一种基于薄膜应变计的铣削力测量仪
阅读说明：本技术 一种基于薄膜应变计的铣削力测量仪 (Milling force measuring instrument based on film strain gauge ) 是由 丁杰雄 胡翀 赖俊杰 吴宇舟 段莹瑞 王伟 王林江 林震 王啸东 于 2021-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于薄膜应变计的铣削力测量仪,包括刀柄,刀柄上固定有机电装置,机电装置包括电池,薄膜应变计,信号处理电路和信号发射装置,电池分别与薄膜应变计,信号处理电路和信号发射装置电连接。电池负责供应能源,薄膜应变计负责感知因切削力而产生的刀柄表面应变信号,信号处理电路对薄膜应变计测量的信号进行采集、放大处理,信号发射装置将信号处理电路处理的信息传输到信号接收装置,并上传至上位机进行数据分析。(The invention discloses a milling force measuring instrument based on a film strain gauge, which comprises a tool handle, wherein an electromechanical device is fixed on the tool handle, the electromechanical device comprises a battery, the film strain gauge, a signal processing circuit and a signal emitting device, and the battery is respectively and electrically connected with the film strain gauge, the signal processing circuit and the signal emitting device. The battery is responsible for supplying the energy, and the film strain gauge is responsible for the perception handle of a knife surface strain signal that produces because of the cutting force, and signal processing circuit gathers, the amplification processing to the signal that the film strain gauge measured, and signal emission device transmits the information that signal processing circuit handled to signal receiving arrangement to upload to the host computer and carry out data analysis.)
技术领域
本发明属于切削力测量装置技术领域，具体涉及一种基于薄膜应变计的铣削力测量仪。
背景技术
机械切削加工过程中，切削力是一项重要参数，通过监测切削力的大小与方向，可以用于刀具磨损和加工零件质量的预测与评估，同时也能指导加工参数的调整，对实现智能化生产制造具有重大意义。
切削力在刀具与工件的切削啮合点处产生，根据牛顿第三定律，切削力可以在工件端或刀具端测量。以铣削加工来说，可以采用工作台式测力仪测量工件端切削力，但因其存在装夹复杂、加工工件尺寸受限等缺陷而不能广泛适用于生产加工中；相反地，采用测量刀具端切削力的方式，可以很好地解决以上问题。
采用刀具端测量切削力的方式，常用的方法是通过感知刀具端机械变形进行间接测量切削力。例如在铣削加工中，可以通过感知刀柄的机械变形以测量切削力；其中常用的感知元件以电阻式应变传感器为主，又称电阻应变计，其工作原理为：当外界力/力矩引起被测件机械变形后，传感器内部敏感材料的几何形状也相应发生一定改变，导致敏感材料的电阻产生变化，通过对电阻变化引起的电信号进行采集、放大等处理，可以测量出被测件的应变变化，并间接测量出被测件受力大小。
市场上常见的电阻式应变传感器以粘贴式电阻应变计为主，需要借助粘结剂和被测件表面紧密贴合以进行测量，但是采用粘结剂与被测件结合的方式会带来一定的滞后与蠕变问题。若采用粘贴式应变计用于测量刀柄表面应变以测量切削力，伴随实际加工特性：(1)刀具加工中高速旋转且伴随着高频振动；(2)温度较高；(3)因刀柄高刚性导致刀柄表面应变信号微弱；粘贴式应变计的缺陷会更加明显，难以测量刀柄表面的微弱应变信号。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种集成刀柄式切削力测量装置，内部采用基于电阻式薄膜应变计采集应变信号及其布局和设计方法，并在刀柄周身紧固一种机电装置；内部有信号处理电路和信号发射装置，信号数据传输到上位机对切削力进行求解，实现在加工过程中切削力的实时无线监测的基于薄膜应变计的铣削力测量仪。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于薄膜应变计的铣削力测量仪，包括刀柄，刀柄上固定有机电装置，机电装置包括电池，薄膜应变计，信号处理电路和信号发射装置，电池分别与薄膜应变计，信号处理电路和信号发射装置电连接；电池负责供应能源，薄膜应变计负责感知因切削力而产生的刀柄表面应变信号，信号处理电路对薄膜应变计测量的信号进行采集、放大处理，信号发射装置将信号处理电路处理的信息传输到信号接收装置，并上传至上位机进行数据分析。
进一步地，所述薄膜应变计的安装方法包括以下步骤：
S1、对刀柄进行薄壁化处理；
S2、在刀柄柱形表面加工出薄膜应变计放置区域；
S3、在步骤S2中得到的区域内进行平面切割及抛光处理；
S4、在步骤S3进行切割处理后的放置区域上安装薄膜应变计；
S5、步骤S4中安装的薄膜应变计将刀柄所受的切削力信号进行分解并上传至上位机进行数据分析。
进一步地，所述步骤S2中薄膜应变计放置区域的数量为四个且相隔90°分布在刀柄的外表面。
进一步地，所述步骤S5中将切削力可分解为沿轴向的力Fz、指向刀具中心的力Fx及沿刀具切向的力Fy，以刀具中心点作为力分析对象，Fz、Fx和Fy可分解为刀柄上的轴向力Fz、弯矩Mx、My和扭矩T，单独的轴向力使刀柄表面产生拉伸、压缩的应变效果，在刀柄轴向的同一高度上，其表面周向上的主应变沿轴向方向，大小保持一致；单独的弯矩使刀柄表面也产生拉伸、压缩的应变效果，在刀柄轴向的同一高度上，其表面周向上的主应变沿轴向方向且呈正弦变化，相距180°的两处应变，大小相等、方向相反；单独的扭矩使刀柄表面产生扭转效果，在刀柄轴向的同一高度上，其表面周向上的主应变沿与轴向成45°方向，大小保持一致
进一步地，所述薄膜应变计中每四个薄膜应变计构成一个薄膜应变计组，四个薄膜应变计分别命名为A1、A2、B1和B2，A1与A2用于感知扭矩T带来的应变，B1与B2用于感知弯矩M和轴向力F带来的应变。
进一步地，所述薄膜应变计组的数量为四个且相距间隔90°，薄膜应变计组分别设为薄膜应变计第一组、薄膜应变计第二组、薄膜应变计第三组和薄膜应变计第四组，薄膜应变计第一组、薄膜应变计第二组、薄膜应变计第三组和薄膜应变计第四组通过信号的叠加得出轴向力Fz所带来的应变信号，通过信号的相减得出弯矩Mx和My所带来的的应变信号。
进一步地，所述刀柄为回转体结构，刀柄的中部开设有刀柄凹槽，薄膜应变计放置区域位于刀柄凹槽内。
进一步地，所述薄膜应变计包括自下而上布置的绝缘层、应变层和防护层，绝缘层通过磁控溅射技术制备于刀柄表面，用于保证应变层与刀柄的电气绝缘，应变层包括应变栅组和电极，应变层采用光刻、掩膜技术，采用磁控溅射技术将应变栅组和电极制备于绝缘层表面，用于感知被测件的应变信号，同时配有电极连接导线与外部电路相连，进行信号的处理；防护层采用磁控溅射技术制备于应变层之上，用于防止外界环境的干扰。
进一步地，所述应变栅组由多个布置方向不同的应变栅组成，以感知不同方向的切削力所带来的应变，应变栅与电极相连，电极通过导线与信号处理电路电连接。
本发明的有益效果是：本发明所提供的种基于薄膜应变计的铣削力测量仪，内部采用基于电阻式薄膜应变计采集应变信号及其布局和设计方法，并在刀柄周身紧固一种机电装置，内部有信号处理电路和信号发射装置，信号数据传输到上位机对切削力进行求解，实现在加工过程中切削力的实时无线监测。本发明结构简单，制造方便，实用范围广，测量数据精确。
附图说明
图1是本发明一种基于薄膜应变计的铣削力测量仪的原理图；
图2是本发明薄膜应变计的安装步骤图；
图3是本发明薄膜应变计在刀柄上的分布示意图；
图4是本发明图3的截面示意图；
图5是本发明刀柄的结构示意图；
图6是本发明薄膜应变计的结构示意图；
图7是本发明应变层的结构示意图。
附图标记说明：2、绝缘层；3、应变层；4、防护层；5、应变栅组；6、电极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1到图7所示，本发明提供的一种基于薄膜应变计的铣削力测量仪，包括刀柄，刀柄上固定有机电装置，机电装置包括电池，薄膜应变计，信号处理电路和信号发射装置，电池分别与薄膜应变计，信号处理电路和信号发射装置电连接。电池负责供应能源，薄膜应变计负责感知因切削力而产生的刀柄表面应变信号，信号处理电路对薄膜应变计测量的信号进行采集、放大处理，信号发射装置将信号处理电路处理的信息传输到信号接收装置，并上传至上位机进行数据分析。
在本实施例中，薄膜应变计只是针对本技术方案的一个案例，在实际使用过程中可根据不同的使用需要进行更换不同的薄膜应变传感器，以增加本发明的实用性。
如图2所示，薄膜应变计的安装方法包括以下步骤：
S1、对刀柄进行薄壁化处理。
S2、在刀柄柱形表面加工出薄膜应变计放置区域。
在步骤S2中，薄膜应变计放置区域的数量为四个且相隔90°分布在刀柄的外表面。
S3、在步骤S2中得到的区域内进行平面切割及抛光处理。
S4、在步骤S3进行切割处理后的放置区域上安装薄膜应变计。
S5、步骤S4中安装的薄膜应变计将刀柄所受的切削力信号进行分解并上传至上位机进行数据分析。
步骤S5中将切削力可分解为沿轴向的力Fz、指向刀具中心的力Fx及沿刀具切向的力Fy，以刀具中心点作为力分析对象，Fz、Fx和Fy可分解为刀柄上的轴向力Fz、弯矩Mx、My和扭矩T，单独的轴向力使刀柄表面产生拉伸、压缩的应变效果，在刀柄轴向的同一高度上，其表面周向上的主应变沿轴向方向，大小保持一致；单独的弯矩使刀柄表面也产生拉伸、压缩的应变效果，在刀柄轴向的同一高度上，其表面周向上的主应变沿轴向方向且呈正弦变化，相距180°的两处应变，大小相等、方向相反；单独的扭矩使刀柄表面产生扭转效果，在刀柄轴向的同一高度上，其表面周向上的主应变沿与轴向成45°方向，大小保持一致。
在本实施例中，薄膜应变计的尺寸在微纳米量级，在刀柄柱形表面恰当位置制备薄膜应变传感器属于微纳加工工艺范畴，按照现有成熟的微纳加工工艺，首先需要在刀柄恰当位置加工出合适表面质量的平面区域以便于加工。在此基础上，在设定位置处进行适当的平面切割处理，得到四部分微小平面区域的用于薄膜应变计的制备。
同时为提高刀柄表面应变灵敏度以提升应变计的测量效果，对刀柄进行适当的薄壁化处理。
如图3所示，薄膜应变计中每四个薄膜应变计构成一个薄膜应变计组，四个薄膜应变计分别命名为A1、A2、B1和B2，A1与A2用于感知扭矩T带来的应变，B1与B2用于感知弯矩M和轴向力F带来的应变。
如图4所示，薄膜应变计组的数量为四个且相距间隔90°，薄膜应变计组分别设为薄膜应变计第一组、薄膜应变计第二组、薄膜应变计第三组和薄膜应变计第四组，薄膜应变计第一组、薄膜应变计第二组、薄膜应变计第三组和薄膜应变计第四组通过信号的叠加得出轴向力Fz所带来的应变信号，通过信号的相减得出弯矩Mx和My所带来的的应变信号。
在图4中，数字标记代号“1、2、3、4”分别与薄膜应变计第一组、薄膜应变计第二组、薄膜应变计第三组和薄膜应变计第四组对应。
如图5所示，刀柄为回转体结构，刀柄的中部开设有刀柄凹槽，薄膜应变计放置区域位于刀柄凹槽内。
通过对刀柄自身结构上的改造，可以提升刀柄表面受力产生应变的灵敏度，同时通过控制好薄壁化的程度可以但做到不过多影响刀柄自身结构特性而影响加工精度。
如图6和图7所示，薄膜应变计包括自下而上布置的绝缘层2、应变层3和防护层4，绝缘层2通过磁控溅射技术制备于刀柄表面，用于保证应变层3与刀柄的电气绝缘，应变层3包括应变栅组5和电极6，应变层3采用光刻、掩膜技术，采用磁控溅射技术将应变栅组5和电极6制备于绝缘层表面，用于感知刀柄的应变信号，同时配有电极连接导线与外部电路相连，进行信号的处理。防护层4采用磁控溅射技术制备于应变层3之上，用于防止外界环境的干扰。
应变栅组5由多个布置方向不同的应变栅组成，以感知不同方向的切削力所带来的应变，应变栅与电极相连，电极通过导线与信号处理电路电连接。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
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