电阻应变式测力仪-切削力

传感器课程设计题目:应变式测力仪指导教师:班级:机检姓名:摘要随着切削加工向着高速、高精度、高度自动化方向发展，对切削过程的监控技术也提出了越来越高的要求，而各种自动化机械加工设备与制造系统绝大多数并不具备加工过程的监控功能。为了使这些高度自动化加工设备充分发挥其优良性能，确保加工质量，提高生产效率，对刀具加工过程进行状态监测与控制就越来越重要。大量的研究结果表明，切削状态的每个微小变化都能通过切削力的变化反映出来。检测切削力是目前国内外研究与应用最多的监测方法之一，但这些方法在使用时或多或少地要改变机床的原有部件，影响机床的系统特性，并且在机械加工过程中，车削测力仪的应用最为广泛。针对这些问题，需要设计出一种外型尺寸和使用状态都类似于普通外圆车刀的车削测力仪。本文针对电阻应变式传感器对切削力的测量进行设计，应变式传感器具有灵敏度和精度高，性能稳定、可靠、尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快等优点，且能在恶劣环境下工作，在力、压力和重要测试中有非常广泛的应用。关键词：应变式测力仪；弹性元件；电阻应变；切削力应变式测力仪-1-目录一概述························································································-2-二应变式测力仪的工作原理及组成····················································-2-2.1工作原理···········································································-2-2.2传感器的组成·····································································-3-2.2.1敏感元件·································································-3-2.2.2转换元件··································································-3-2.2.3测量电路··································································-3-2.2.4辅助电源··································································-3-三切削测力传感器的主要性能及要求·················································-4-3.1金属切削测力仪主要性能指标的基本要求·································-4-3.2弹性体的设计过程必须满足的要求··········································-4-3.3提高应力水平的应力集中原则················································-5-四应变式测力仪的结构设计·····························································-6-4.1应变式测力仪的测量原理······················································-6-4.2弹性敏感元件的设计···························································-6-4.2.1剪切梁式测力传感器的工作原理····································-6-4.2.2应变片的布局方位······················································-7-4.3应变片的选择····································································-8-4.3.1结构形式的选择·························································-9-4.3.2尺寸的选择·······························································-9-4.3.3阻值的选择······························································-9-4.3.4使用温度的选择·························································-9-4.4电路的设计········································································-9-4.5元件清单·········································································-11-小结···························································································-11-参考文献·····················································································-12-应变式测力仪-2-一概述对于电阻应变片式测力传感器来说，弹性体的结构形状与相关尺寸对测力传感器性能的影响极大。可以说，测力传感器的性能主要取决于其弹性体的形状及相关尺寸。如果测力传感器的弹性体设计不合理，无论弹性体的加工精度多高、粘贴的电阻应变片的品质多好，测力传感器都难以达到较高的测力性能。因此，在测力传感器的设计过程中，对弹性体进行合理的设计至关重要。弹性体的设计基本属于机械结构设计的范围，但因测力性能的需要，其结构上与普通的机械零件和构件有所不同。一般说来，普通的机械零件和构件只须满足在足够大的安全系数下的强度和刚度即可，对在受力条件下零件或构件上的应力分布情况不必严格要求。然而，对于弹性体来说，除了需要满足机械强度和刚度要求以外，必须保证弹性体上粘贴电阻应变片部位的应变与弹性体承受的载荷保持严格的对应关系；同时，为了提高测力传感器测力的灵敏度，还应使贴片部位达到较高的应变水平。二应变式测力仪的工作原理及组成2.1工作原理应变式测力仪由弹性元件、电阻应变片等组成的测力仪叫做应变式测力仪。其工作原理是把电阻应变片贴在弹性元件表面，当弹性元件受到力的作用产生变形时，电阻应变片便随之产生变形，从而引起其电阻阻值的变化，可用下式表示，即：0/KRR式中，0K为材料的应变系数；为应变片的应变值。由上式可知，当0K为定值时，只要测得电阻应变片的电阻变化RR/，即可得知试件表面应变的大小，然后根据。E求得应变力。的大小。在应变式测力仪中，经常是将四个应变片成对的横向或纵向粘贴在弹性元件上，这样应变片就可以感受到弹性元件上的压缩和拉伸变形。将四个应变片接成某种形式的应变式测力仪-3-电桥电路，这样就可以从电桥的输出中得到应变量的大小，从而根据应变量与外力的关系得出作用在弹性元件上的作用力的大小。2.2传感器的组成传感器的组成主要有敏感元件、转换元件、测量电路和辅助电源四部分。2.2.1敏感元件在传感器中，主要作用是感受被测量的变化，同时将被测量的变化换成易于变换成电量的某一中间变量。如膜片式压力传感器，它的敏感无件是一个弹性膜片，其作用是将压力信号转变为膜片的变形，为下一步电信号的输出做准备。2.2.2转换元件传感器通过转换元件将敏感元件输出的中间非电量转换为可以被传感器利用的电量。它主要是利用某些物理的、化学的或生物的效应等来达到这一目的。如膜片式压力传感器的转换元件，它利用电阻应变效应，也就是金属导体或半导体的电阻随着它所受机械变形的大小而发生变化的原理，将弹性膜片的变形转换为电阻值的变化。2.2.3测量电路转换元件输出的电量常常难以直接进行显示、记录和处理，需要将其进一步变换成可直接利用的电信号。完成这一功能的是测量电路。如应变式压力传感器中的测量电路是桥式电路，它可以将应变片输出的电阻值转换成一个电压信号，经放大后即可推动记录装置和显示仪表的工作。2.2.4辅助电源有些传感器除电路电源外，还需一辅助电源提供给信号。这四部分的关系如下：图2-1传感器的总体设计框图应变式测力仪-4-三切削测力传感器的主要性能及要求机械上使用的传感器型式多种多样，但应用较多的还是电阻式传感器。电阻应变片式测力传感器内部电路一般是桥式电路。电阻作为转换元件。电阻阻值的变化最终以信号的形式输出。因具有结构简单、线性和稳定性好、输出精度高等特点，在实际中越来越受到重视。其采用的敏感元件是弹性测试元件，主体就是一个弹性体。其中弹性体的结构形状与相关尺寸对测力传感器性能的影响极大。如果测力传感器的弹性体设计不合理，无论弹性体的加工精度多高、粘贴的电阻应变片的品质多好，测力传感器都难以达到较高的测力性能。因此，在测力传感器的选择过程中，弹性体的结构型式至关重要。目前，金属切削理论的研究，机床加工系统动态刚度的研究，以及金属切削加工过程自适应控制的研究，都对测力仪的性能提出更新更高的要求。3.1金属切削测力仪主要性能指标的基本要求（1）应有足够的刚度。要求静刚度在每一分力方向上都必须超过810N/M,符号用K表示。（2）应有足够的灵放度。要求能测出最大切削力的1%变化。对于应变式传感器。灵敏度用单位载荷产生的微应变值(kg/)表示，符号为S。（3）应有较高的固有频率。为测出切削力瞬时变化值。测力仪的固有频率应高于切削力变化频率的4-8倍。此外：对温度变化的敏感性要低。制造工艺要好等。3.2弹性体的设计过程必须满足的要求（1）贴片部位的应变应与被测力保持严格的对应关系；（2）贴片部位应具有较高的应变水平。为了满足上述两项要求，在测力传感器的弹体元件选择方面，经常应用“应力集中”的原则，保贴片部位的应力(应变)水平较高，并与被测力保持严格的对应关系，以提高所设计测力传感器的测力灵敏度和测力精度。改善应力不规则分布的“应力集中”原则：在机械零件的测试过程中，通常认为应力在零件上分布是规则分布的，如零应变式测力仪-5-件截面积形状不发生改变，不必考虑应力分布不规则问题。其实，在零件的设计中对零应力分布不规则问题是通过强度计算中的安全系数将其包含在内了。对测力传感器来说，它是通过电阻的应变测量弹性体上的应变力来测量被测力的大小。若要保证贴片部位的应力与被测力保持严格的对应关系，实际上是保证在测力传感器受力时，弹性体贴片部位的应力要按照某一规律分布,即按照被测件的变化规律分布。在实际应用中，对于弹性体受力条件的变化是指当弹性体受力的大小不变时，力的作用点发生变化或弹性体与其相邻的加载构件和承载构件的接触条件发生变化。如果在弹性体结构设计时，未能考虑这一情况，就可能造成弹性体上应应变分布的不规则变化。弹性体受力条件的变化引起的测力误差的实质是弹性体贴片部位圆周上的应力的不规则分布，如果能使弹性体贴片部位圆周上的应力分布受到一定条件的约束，迫使贴片部位的应力按照某一规律分布，因而使得弹性体贴片部位的应力与被测力基本保持严格的对应关系，由此来减小因弹性体受力条件的变化引起的测力误差。将是很好的举措。3.3提高应力水平的应力集中原则若要测力传感器达到较高的灵敏度，通常应该使电阻应变片有较高的应变水平，即在弹性体上贴片部位应该有较高的应