专利名称：一种测量回转加工扭矩及轴向力的传感器的制作方法
技术领域：
本发明专利属于测量仪器，具体涉及一种回转加工中测量扭矩及轴向力的传感器。
背景技术：
在研究钻孔、攻丝，振动钻孔、振动攻丝中，需要测量加工的扭矩与轴向力，目前，测量钻削力矩和钻削的轴向力、攻丝力矩和攻丝的轴向力的方法有应变式和压电式。压电式测量传感器具有刚度好、迟滞小、固有频率高等优点，适合各种动态力和力矩的测量。但在测量静态或频率较低的情况下测量精度不高。应变式传感器是一种广泛用来测量力和扭矩的装置，按弹性元件的不同，有圆柱式、圆筒式、轮辐式、立筋式多种形式。圆柱式和圆筒式是常见的弹性元件形式，但在测量小的力矩时，存在圆柱的直径很小、或者圆筒的壁厚很�。逃衅德实停皇屎喜饬空穸庸な钡呐ぞ睾椭嵯蛄Γ挥捎谛巫吹南拗疲薹ㄍü谋渖杓撇问饩稣庑┪侍�。轮辐式弹性元件，一般在轮辐上贴应变片，通过剪应力测量轴向力。立筋式弹性元件用来测量扭矩，有些立筋式为了解决圆筒式筒壁太薄的问题，由几个立柱替代了圆筒，用应变片测量几个立柱上的剪应力实现力矩的测量；也有采用4个立筋，通过测量弯曲应力测量扭矩。如果要同时测量扭矩和轴向力，就存在承受偏载的能力差、一个被测参数灵敏度低，两个被测参数相互干扰等问题。
发明内容
为了解决传统的圆柱式、薄壁筒式传感器在小孔钻孔、攻丝和振动钻孔、振动攻丝中测量扭矩和轴向力存在的一个被测参数灵敏度差，承载偏载能力差等不足的问题，发明了一种能够直接测量扭矩和轴向力的复合式传感器。该传感器基于应变测量的原理，其弹性元件采用四梁四柱整体结构。本发明专利采用的技术方案是该传感器由弹性元件、底板、工件夹持装置、壳体、橡胶防护罩、定位销、螺钉、插头组成。弹性元件是一个四梁四柱结构的整体加工件；四梁四柱均为两端固定连接结构；四个柱均匀分布在一个圆上；四个柱的截面均为相同的长方形，四个柱截面的长边沿分布圆的径向；四个柱的一端是上圆环，四个柱截面的长边与上圆环的径向厚度相等，四个柱与上圆环是一次加工的固定连接；四个柱的另一端是过渡圆盘，过渡圆盘的一端是大圆盘，另一端是同心小圆柱；四个柱与过渡圆盘中的大圆盘也是一次加工的固定连接；过渡圆盘上的小圆柱与四个梁也是一次加工的固定连接，四个梁均匀分布在与小圆柱轴心垂直的一个平面，四个梁的长度方向沿小圆柱径向；四个梁的截面也是矩形，矩形的长边与小圆柱的轴线垂直；四个梁的另一端是下圆环，下圆环与四个梁也是一次加工的固定连接。弹性元件的下圆环与底板通过止口定位，通过销钉、螺钉连接。工件夹持装置由工件夹持盘和夹紧螺钉组成，工件夹持盘是带有四个凸沿的圆板，也可以是环状凸沿的圆板，凸沿上有螺纹孔，四个夹紧螺钉在螺纹孔中；弹性元件的上圆环与工件夹持盘也是通过止口定位，通过销钉、螺钉连接。壳体是一个圆环体，一端通过螺钉与弹性元件的下圆环联结，在壳体上安装有插头。为了防止工件加工时轴向力和力矩通过壳体传递到底板，影响传感器精度，壳体与工件夹紧装置之间是一个橡胶防护罩。在四个柱的一端贴有4个应变计或者8个应变计，接成全桥用于测量扭矩；四个梁靠近下圆环一端贴有4个应变计或者8个应变计，用于测量轴向力。两个应变桥电路与插头联结，将信息送入二次仪表中进行处理。本发明有以下特点1.将测量扭矩的弹性体与测量轴向力的弹性体分开，可以减少相互影响，两个被测量都可以达到合适的灵敏度；2.采用四柱结构，由于四柱的分布圆直径较大，增加了传感器的抗弯刚度，在测量小扭矩时承受偏载能力增强；3.采用优化设计的方法改变四个柱的高度、截面尺寸和分布圆直径，改变四个梁的长度、截面尺寸等，传感器就可以满足不同的测量范围、不同的灵敏度和固有频率的要求。
附图中图1是本发明专利实施例的结构纵向剖面图。图2是图1的A-A向剖面图。图3是图1的B-B向剖视图。图中1.底板2.底板螺钉3.弹性元件4.壳体5.橡胶防护罩6.工件夹持盘7.夹紧螺钉8夹持盘螺钉9.夹持盘销钉10.插头11.底板销钉12.壳体固定螺钉
具体实施例方式下面结合附图对本发明专利的结构和工作原理作进一步详细说明。实施例，本实施例的结构见附图。结构包括弹性元件3、底板I、工件夹持盘6、壳体4、橡胶防护罩5、插头10、4个底板螺钉2和两个底板销钉11、4个夹持盘螺钉8和两个夹持盘销钉9、4个壳体固定螺钉12。弹性元件是一个整体加工件；分别由四个柱b、四个梁d、上圆环a、过渡圆盘C、下圆环e组成，由于是整体加工而成，四个柱b是由一个圆环通过线切割加工而成，圆环的内径、外径与上圆环相同；由于是整体加工，四柱与上圆环、过渡圆盘固定连接，形成了 4个力学中两端固定的梁；同样，与过渡圆盘小圆柱连接的四个梁，也与过渡圆盘、下圆环形成固定连接，也形成4个力学中两端固定梁。弹性元件与底板I连接，用底板销钉11防止扭转时弹性元件与底板扭转转动，用底板螺钉2轴向联结。弹性元件与工件夹持盘6通过夹持盘销钉9传递扭矩，通过夹持盘螺钉8连接。壳体4是为了防护和安装插头10的，通过壳体固定螺钉12与弹性元件连接。在四个柱的一端贴有8个应变计，接成全桥用于测量扭矩；四个梁靠近下圆环一端贴有8个应变计，用于测量轴向力。两个应变桥电路与插头联结，将信息送入二次仪表中进行处理。测量时，将试件放置在工件夹持盘上，调节4个夹紧螺钉7将试件夹紧。弹性元件中的四个柱b用于测量扭矩，当丝锥、钻头等刀具加工试件时，给试件施加一个力矩，该力矩通过夹持装置传递到弹性元件上；由于弹性元件中的四个柱变形，弹性元件的上圆环相对于过渡圆盘绕中心产生角位移，弹性元件中的四个柱两端都是固定连接，每个柱的结构对称， 受力后的变形也是对称的，从柱的中间切开进行受力分析，柱的一半就是一个悬臂梁的受力模型。悬臂梁的固定端是应力最大的部位，应变计就贴在梁的端部留出一个加工圆角半径的位置。与悬臂梁稍有不同的是每个柱上还有一个很小的平面扭转变形，实验结果证明该变形对传感器精度影响很小。同样当丝锥、钻头等刀具加工时给试件施加一个轴向力，该轴向力通过夹持装置传递到弹性元件上，由弹性元件的上圆环a、四个柱b、过渡圆盘c传递到四个梁d上；四个梁也是两端固定、结构对称的梁，从每个梁的中间剖开进行受力分析也是一个悬臂梁，应力最大的截面在固定端；由于贴片空间的限制，8个应变片贴在四个梁靠下圆环e—端。四个柱在传递轴向力时也产生应变，在轴向力作用下，四个柱上的应变方向相同，在应变电桥中相互抵消，轴向力对扭矩测量影响很小。为了防止外界的灰尘、切屑等对应变计电路的影响，需要将应变计电路部分封闭起来，本发明的封闭部分采用了组合结构；为了安装插头10，且在搬运、安装时便于操作，壳体4采用了金属材料；为了减少扭矩和轴向力在传感器中传递时防护部分的影响，壳体4与工件夹持盘6之间采用了薄橡胶环封闭。
权利要求
1.一种测量回转加工扭矩及轴向力的传感器，包括弹性元件(3)、底板(I)、工件夹持装置、壳体(4)、橡胶防护罩(5)、定位销、螺钉、插头(10)组成，其特征在于弹性元件的下圆环(e)与底板通过止口定位，通过销钉、螺钉连接；工件夹持装置由工件夹持盘(6)和夹紧螺钉(7)组成，工件夹持盘是带有四个凸沿的圆板，也可以是环状凸沿的圆板，凸沿上有螺纹孔，四个夹紧螺钉在螺纹孔中；弹性元件的上圆环(a)与工件夹持盘也是通过止口定位，通过销钉、螺钉连接；壳体是一个圆环体，一端通过螺钉与弹性元件的下圆环联结，在壳体上安装有插头；壳体与工件夹紧装置之间是一个橡胶防护罩。
2.根据权利要求I所述的一种测量回转加工扭矩及轴向力的传感器，其特征在于弹性元件是一个四梁四柱结构的整体加工件；四梁四柱均为两端固定连接结构；四个柱(b)均匀分布在一个圆上；四个柱的截面均为相同的长方形，四个柱截面的长边沿分布圆的径向；四个柱的一端是上圆环，四个柱截面的长边与上圆环的径向厚度相等，四个柱与上圆环是一次加工的固定连接；四个柱的另一端是过渡圆盘(C)，过渡圆盘的一端是大圆盘，另一端是同心小圆柱；四个柱与过渡圆盘中的大圆盘也是一次加工的固定连接；过渡圆盘上的小圆柱与四个梁(d)也是一次加工的固定连接，四个梁均匀分布在与小圆柱轴心垂直的一个平面，四个梁的长度方向沿小圆柱径向；四个梁的截面也是矩形，矩形的长边与小圆柱的轴线垂直；四个梁的另一端是下圆环，下圆环与四个梁也是一次加工的固定连接。
全文摘要
本发明专利公开了一种测量回转加工扭矩及轴向力的传感器，采用应变式测量原理，主要用于回转加工过程中测量扭矩和轴向力。该传感器由弹性元件(3)、底板(1)、工件夹持装置、壳体(4)、橡胶防护罩(5)、定位销、螺钉、插头(10)组成。本发明的特征是弹性元件是一个四梁四柱结构的整体加工件；弹性元件分别包含上圆环(a)、四柱(b)、过渡圆盘(c)、四梁(d)和下圆环(e)，四柱分别与上圆环、过渡圆盘相连，形成4个力学中两端固定的梁，用于测量扭矩；四梁分别与下圆环和过渡圆盘相连，也形成4个力学中的两端固定的梁，用于测量轴向力。该结构灵敏度高，抗偏载能力强，可以满足不同的测量范围、不同的灵敏度和固有频率的要求。
文档编号G01L5/12GK102620872SQ20121006889
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月8日 优先权日2012年3月8日
发明者杨明亮 申请人:陕西理工学院
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
