机械合金薄膜传感器测量切削力技术的研究(2)
发布时间：2014-09-12 09:10
关于传感器总体结构和布局方面，同研究室的李学瑞同学做了较多的工作[46]。所设计的传感器单元由多层材料构成，共分为四部分，从下到上依次为基片层、绝缘层、合金薄膜电阻层、保护层。根据合金薄膜电阻的排布方式，本文共设计了两种方案：方案一是直接在传感器单元上镀上电阻和导线连成惠斯通桥路；方案二是在传感器单元上仅排上电阻和电极，需通过导线外接电路。
2.2.2 方案一设计
图 2.4 是所设计的方案一传感器单元各层结构及尺寸示意图。
图 2.4（a）是所设计的方案一传感器单元各层结构图，图 2.4（b）是传感器尺寸及电阻排布示意图。图 2.4（b）中所示，每个传感器单元有四个合金薄膜电阻，合金薄膜电阻呈两横两纵方向排布，直接在传感器单元上通过铜导线连成惠斯通电桥电路，通过四片电极接通输入输出信号。所设计的各个部分尺寸厚度如表 2.1 所示：
导线和电极的材料为铜，和薄膜电阻一样都是采用溅射沉积的方法制备。设计导线时，为了减小导线对电路输出的影响，应使所设计的桥路对称，并且导线的宽度要尽量大，因此设计应变片尺寸为 20×12mm。保护层只覆盖薄膜电阻和薄膜导线，设计尺寸为 12×12mm。
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第 3 章 合金薄膜传感器输出特性的有限元仿真分析..............................26
3.1 刀具悬臂梁有限元模型的建立 ..........................................26
3.2 镍铬合金薄膜输出特性的仿真分析 .......................................26
3.2.1 悬臂梁简化模型的设计 .................................27
3.2.2 悬臂梁传感器有限元模型的建立 ...............................27
3.2.3 施加载荷并求解 ......................................30
3.2.4 仿真结果分析 .......................................30
3.3 两种薄膜材料输出特性的研究 ...................................33
3.4 切削力测量仿真分析 ........................................34
3.4.1 切削力测量系统模型的建立 .....................................34
3.4.2 仿真结果分析： ..........................................36
3.5 本章小结 ........................................43
第4章 合金薄膜传感器单元的制备
4.1 薄膜传感器单元制备的工艺流程
根据所设计的合金薄膜切削力传感器的工作原理，设计薄膜传感器制备主要流程图如图 4.1 所示[52,53]。
根据图 4.1，合金薄膜切削力传感器的主要制备流程有以下几步：
（1）基片制备及处理，为了方便进行离子束溅射镀膜，设计基片的原始尺寸为：直径 50.8mm，厚度 1mm。每个原始基片可溅射两套合金薄膜电阻图案。所设计的薄膜溅射图案如图 4.2 所示。基片是由棒料经线切割加工而成，粗加工后的基片表面难以满足薄膜溅射所需精度，需进行双面抛光处理，所需效果为 Ra 在 0.2μm 以下。最后对抛光后的基片进行清洗。
（2）绝缘层的制备，绝缘层采用 Al2O3/SixNy/Al2O3三层薄膜结构，这样使绝缘性能更好、稳定性高。
（3）合金薄膜电阻的制备，首先溅射一层合金薄膜，然后按图 4.2 薄膜溅射图制备掩膜版，然后利用掩膜版嵌套刻蚀图案，得到合金薄膜电阻栅格结构及电极。
（4）保护层的制备，在溅射好的薄膜电阻上溅射一层 SixNy作为保护层，又能起到绝缘作用。
（5）传感器单元的制备及热处理，各层材料均制备好以后，用线切割的加工方法可将一个圆基片加工为两个传感器单元，对加工好的传感器单元进行热处理。
（6）传感器的检验流程，每溅射好一层薄膜结构，在微显微镜下观察薄膜形态，测量溅射好的薄膜电阻阻值。
（7）传感器单元与刀具的扩散焊接，对制备好的传感器单元进行清洗，利用真空扩散焊技术将传感器单元安放到刀具刀柄处。
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第5章 总结
随着机械加工技术的不断完善与发展，越来越多的先进机械加工技术和刀具材料被开发出来。切削力作为一个重要的监测信号直接反映了切削加工过程中刀具的切削状态，能实时准确地获取切削过程中的切削力信号对改进切削方式、提高切削质量具有重要意义。而现代切削加工正在向高速、高效、强力切削、精密及超精密加工方向发展，传统切削测力仪已难以适应现代切削加工的动态环境，研究开发实时的、高精度的、高效的切削力测力系统是近几年切削测力仪研究中的重要课题。
5.1 论文的主要工作
通过理论分析和有限元仿真研究设计了一种可直接用于车刀切削力测量的传感器单元，主要开展的工作如下：
（1）研究了电阻应变效应和应变式测力传感器的工作原理，根据一种悬臂梁应变式传感器探讨了应变式传感器的电压输出公式；在前人研究的基础上，设计了一种新型的传感器单元，提出了两种设计方案，分别是直接在传感器单元上直接排布电路和外接导线连成惠斯通电路，对两种方案进行了比较，确定了合适的方案。
（2）所设计的传感器单元共有四层结构，分别为基片层、绝缘层、合金薄膜电阻层和保护层，对每一层进行了尺寸和材料的设计，重点设计了合金薄膜电阻的排布方式、栅格结构和尺寸；构建了一个刀具切削力测量系统，对测量系统的输出进行了理论上的分析，得出了电压输出公式。
（3）建立了悬臂梁的有限元模型，为研究合金薄膜压阻特性，利用 ansys 软件建立了简化的悬臂梁传感器模型，探讨了用 ansys 软件进行压阻耦合场分析的可行性，研究了传感器电阻薄膜厚度和布片位置与输出的关系，对康铜薄膜和镍铬薄膜进行了压阻特性的对比分析，经验证镍铬合金具有更好的压阻特性。
（4）构建了刀具测量系统的简化几何模型，对传感器单元输出特性进行了仿真分析，得出了此传感器单元输出线性度良好的结论，经仿真发现三向力的输出电压等于各单向力输出电压之和，且扭矩对传感器单元输出影响极小、可以忽略不计，验证了理论输出公式的正确性，推算了切削力计算公式。
（5）根据现有加工条件和技术对传感器单元进行了工艺上的研究，设计了制备传感器单元各层所需要的工艺技术，研究了离子束溅射沉积技术和离子束刻蚀技术的工作原理，并进行了一些加工上的尝试，为后续研究打下了基础。
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本文编号：8819
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