切削力测量薄膜传感器结构设计及优化分析

摘要

在切削加工的过程中，实现切削力的精准测量，对研究切削机理、提高加工质量具有十分重要的意义。为了提高切削力测量结果的精准度，本文对应变式切削力测量系统中的薄膜传感器进行了研究，针对薄膜传感器中弹性基底与应变栅的结构进行了设计与优化。通过提高弹性基底结构在相同载荷作用下的应变，减小薄膜传感器各膜层之间的应变传递误差，实现对切削力测量精准度及灵敏度的提升。论文的主要研究内容如下: (1)分析了薄膜传感器弹性基底的应变与挠度之间的关系，推导了弹性基底结构参数与挠度的函数关系式。根据所推导的理论公式，设计了不同结构形状的弹性基底。对不同结构形状的基底在相同载荷作用下的挠度进行了比较，选出了其中挠度最大的结构，并对该结构的尺寸参数进行了优化。运用ABAQUS有限元分析软件，对设计与优化的结果进行了验证。 (2)在分析薄膜传感器结构原理的基础上，设计了薄膜传感器的栅格结构。根据所设计传感器的结构，建立了薄膜传感器的应变传递分析模型。根据力的传递原理，推导了传感器弹性基底与应变栅层薄膜之间的应变传递函数。通过所推导的应变传递函数，计算了应变栅的栅厚、栅长以及栅宽变化对应变传递误差的影响。并运用有限元仿真分析软件对计算结果进行了验证。根据理论计算以及仿真分析的结论，优化了应变栅的结构参数。最终确定了满足设计要求应变栅的一组较优的结构参数为:栅厚0.001mm、栅宽0.2mm、栅长5.6mm。 (3)探索了薄膜传感器各层薄膜的制备工艺，并对电极层薄膜的制备工艺进行了优化。完成了对薄膜传感器的制备之后，并利用所制备的薄膜传感器设计了相关实验，对传感器结构优化的结果进行了验证。