1a，后端为刀具夹持接口1c，中部圆周均布的弓形结构1b是整个智能测力刀柄的弹性元件。
34.实施例2
35.参照图4和图5，圆周均布的弓形结构1b是在正六边形相邻三边拉伸形成的弓形平面体的基础上，绕轴线回转形成8个圆周均布的弓形平面体，两两相邻平面体之间有均匀分布的缝隙，在其中一个弓形平面体上分别开方形凹槽1b1、1b2，在其相邻弓形平面体上加工出方形凹槽1b3，8个弓形平面体上依此循环加工方形凹槽，分别形成4个方形凹槽1b1、4个方形凹槽1b2、4个方形凹槽1b3。圆周均布的弓形结构1b上方形凹槽1b1、1b2、1b3沿着轴向以及正负45度轴向粘贴半导体硅应变片4，共12片，其中沿轴向粘贴于4个方形凹槽1b1处的4片半导体硅应变片4组成一组，连接成惠斯通全桥形式，用以测量轴向力；沿轴向粘贴于4个方形凹槽1b2处的4片圆周对称半导体硅应变片组4成一组，连接成惠斯通全桥形式，用以测量径向力；沿正负45度轴向粘贴于4个方形凹槽1b3处的4片圆周对称半导体硅应变片4组成一组，连接成惠斯通全桥形式，用于测量加工时刀具受到的切向力。
36.实施例3
37.参见图7，半导体硅应变片4为硅基半导体薄膜应变片，结合现有微纳制造工艺，选择硅/二氧化硅(半导体材料)作为基底、氧化铟锡(陶瓷材料)作为敏感电阻材料、绝缘性能好的氮化硅材料作为保护层。4个相互垂直的氧化铟锡敏感电阻4b集中溅射在基底4a中部，敏感电阻4b和焊盘4c直接连接，然后通过金丝4d将敏感电阻4b引致外部电路，形成所需的电桥电路。半导体硅应变片4作为力敏元件，具有灵敏系数大、机械滞后小、横向效应小、耐
腐蚀、耐高温、质量轻，体积小等诸多优点。
38.圆周均布的弓形结构1b总长30mm，厚3mm，宽10mm；粘贴半导体应变片4的方形凹槽尺寸为5
×5×
1mm。
39.保护壳2外径100mm，内径35mm。
40.保护壳盖3外径100mm，内径50mm。
41.本发明的工作原理为：
42.使用时，将主体结构1中的前端bt标准刀柄接头1a安装在机床主轴上，保证测力刀柄与机床主轴同步旋转。主体结构1中的后端刀具夹持接口1c通过弹簧夹头装卡刀具，保证正常的切削加工。在加工时，刀具同时承受轴向力、径向力和切向力的作用，测力刀柄的弹性元件在三向力的作用下，形成一个弯压扭结合的结构件。为实现轴向力、径向力和切向力的测量，应分别测得在轴向力、径向力和切向力作用下刀柄的弹性元件的应变。
43.取圆周均布的弓形结构1b表面上的一个单元体进行受力分析，单元体只受切向力作用产生的剪应力，处于纯剪应力状态。由应力分析可知，在与轴向成正负45度方向上存在着最小和最大主应力，其绝对值均等于最大剪应力。以半导体硅应变片测得倾斜45度轴向上的主应力，即为最大剪应力。
44.单元体在轴向力作用下产生压应力σ
压
，处于单向应力状态。由应力分析可知，在截面上存在着最大正应力。
45.单元体在径向力作用下产生拉应力σ
压
，处于单向应力状态。由应力分析可知，在截面上存在着最大纵向正应力，最小横向应力。
46.根据上述单元体的应力分析，可将半导体硅应变片按如下所述方式布置，即通过与主轴的轴向以及倾斜45度轴向进行组合封装，分别在方形凹槽1b1、1b2、1b3处沿轴向、轴向、轴向倾斜45度粘贴半导体硅应变片，消除拉压和剪切应力的交叉干扰，达到同时对轴向力、径向力和切向力进行测量的目的。每一单向力的测量通过圆周对称粘贴4组分别含有4个压敏电阻的半导体硅应变片，形成16个敏感电阻组成的惠斯通全桥电路，一是可以增大单向力信号的输出，二是可以使信号更加稳定。
47.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
48.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。