專(zhuān)利名稱(chēng)：一種測(cè)量回轉(zhuǎn)加工扭矩及軸向力的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專(zhuān)利屬于測(cè)量?jī)x器，具體涉及一種回轉(zhuǎn)加工中測(cè)量扭矩及軸向力的傳感器。
背景技術(shù)：
在研究鉆孔、攻絲，振動(dòng)鉆孔、振動(dòng)攻絲中，需要測(cè)量加工的扭矩與軸向力，目前，測(cè)量鉆削力矩和鉆削的軸向力、攻絲力矩和攻絲的軸向力的方法有應(yīng)變式和壓電式。壓電式測(cè)量傳感器具有剛度好、遲滯小、固有頻率高等優(yōu)點(diǎn)，適合各種動(dòng)態(tài)力和力矩的測(cè)量。但在測(cè)量靜態(tài)或頻率較低的情況下測(cè)量精度不高。應(yīng)變式傳感器是一種廣泛用來(lái)測(cè)量力和扭矩的裝置，按彈性元件的不同，有圓柱式、圓筒式、輪輻式、立筋式多種形式。圓柱式和圓筒式是常見(jiàn)的彈性元件形式，但在測(cè)量小的力矩時(shí)，存在圓柱的直徑很小、或者圓筒的壁厚很薄，固有頻率低，不適合測(cè)量振動(dòng)加工時(shí)的扭矩和軸向力；由于形狀的限制，無(wú)法通過(guò)改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)解決這些問(wèn)題。輪輻式彈性元件，一般在輪輻上貼應(yīng)變片，通過(guò)剪應(yīng)力測(cè)量軸向力。立筋式彈性元件用來(lái)測(cè)量扭矩，有些立筋式為了解決圓筒式筒壁太薄的問(wèn)題，由幾個(gè)立柱替代了圓筒，用應(yīng)變片測(cè)量幾個(gè)立柱上的剪應(yīng)力實(shí)現(xiàn)力矩的測(cè)量；也有采用4個(gè)立筋，通過(guò)測(cè)量彎曲應(yīng)力測(cè)量扭矩。如果要同時(shí)測(cè)量扭矩和軸向力，就存在承受偏載的能力差、一個(gè)被測(cè)參數(shù)靈敏度低，兩個(gè)被測(cè)參數(shù)相互干擾等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決傳統(tǒng)的圓柱式、薄壁筒式傳感器在小孔鉆孔、攻絲和振動(dòng)鉆孔、振動(dòng)攻絲中測(cè)量扭矩和軸向力存在的一個(gè)被測(cè)參數(shù)靈敏度差，承載偏載能力差等不足的問(wèn)題，發(fā)明了一種能夠直接測(cè)量扭矩和軸向力的復(fù)合式傳感器。該傳感器基于應(yīng)變測(cè)量的原理，其彈性元件采用四梁四柱整體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明專(zhuān)利采用的技術(shù)方案是該傳感器由彈性元件、底板、工件夾持裝置、殼體、橡膠防護(hù)罩、定位銷(xiāo)、螺釘、插頭組成。彈性元件是一個(gè)四梁四柱結(jié)構(gòu)的整體加工件；四梁四柱均為兩端固定連接結(jié)構(gòu)；四個(gè)柱均勻分布在一個(gè)圓上；四個(gè)柱的截面均為相同的長(zhǎng)方形，四個(gè)柱截面的長(zhǎng)邊沿分布圓的徑向；四個(gè)柱的一端是上圓環(huán)，四個(gè)柱截面的長(zhǎng)邊與上圓環(huán)的徑向厚度相等，四個(gè)柱與上圓環(huán)是一次加工的固定連接；四個(gè)柱的另一端是過(guò)渡圓盤(pán)，過(guò)渡圓盤(pán)的一端是大圓盤(pán)，另一端是同心小圓柱；四個(gè)柱與過(guò)渡圓盤(pán)中的大圓盤(pán)也是一次加工的固定連接；過(guò)渡圓盤(pán)上的小圓柱與四個(gè)梁也是一次加工的固定連接，四個(gè)梁均勻分布在與小圓柱軸心垂直的一個(gè)平面，四個(gè)梁的長(zhǎng)度方向沿小圓柱徑向；四個(gè)梁的截面也是矩形，矩形的長(zhǎng)邊與小圓柱的軸線垂直；四個(gè)梁的另一端是下圓環(huán)，下圓環(huán)與四個(gè)梁也是一次加工的固定連接。彈性元件的下圓環(huán)與底板通過(guò)止口定位，通過(guò)銷(xiāo)釘、螺釘連接。工件夾持裝置由工件夾持盤(pán)和夾緊螺釘組成，工件夾持盤(pán)是帶有四個(gè)凸沿的圓板，也可以是環(huán)狀凸沿的圓板，凸沿上有螺紋孔，四個(gè)夾緊螺釘在螺紋孔中；彈性元件的上圓環(huán)與工件夾持盤(pán)也是通過(guò)止口定位，通過(guò)銷(xiāo)釘、螺釘連接。殼體是一個(gè)圓環(huán)體，一端通過(guò)螺釘與彈性元件的下圓環(huán)聯(lián)結(jié)，在殼體上安裝有插頭。為了防止工件加工時(shí)軸向力和力矩通過(guò)殼體傳遞到底板，影響傳感器精度，殼體與工件夾緊裝置之間是一個(gè)橡膠防護(hù)罩。在四個(gè)柱的一端貼有4個(gè)應(yīng)變計(jì)或者8個(gè)應(yīng)變計(jì)，接成全橋用于測(cè)量扭矩；四個(gè)梁靠近下圓環(huán)一端貼有4個(gè)應(yīng)變計(jì)或者8個(gè)應(yīng)變計(jì)，用于測(cè)量軸向力。兩個(gè)應(yīng)變橋電路與插頭聯(lián)結(jié)，將信息送入二次儀表中進(jìn)行處理。本發(fā)明有以下特點(diǎn)1.將測(cè)量扭矩的彈性體與測(cè)量軸向力的彈性體分開(kāi)，可以減少相互影響，兩個(gè)被測(cè)量都可以達(dá)到合適的靈敏度；2.采用四柱結(jié)構(gòu)，由于四柱的分布圓直徑較大，增加了傳感器的抗彎剛度，在測(cè)量小扭矩時(shí)承受偏載能力增強(qiáng)；3.采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法改變四個(gè)柱的高度、截面尺寸和分布圓直徑，改變四個(gè)梁的長(zhǎng)度、截面尺寸等，傳感器就可以滿(mǎn)足不同的測(cè)量范圍、不同的靈敏度和固有頻率的要求。


附圖中圖1是本發(fā)明專(zhuān)利實(shí)施例的結(jié)構(gòu)縱向剖面圖。圖2是圖1的A-A向剖面圖。圖3是圖1的B-B向剖視圖。圖中1.底板2.底板螺釘3.彈性元件4.殼體5.橡膠防護(hù)罩6.工件夾持盤(pán)7.夾緊螺釘8夾持盤(pán)螺釘9.夾持盤(pán)銷(xiāo)釘10.插頭11.底板銷(xiāo)釘12.殼體固定螺釘
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明專(zhuān)利的結(jié)構(gòu)和工作原理作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例，本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)見(jiàn)附圖。結(jié)構(gòu)包括彈性元件3、底板I、工件夾持盤(pán)6、殼體4、橡膠防護(hù)罩5、插頭10、4個(gè)底板螺釘2和兩個(gè)底板銷(xiāo)釘11、4個(gè)夾持盤(pán)螺釘8和兩個(gè)夾持盤(pán)銷(xiāo)釘9、4個(gè)殼體固定螺釘12。彈性元件是一個(gè)整體加工件；分別由四個(gè)柱b、四個(gè)梁d、上圓環(huán)a、過(guò)渡圓盤(pán)C、下圓環(huán)e組成，由于是整體加工而成，四個(gè)柱b是由一個(gè)圓環(huán)通過(guò)線切割加工而成，圓環(huán)的內(nèi)徑、外徑與上圓環(huán)相同；由于是整體加工，四柱與上圓環(huán)、過(guò)渡圓盤(pán)固定連接，形成了 4個(gè)力學(xué)中兩端固定的梁；同樣，與過(guò)渡圓盤(pán)小圓柱連接的四個(gè)梁，也與過(guò)渡圓盤(pán)、下圓環(huán)形成固定連接，也形成4個(gè)力學(xué)中兩端固定梁。彈性元件與底板I連接，用底板銷(xiāo)釘11防止扭轉(zhuǎn)時(shí)彈性元件與底板扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，用底板螺釘2軸向聯(lián)結(jié)。彈性元件與工件夾持盤(pán)6通過(guò)夾持盤(pán)銷(xiāo)釘9傳遞扭矩，通過(guò)夾持盤(pán)螺釘8連接。殼體4是為了防護(hù)和安裝插頭10的，通過(guò)殼體固定螺釘12與彈性元件連接。在四個(gè)柱的一端貼有8個(gè)應(yīng)變計(jì)，接成全橋用于測(cè)量扭矩；四個(gè)梁靠近下圓環(huán)一端貼有8個(gè)應(yīng)變計(jì)，用于測(cè)量軸向力。兩個(gè)應(yīng)變橋電路與插頭聯(lián)結(jié)，將信息送入二次儀表中進(jìn)行處理。測(cè)量時(shí)，將試件放置在工件夾持盤(pán)上，調(diào)節(jié)4個(gè)夾緊螺釘7將試件夾緊。彈性元件中的四個(gè)柱b用于測(cè)量扭矩，當(dāng)絲錐、鉆頭等刀具加工試件時(shí)，給試件施加一個(gè)力矩，該力矩通過(guò)夾持裝置傳遞到彈性元件上；由于彈性元件中的四個(gè)柱變形，彈性元件的上圓環(huán)相對(duì)于過(guò)渡圓盤(pán)繞中心產(chǎn)生角位移，彈性元件中的四個(gè)柱兩端都是固定連接，每個(gè)柱的結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)， 受力后的變形也是對(duì)稱(chēng)的，從柱的中間切開(kāi)進(jìn)行受力分析，柱的一半就是一個(gè)懸臂梁的受力模型。懸臂梁的固定端是應(yīng)力最大的部位，應(yīng)變計(jì)就貼在梁的端部留出一個(gè)加工圓角半徑的位置。與懸臂梁稍有不同的是每個(gè)柱上還有一個(gè)很小的平面扭轉(zhuǎn)變形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該變形對(duì)傳感器精度影響很小。同樣當(dāng)絲錐、鉆頭等刀具加工時(shí)給試件施加一個(gè)軸向力，該軸向力通過(guò)夾持裝置傳遞到彈性元件上，由彈性元件的上圓環(huán)a、四個(gè)柱b、過(guò)渡圓盤(pán)c傳遞到四個(gè)梁d上；四個(gè)梁也是兩端固定、結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)的梁，從每個(gè)梁的中間剖開(kāi)進(jìn)行受力分析也是一個(gè)懸臂梁，應(yīng)力最大的截面在固定端；由于貼片空間的限制，8個(gè)應(yīng)變片貼在四個(gè)梁靠下圓環(huán)e—端。四個(gè)柱在傳遞軸向力時(shí)也產(chǎn)生應(yīng)變，在軸向力作用下，四個(gè)柱上的應(yīng)變方向相同，在應(yīng)變電橋中相互抵消，軸向力對(duì)扭矩測(cè)量影響很小。為了防止外界的灰塵、切屑等對(duì)應(yīng)變計(jì)電路的影響，需要將應(yīng)變計(jì)電路部分封閉起來(lái)，本發(fā)明的封閉部分采用了組合結(jié)構(gòu)；為了安裝插頭10，且在搬運(yùn)、安裝時(shí)便于操作，殼體4采用了金屬材料；為了減少扭矩和軸向力在傳感器中傳遞時(shí)防護(hù)部分的影響，殼體4與工件夾持盤(pán)6之間采用了薄橡膠環(huán)封閉。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量回轉(zhuǎn)加工扭矩及軸向力的傳感器，包括彈性元件(3)、底板(I)、工件夾持裝置、殼體(4)、橡膠防護(hù)罩(5)、定位銷(xiāo)、螺釘、插頭(10)組成，其特征在于彈性元件的下圓環(huán)(e)與底板通過(guò)止口定位，通過(guò)銷(xiāo)釘、螺釘連接；工件夾持裝置由工件夾持盤(pán)(6)和夾緊螺釘(7)組成，工件夾持盤(pán)是帶有四個(gè)凸沿的圓板，也可以是環(huán)狀凸沿的圓板，凸沿上有螺紋孔，四個(gè)夾緊螺釘在螺紋孔中；彈性元件的上圓環(huán)(a)與工件夾持盤(pán)也是通過(guò)止口定位，通過(guò)銷(xiāo)釘、螺釘連接；殼體是一個(gè)圓環(huán)體，一端通過(guò)螺釘與彈性元件的下圓環(huán)聯(lián)結(jié)，在殼體上安裝有插頭；殼體與工件夾緊裝置之間是一個(gè)橡膠防護(hù)罩。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種測(cè)量回轉(zhuǎn)加工扭矩及軸向力的傳感器，其特征在于彈性元件是一個(gè)四梁四柱結(jié)構(gòu)的整體加工件；四梁四柱均為兩端固定連接結(jié)構(gòu)；四個(gè)柱(b)均勻分布在一個(gè)圓上；四個(gè)柱的截面均為相同的長(zhǎng)方形，四個(gè)柱截面的長(zhǎng)邊沿分布圓的徑向；四個(gè)柱的一端是上圓環(huán)，四個(gè)柱截面的長(zhǎng)邊與上圓環(huán)的徑向厚度相等，四個(gè)柱與上圓環(huán)是一次加工的固定連接；四個(gè)柱的另一端是過(guò)渡圓盤(pán)(C)，過(guò)渡圓盤(pán)的一端是大圓盤(pán)，另一端是同心小圓柱；四個(gè)柱與過(guò)渡圓盤(pán)中的大圓盤(pán)也是一次加工的固定連接；過(guò)渡圓盤(pán)上的小圓柱與四個(gè)梁(d)也是一次加工的固定連接，四個(gè)梁均勻分布在與小圓柱軸心垂直的一個(gè)平面，四個(gè)梁的長(zhǎng)度方向沿小圓柱徑向；四個(gè)梁的截面也是矩形，矩形的長(zhǎng)邊與小圓柱的軸線垂直；四個(gè)梁的另一端是下圓環(huán)，下圓環(huán)與四個(gè)梁也是一次加工的固定連接。
全文摘要
本發(fā)明專(zhuān)利公開(kāi)了一種測(cè)量回轉(zhuǎn)加工扭矩及軸向力的傳感器，采用應(yīng)變式測(cè)量原理，主要用于回轉(zhuǎn)加工過(guò)程中測(cè)量扭矩和軸向力。該傳感器由彈性元件(3)、底板(1)、工件夾持裝置、殼體(4)、橡膠防護(hù)罩(5)、定位銷(xiāo)、螺釘、插頭(10)組成。本發(fā)明的特征是彈性元件是一個(gè)四梁四柱結(jié)構(gòu)的整體加工件；彈性元件分別包含上圓環(huán)(a)、四柱(b)、過(guò)渡圓盤(pán)(c)、四梁(d)和下圓環(huán)(e)，四柱分別與上圓環(huán)、過(guò)渡圓盤(pán)相連，形成4個(gè)力學(xué)中兩端固定的梁，用于測(cè)量扭矩；四梁分別與下圓環(huán)和過(guò)渡圓盤(pán)相連，也形成4個(gè)力學(xué)中的兩端固定的梁，用于測(cè)量軸向力。該結(jié)構(gòu)靈敏度高，抗偏載能力強(qiáng)，可以滿(mǎn)足不同的測(cè)量范圍、不同的靈敏度和固有頻率的要求。
文檔編號(hào)G01L5/12GK102620872SQ20121006889
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月8日
發(fā)明者楊明亮 申請(qǐng)人:陜西理工學(xué)院