一種嵌入式薄膜切削力傳感器的設(shè)計(jì)與研究*

李 琦，武文革，成云平，李學(xué)瑞

(中北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，太原 030051)

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一種嵌入式薄膜切削力傳感器的設(shè)計(jì)與研究*

李 琦，武文革，成云平，李學(xué)瑞

(中北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，太原 030051)

設(shè)計(jì)了一種嵌入式薄膜傳感器單元，可將此傳感器直接安放在直頭外圓車刀基體上進(jìn)行切削力的測量。傳感器單元由多層薄膜材料構(gòu)成，通過合理的布置薄膜電阻實(shí)現(xiàn)對應(yīng)力載荷的測量。對傳感器的輸入輸出關(guān)系進(jìn)行了理論推導(dǎo)，得出了計(jì)算公式。用有限元分析軟件Ansys12.0對傳感器單元的輸出特性進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)該傳感器單元線性度良好，所得仿真結(jié)果與理論計(jì)算值相比誤差很小，說明用此傳感器單元進(jìn)行切削力的測量是可行的。

切削力；嵌入式；薄膜傳感器；ANSYS軟件

0 引言

隨著加工行業(yè)隨著精密、超精密加工技術(shù)的發(fā)展，要求切削力測量傳感器及系統(tǒng)具備微小化、高精度、高分辨率、高響應(yīng)、實(shí)時性等特點(diǎn)。目前傳統(tǒng)的切削測力儀中壓電式切削測力儀固有頻率較低、對環(huán)境要求高、造價昂貴；而應(yīng)變式切削測力儀的轉(zhuǎn)換元件一般為箔式電阻應(yīng)變片，由于箔式應(yīng)變片本身固有的缺陷，致使傳感器穩(wěn)定性差, 蠕變與遲滯較大。近些年薄膜技術(shù)的發(fā)展為應(yīng)變式切削測力儀的研究開辟了新的途徑，在刀具內(nèi)嵌入薄膜微傳感器進(jìn)行測力，可以直接反映加工過程中的刀具工作情況，具有準(zhǔn)確、有效、可靠性高等特點(diǎn)[1]。國外有美國威斯康星大學(xué)的張緒剛、李曉春等人設(shè)計(jì)出了一種嵌入式薄膜傳感器，可應(yīng)用于多種環(huán)境下的力的測量[2]。國內(nèi)有大連理工大學(xué)的孫奉道等人研究的嵌入式薄膜熱電偶測溫刀具傳感器，利用磁控濺射方法直接在刀具基底制備SiO2絕緣膜及熱電偶薄膜電極，以進(jìn)行加工中切削溫度的測量[3]。而在切削測力儀的研發(fā)中，薄膜傳感器技術(shù)尚未得到應(yīng)有的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種嵌入式薄膜應(yīng)變傳感器單元，用來進(jìn)行切削力的測量，具有固有頻率較高、相間干擾小等優(yōu)點(diǎn)。

1 測力儀方案設(shè)計(jì)

本文在已有的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種多層材料的嵌入式薄膜傳感器單元，可直接用于直頭外圓車刀切削力的測量。傳感器各層結(jié)構(gòu)及尺寸示意圖如圖1所示，可將傳感器直接安放在車刀基底上。傳感器最下面的一層是Ti6Al4V粘接層，采用擴(kuò)散焊的方式固定在車刀基體上；然后采用磁控濺射的方式在粘接層上濺射上絕緣層，由三層薄膜構(gòu)成，依次為Al2O3/SixNy/Al2O3；絕緣層上面是是傳感器層，薄膜電阻采用康銅材料，用磁控濺射的方式濺射在絕緣層上；接著上面濺射一層是絕緣層，也是Al2O3/SixNy/Al2O3材料；最后再鍍上一層保護(hù)層，材料為Ti6Al4V。其中各層材料尺寸如表1所示，薄膜電阻應(yīng)變片電阻大約為240Ω，可滿足較大的加載電壓。

圖1 薄膜傳感器單元的各層及尺寸

材料長(mm)寬(mm)厚度(mm)粘接層Ti6Al4V20120．1下絕緣層Al2O3/SixNy/Al2O320120．003傳感器層康銅0．0005上絕緣層Al2O3/SixNy/Al2O312120．003保護(hù)層Ti6Al4V12120．1

圖2 傳感器在刀體上的安放位置

圖2是傳感器車刀排布示意圖。刀具刀桿固定端的上下左右四個面各安裝一個傳感器單元，別為分別為C1、C2、C3、C4，其中刀桿材料選用45鋼。每個傳感器單元各自連成一個惠斯通電橋電路，根據(jù)基體受力應(yīng)變時引起橫向和縱向電阻變化的差異來實(shí)現(xiàn)力的測量。其中C1、C2測Z方向和X方向的分力，C3、C4測Y方向和X方向的分力，C1上電阻排布及惠斯通連接橋路如圖3所示。

圖3 薄膜電阻連接橋路示意圖

2 理論分析

根據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)圖和傳感器安放位置，對各傳感器加載相同的初始電壓時，其中 C1的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為：

(1)

初始時令R1=R2=R3=R4，可知當(dāng)?shù)毒叩都鈨H受Z方向的作用力時，傳感器受力時各電阻變化量分別為ΔR1Z、ΔR2Z、ΔR3Z、ΔR4Z，有ΔR1Z=ΔR2Z，ΔR3Z=ΔR4Z，ΔR3Z?ΔR1Z，由式(1)可得：

(2)

當(dāng)?shù)毒呤芡瑯哟笮〉腦向力時，有ΔR1=ΔR2，ΔR3=ΔR4，則：

(3)

可知當(dāng)X向力和Z向力為同一量級時，有U1X?U1Z，可知X方向的力對C1輸出影響不大。而當(dāng)?shù)毒邇H受Y向力時

(4)

U1=U1Y+U1Z=K1YFYU0+K1ZFZU0

(5)

其中K1Y、K1Z為輸出電壓與各分力之間的比例系數(shù)，同理對于傳感器C2、C3、C4，有：

U2=U2Y+U2Z=K2YFYU0+K2ZFZU0

(6)

U3=U3X+U3Z=K3XFXU0+K3ZFZU0

(7)

U4=U4X+U4Z=K4XFXU0+K4ZFZU0

(8)

通過仿真和測量可以擬合出式(5)、(6)、(7)、(8)中各個比例系數(shù)K的值，從而可以由輸出電壓U1和U2通過式(5)和(6)計(jì)算FZ和FY的值，可以由輸出電壓U3和U4通過式(7)和(8)計(jì)算FX和FY的值。

3 仿真分析

以傳感器C1和C2作為研究對象進(jìn)行仿真，由于傳感器相較刀具基體尺寸較小，所以在用ANSYS進(jìn)行仿真分析時，采用簡化建模的方式，各層之間的連接方式均設(shè)為粘接，本文所需要設(shè)置的材料屬性如表2所示[4]。

表2 材料特性

其中彈性元件是45號鋼，絕緣層是Al2O3，單元類型均采用solid45單元；康銅薄膜設(shè)置為solid226單元；導(dǎo)線選為電傳導(dǎo)單元solid232，其電阻率設(shè)定為0.1×10-10Ω.m[5]。

圖4 ANSYS模型圖

圖4為建立的ANSYS模型圖。首先對傳感器進(jìn)行單向力的仿真，對刀尖處分別施加不同的Z向力、Y向力和X向力進(jìn)行仿真分析。

圖5 刀具受1000N的Z向力時C1輸出示意圖

圖5為在Z方向施加1000N力時的傳感器C1輸出示意圖，在圖示位置選取兩點(diǎn)，測得兩點(diǎn)間的電勢差即為C1在1000N的Z向力下的輸出電壓。表3為傳感器C1、C2在不同單向力作用下的輸出電壓。

表3 C1、C2在單向力作用下輸出電壓

通過比較表3和表4可以發(fā)現(xiàn)刀具在受到各單向力作用時，傳感器C1與C2的輸出值與各單向力大小有良好的線性關(guān)系。當(dāng)?shù)毒呤躗向力時，傳感器C1受拉伸作用，C2受壓，故用同樣方式測得的U1Z與U2Z大小相近，方向相反；當(dāng)?shù)毒呤躕向力時有U1Y?U1Z，由此可知刀具所受X方向上的分力對傳感器C1和C2的輸出結(jié)果幾乎沒有影響，從而可以大大降低傳感器測切削力時各分力間的相間干擾；而當(dāng)?shù)毒邇H受Y向力時，C1、C2所受應(yīng)力方向相同。根據(jù)表3輸出結(jié)果由式(5)和(6)計(jì)算出K1Y=0.23×10-7，K1Z=0.71×10-7，K2Y=0.22×10-7，K2Z=-0.7×10-7，然后計(jì)算當(dāng)?shù)毒咴贔x=FY=FZ的三向力作用下C1、C2輸出結(jié)果，并得出ANSYS仿真結(jié)果如表4所示。

表4 C1、C2在三向力作用下的輸出電壓

圖6 U1、U2計(jì)算值與仿真值對比圖

圖6是在三向力作用下U1、U2的計(jì)算值與仿真值對比圖。圖中可以看出U1、U2的計(jì)算值與仿真值之間有很小的誤差，計(jì)算最大誤差分別為ΔU1=3.2%、ΔU2=2.1%，均在誤差允許值5%的范圍內(nèi)，說明ANSYS仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果相符。由上述結(jié)果可知，用此傳感器單元直接進(jìn)行直頭外圓車刀切削力的測量是可行的。

4 結(jié)論

(1)本文設(shè)計(jì)了一種嵌入式薄膜傳感器單元，可直接用于直頭外圓車刀切削力的測量，與傳統(tǒng)的切削測力儀相比，大大減小了測力系統(tǒng)的尺寸，具有較小的相間干擾和固有頻率。

(2)對傳感器單元的測量原理進(jìn)行了理論闡述，并得出了傳感器輸入輸出關(guān)系式，論證了本傳感器單元直接用于切削力測量的可行性。

(3)建立了ANSYS有限元模型，對其輸出特性進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)這種嵌入式薄膜傳感器單元具有良好的線性度，X方向和Z方向分力之間的相間干擾很小。

(4)同時對理論推導(dǎo)的輸出公式進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)所得仿真結(jié)果與理論計(jì)算誤差為ΔU1=3.2%、ΔU2=2.1%，均在誤差允許值5%的范圍內(nèi)，說明了該傳感器單元直接用來進(jìn)行切削力的測量是可行的。

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(編輯 李秀敏)

Design and Research of a Embedded Thin Film Sensor to Measure Cutting Forces

LI Qi，WU WEN-ge，CHENG Yun-ping，LI Xue-rui

(College of Mechanical Engingneering and Automation,North University of China,Taiyuan 030051,China)

An embedded thin film sensor unit is designed in this paper,which can be placed directly on a external turning tool to measure cutting force.The sensor unit is made of a multilayer film material,which is reasonable arrangement to measure the stress load.The output formula of the sensor was derived.The output characteristic of the sensor was analyzed by finite element method (FEM).We find the sensor has good linearity,and the simulation results is very close to theoretical values.The results show that it is feasible to measure cutting force with the sensor.

cutting force；embedded；thin film sensor；ANSYS software

1001-2265(2014)01-0080-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.01.022

2013-05-22

山西省回國留學(xué)人員科研資助項(xiàng)目(2013-086)；中北大學(xué)2011年校基金資助項(xiàng)目(20110203)。

李琦(1989—)，男，河南周口人，中北大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)楸∧?yīng)變式切削測力儀的研究，(E-mail)liqi19880611@163.com

TH7;TP212

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