CN102620872A - 一种测量回转加工扭矩及轴向力的传感器 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种测量回转加工扭矩及轴向力的传感器

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、或者圆筒的壁厚很薄，固有频率低，不适合测量振动加工时的扭矩和轴向力；由于形状的限制，无法通过改变设计参数解决这些问题。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。

附图说明

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1、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1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一端。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。

Claims (2)

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(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，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1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。

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