八角测力环传感器设计制作及工艺过程

李永信

摘 要：本文针对机床切削需要测出X、Y、Z三个方向力的大小，采用了八角测力环传感器的结构形式来达到此效果。为了传感器的稳定性，特对传感器的的制作过程进行了研究，研究的内容包括弹性体热处理、应变片粘贴、传感器标定及技术指标的计算等，从而取得了传感器制作工艺的研究成果。

关键词：八角测力环传感器；传感器标定；技术指标

中图分类号：TP212 文献标识码：A

1 概述

三分力八角测力环式传感器用于测量车削加工中进给抗力Fx、吃刀抗力Fy、和主切削力Fz三个方向的力。车刀切削受力如图1，采用八角环式弹性元件。

它由整块钢材上加工出相当于4个半八角环形成的弹性元件。八角环实际由圆环演变而来，进给抗力Fx使圆环受切向力，吃刀抗力Fy使圆环受压力，主切削力Fz使上环受拉，下环受压。外形如图2所示，其弹性元件上应变计和接桥示意图如图3所示，在环上施加Fy时，环中AA/截面受弯曲；BB/ 截面（与Fy作用力成39.60）应变为零。在AA/截面上布置两对应变计；R1，R3受拉应变，R2，R4受压。R1～R4 组成全桥测Fy。如该环下側固定，上侧受切向力Fx，则AA/截面应变为零，BB/ 截面受应变，在±39.60的四个截面外表面布置应变计R5，R7受拉应变，R6，R8受压。组成全桥测Fx。由于圆环不易加紧固定，用八角环代替，当环厚h与环平均半径r之比较小时，八交角环近似于圆环，当h/r增大时，此角度增大（截面应变为零），当h/r=0.4时，角度为450，因此八角环应变计贴在±450斜截面上。双层八角环有上下两层，在Fx作用下，上层受拉、下层受压分别布置R9～R12 ，组成全桥测Fz。这种八角环式三维测力传感器使用效果良好，以用于车削测力。

为了传感器的稳定性，我们对传感器的结构及热处理工艺过程进行了研究

2 传感器的结构及热处理工艺

根据实际工况决定传感器的结构形状，见图4，之后对弹性体进行热处理。

国内生产称重及测力传感器弹性体的金属材料虽然很多，但基本上分三大类：第一类合金结构钢，其典型代表材料为40CrNiMoA 。第二类为有色金属类，主要是铝合金LY12。第三类为不锈钢，其典型代表材料为OCr17Ni4Cu4nBb。合金钢及不锈钢类材料适合于制造大中量程的传感器，而铝合金适合于制造大小量程的传感器。典型材料的机械性能见表1，典型材料及热处理工艺： 2.1 40CrNiMoA

该材料特别适合于制造高精度传感器，传感器弹性体一般要求淬火时在油中冷却后弹性体的硬度应大于或等于HRC52，组织为马氏体。回火温度为460℃左右，保温3小时即可。

2.2 铝合金LY12材料

一般选用此型材制造应变式传感器，其供货状态大多数为CZ（淬火自然失效）状态。弹性体通过固溶失效热处理后（淬火后），其硬度应该大于或等于布氏硬度HB120.。

LY12的固溶处理（淬火）一般在硝盐炉中，温度以495～500℃为宜，冷却介质为清水。人工时效温度为185～190℃，时间6-12小时即可。

2.3 不锈钢OCr17Ni4Cu4nBb材料

该钢经1020～1040℃固溶处理（即淬火，油冷或空冷）后，再480℃保温4小时即可达到所需的机械性能。

3 传感器粘贴应变片夹紧力的设计及试验

一般传感器应变片的粘贴用传感器胶最好，传感器胶是高温固化胶，应变片粘贴在正确位置之后，要在应变片上加压0.1～0.3MPa，之后进烘箱进行固化。

比如加压面积为A（A=宽度ⅹ长度=bⅹh）的话，则力P=0.3A=0.3ⅹ10ⅹ12=36N。夹紧使用的是晒衣服用的不锈钢夹子，夹子在力学多功能实验台上进行，标定结果，开口为8mm时，力P为40N。此时根据高温胶板厚度、铝合金垫片厚度及弹性体结构的厚度计算夹紧时开口大小为：S=弹性体厚度+2胶板厚度+2铝合金垫片厚度=1+2ⅹ2.5+2ⅹ1=8mm。对于夹式引伸计由于有两个悬臂梁，所以用两个夹子。对于八角测力环的加紧力P，则是用弹簧夹紧装置完成的，见图1-6。通过标定位移1.6 mm时，压紧力为40N，在安装夹紧弹簧装置时，测量垫片的位移即可控制夹紧力的大小。

4 应变片粘贴准备及工艺过程

根据传感器的要求，粘贴应变片可以用502胶，519胶及传感器胶进行应变片的粘贴。根据不同的接桥方法，可以得到不同的灵敏度的传感器。对于八角测力环的接桥见图3。对于用502及519胶常温的贴片工艺如下：

4.1 应变片粘贴

电阻应变片由敏感栅、基底和覆盖层、粘结剂、引线四部分组成。按应变片敏感栅的材料来分，可把应变片分为金属电阻应变片和半导体应变片。按形式分，可分为直角、45度、60度应变花。按温度来分可分为高温（300℃以上）、中温（60～300℃）、常温（-30～60℃）和低温（-30℃以下）应变片。这次粘贴的应变片为常温应变片。应变片粘贴工艺过程为：检查应变片—试件表面处理—贴片—固化后处理—粘贴质量检查—应变片防护处理。先检查应变片外观再测量电阻值，相差在0.1Ω以内的应变片供粘贴用。 表面光洁度1.6～2.5微米为宜，用划针在测点处划出贴片定位线，并用浸有无水乙醇棉球将待贴位置及周围擦洗干净，直至棉球洁白为止，擦的方向始终沿一个方向擦洗。用镊子（或用手）捏住应变片的引出线，在应变片基底底面上和贴片处涂抹一层薄薄的502（或519胶）粘结剂后，立即对准划出的定位线将应变片基底面向下平放在试件贴片处，用一小片塑料薄膜盖在应变片上，用手指滚压挤出多余的粘结剂和气泡。手指保持不动约1分钟， 使应变片和试件完全粘合后再放开，揭掉塑料薄膜。914胶（或519胶）涂刷测点表面，面积约为应变片面积的5倍。914胶由两种成份调配而成，A为树脂，B为固化剂，按重量A：B=2：1。调配后需在5分钟内使用，否则就会凝固。涂刷时随时用铲刀刮平，待初凝后不须再刮。若用519胶，比例为1：1配置。操作同上。应变片的固化常根据选择的粘结剂而确定固化条件和要求，一般选用室温可以固化的粘结剂，自然干燥时间15～24小时。当采用需要加温固化的粘结剂，应严格按规定进行固化。其绝缘应大于500MΩ为好。最简单的防护方法是用硅橡胶密封剂（南大703胶）涂在应变片区域表面作防潮层，其室内有效期为1～2年。

4.2 对于用传感器胶粘贴应变片，则按以下方法及进行

4.2.1 HH—2000—610应变胶及传感器所用应变计

本胶是一种双组份高性能应变胶，具有极小的蠕变和值滞后，粘合力强，绝缘性能好，使用于高精度传感器及BHF系列环氧—酚醛应变片的粘贴。双组份胶使用方法：使用前将（A）组份全部到入（B）组份中，（A：B=1：1）充分搅拌均匀后放置1小时左右启用。

固化工艺：加压：1Kg/cm2?1.5/cm2。

应变片固化温度：缓慢升至1600C±20C保温2小时随炉泠却（要求升温速度每分钟20C～30C左右）。

应变片消除应力温度，卸压后固化：缓慢升至1600C±20C保温1.5小时随炉泠却.

应变片参数：型号BHF350-2AA；精度等级A；电阻349±0.2Ω；产品标准标准号GB/13992-92；生产厂家：浙江黄岩测试仪器厂。

4.2.2应变片加压装置的设计与标定

加压装置及弹簧标定示意图如图5所示。

首先根据压垫面积及规定的加压力计算出加压总力（1Kg/cm2?1.5/cm2）。将弹簧放在传感器上，根据总压力测出弹簧的变形，之后在夹紧应变片时压到测定的变形时即可。

4.2.3 烘箱使用及贴片过程

对于H-610胶粘剂，使用条件：以20C/min左右速率由室温升至1600C，保温2小时，随烘箱泠却至室温后卸压，再以同样速率升至1600C，保温2小时。DGF3006A电热鼓风干燥箱示意图如图6所示。

烘箱使用（温度范围RT+100C～+3000C）过程如下： ①首先按Run，再按stop；②长按Reset 恢复 曲线段；③长按Mode 设置参数；④选run 选循环次数；⑤回来Mode长按；⑥曲线段键入；⑦再按run。

胶水贴片工艺过程如下：①涂第一道胶，放一个小时，放烘箱1650C 2個小时，泠却；②涂第二道胶，贴片、加压，放一个小时，放烘箱1650C 2个小时，泠却；③卸掉压力，进烘箱1650C 2个小时泠却。

5 应变传感器的标定

用DH3818静态电阻应变仪对传感器进行标定试验，八角测力环传感器标定示意图见图7，标定结果见表中以下数据。

八角测力环各分力标定数据及灵敏度如下：

1）Py标定数据见表2；传感器灵敏度Q=7.4?ε/kg；端点法误差（%）见图8。Py与Px、Pz之间的相互影响见表3。2）Px标定数据见表4；

传感器灵敏度Q=8?ε/kg；端点法误差（%）见图9。Px与Py、Pz之间的相互影响见表5。

3）Pz标定数据见表6；

传感器灵敏度Q=32.2?ε/kg；Pz与Py、Px之间的相互影响见表7。

端点法误差（%）见图10。

根据各个分力标定的结果，可以用此传感器测到车刀加工切屑零件时的应变值，再由传感器灵敏度推算出各个分力的大小。

6 结论

1）根据测三个方向力的要求，设计制作出了八角环传感器测力传感器，以达到其测各个方向分力的效果。

2）选定了合金钢热处理工艺，并应用此工艺对传感器弹性体进行了热处理；

3）确定了用弹簧加压法对粘贴的应变片进行加压，保证了贴片质量；

4）选用了用传感器胶粘贴应变片，保证了传感器的贴片质量及稳定性；

5）标定出了传感器的灵敏度，供传感器安装在机床上测各个分力的大小。

（本文审稿 李正发）