CN111761515A - 微振动信号敏感元件、微振动信号检测机构及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种微振动信号敏感元件，包括：基底层，其上开设有裂纹，所述裂纹沿所述基底层厚度方向贯穿该基底层，所述裂纹具有一封闭的尖端部；压电薄膜，设于所述裂纹尖端部一侧的基底层上，用于将裂纹产生的振动信号转化为电信号；输出电极，连接所述压电薄膜，用于输出所述电信号。本发明还提供了一种微振动信号检测机构以及磨床对刀精准检测装置。本发明对砂轮和工件接触瞬间产生的振动信号进行采集处理，可根据磨床加工环境调节对刀精度，该磨床对刀精准检测装置结构简单、对刀过程高效、成本低，提高了精密/超精密磨床中工件加工的表面质量和精度。
Description
技术领域
本发明属于精密机械加工技术领域，具体涉及一种面向精密/超精密磨床的对刀检测装置以及该装置中的微振动信号敏感元件和微振动信号检测机构。
背景技术
精准对刀是磨床实现样件精密加工的首要环节，是保证加工质量的关键。目前，面向精密/超精密加工的磨床对刀方法存在检测系统复杂、精度不高等问题。借助高精度振动检测装置对刀具与工件接触瞬间产生的微弱振动信号进行精准检测，是提高磨床对刀精度的重要途径。然而，现有的振动检测装置难以满足磨床精密/超精密加工技术对检测装置更为苛刻的精度需求。因此，设计一种微振动信号敏感元件和微振动信号检测机构，同时将其应用于磨床的对刀精准检测上，对实现样件的精密/超精密磨削加工具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向精密/超精密磨床对刀环节微弱振动信号的精准检测装置，旨在解决现有磨床专用对刀检测装置结构复杂且检测精度低的问题。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：
一实施例中，提供了一种微振动信号敏感元件，包括：
基底层，其上开设有裂纹，所述裂纹沿所述基底层厚度方向贯穿该基底层，所述裂纹具有一封闭的尖端部；
压电薄膜，设于所述裂纹尖端部一侧的基底层上，用于将裂纹产生的振动信号转化为电信号；
输出电极，连接所述压电薄膜，用于输出所述电信号。
作为本发明的进一步改进，所述裂纹自所述基底层的一侧向内凹陷形成，所述裂纹具有与所述尖端部相对设置的开放部。
作为本发明的进一步改进，所述压电薄膜的材料可以是聚偏氟乙烯、氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅、铌酸锂晶体、钛酸铅中的一种。
作为本发明的进一步改进，所述基底层采用环氧树脂、聚二甲基硅氧烷或紫外固化胶中的一种。
本发明一实施例提供了一种微振动信号检测机构，包括：
罩壳，内部中空设置；
探头组件，设于所述罩壳内且与所述罩壳之间弹性连接，所述探头组件具有相对设置的第一端部和第二端部，所述第一端部凸于所述罩壳设置，所述探头组件能在外力作用下相对于所述罩壳伸缩移动；
上述任一所述微振动信号敏感元件，设于所述罩壳内且与所述探头组件的第二端部连接设置。
作为本发明的进一步改进，位于所述罩壳外的第一端部上设置有限位结构，当所述探头组件在外力的作用下向所述罩壳内收缩时，所述限位结构能限制所述探头组件的收缩位移。
作为本发明的进一步改进，所述第二端部固定连接于所述基底层与所述裂纹相平行的侧面。
作为本发明的进一步改进，所述探头组件与所述罩壳之间设置有复位件，所述探头组件当在外力作用下相对于所述罩壳移动后，能在所述复位件的作用下实现复位。
作为本发明的进一步改进，所述罩壳的材质采用聚四氟乙烯、聚甲醛中的一种。
本发明一实施例还提供了一种磨床对刀精准检测装置，包括：
基座；
上述任一所述微振动信号检测机构，设于所述基座上，用于收集磨床对刀时产生的振动信号，并将其转换为电信号；
信号处理与显示机构，连接所述微振动信号检测机构，用于对收集到的电信号进行处理并输出显示。
作为本发明的进一步改进，所述信号处理与显示机构包括与所述输出电极相连接的电荷放大器、与所述电荷放大器相连接的模数转换器、与所述模数转换器相连接的微处理器以及与所述微处理器相连接的显示输出结构。
作为本发明的进一步改进，所述微处理器可以是单片机、信号数字处理器中的一种。
作为本发明的进一步改进，所述基座为磁吸万向座，安装于磨床中便于检测振动信号的位置，可进行任意方向的调节，所述微振动信号检测机构通过连杆连接于所述基座。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、所述微振动信号敏感元件由能够基于尖端应力集中效应实现微弱信号高效收集的可控裂纹结构和能够实现信号高效转化的压电薄膜材料构成，可最大限度的提高微弱信号的检测精度。
2、基于具有吸附功能万向座加连杆结构，可灵活安装和调试对刀检测装置，简洁实用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例1中一种微振动信号敏感元件的结构示意图；
图2是本申请实施例2中一种微振动信号检测机构的结构示意图；
图3是本申请实施例3中一种磨床对刀精准检测装置的结构示意图；
图4是本申请实施例3中信号处理与显示机构的工作示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
实施例1：
参考图1所示，本实施例提供了一种微振动信号敏感元件33，包括基底层331，裂纹332，压电薄膜333以及输出电极334；裂纹332开设于基底层331上，且沿厚度方向贯穿基底层331，裂纹332具有一封闭的尖端部；压电薄膜333设于裂纹尖端部一侧的基底层上，用于将裂纹产生的振动信号转化为电信号；输出电极334连接压电薄膜333，用于输出电信号。
其中，基底层331的材质可以采用环氧树脂、聚二甲基硅氧烷或紫外固化胶中的一种；裂纹332自基底层331的一侧向内凹陷形成，裂纹332具有与尖端部相对设置的开放部；压电薄膜333的材料可以是聚偏氟乙烯、氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅、铌酸锂晶体、钛酸铅中的一种。
微振动时，基底层331在力的作用下发生形变，裂纹332随着基底层331的形变而变形，导致裂纹332的尖端部应力场内应力急剧放大，压电薄膜333将应力信号高效的转化为电信号，通过输出电极334输出电荷的变化，实现振动感应。
实施例2
参考图2所示，本实施例提供了一种微振动信号检测机构3，包括：罩壳，探头组件以及实施例1中的微振动信号敏感元件33。其中，罩壳内部中空设置；探头组件设于罩壳内且与罩壳之间弹性连接；微振动信号敏感元件33设于罩壳内且与探头组件2连接设置。
罩壳包括贯通设置的防护罩311、前端盖312以及后端盖313，防护罩311、前端盖312和后端盖313围合成一中空腔室，前端盖312上开设有一通孔；罩壳的材质为聚四氟乙烯、聚甲醛中的一种，起到保护和减少摩擦的作用。
探头组件部分设于中空腔室内，且能在外力作用下相对于罩壳伸缩移动；探头组件包括第一端部321、连接部322、第二端部323、伸缩弹簧324，其中，第一端部321和第二端部323分别设于连接部322的两侧，伸缩弹簧324设于连接部322与保护罩311之间，用于探头组件移动后的复位。
具体的，防护罩311的内壁上凸设有第一环形台阶部3111，连接部322位于第一端部321的一侧凸设有第二环形台阶部3221，第一环形台阶部3111与第二环形台阶部之间设置有伸缩弹簧324。
第一端部321穿过通孔，凸于罩壳前端盖312设置，用于与振动源接触；第二端部323包括与微振动信号敏感元件33基底层331相固定的固定部3231，固定部3231被构造成圆柱形结构，其直径小于基底层331的厚度。固定部3231可通过胶水固定连接于微振动信号敏感元件33基底层331与裂纹332相平行的侧面，将振动信号传递到微振动信号敏感元件33，为了使其固定的更加紧密，固定部3231可嵌设于基底层331与裂纹332相平行的侧面内。
位于罩壳外的第一端部321上还设置有限位阶梯3211，当探头组件在外力的作用下向罩壳内收缩时，限位阶梯3211能限制探头组件的收缩位移量，防止因振幅过大而导致微振动信号敏感元件33发生损坏。
微振动信号敏感元件33通过固定座34固定于防护罩311位于后端盖313的一侧。
实施例3
参考图3所示，本实施例提供了一种磨床对刀精准检测装置，包括：基座1，信号处理与显示机构2以及实施例2中的微振动信号检测机构3；其中，基座1为磁吸万向座，安装于磨床上便于检测振动信号的位置，可进行任意方向的调节；微振动信号检测机构3通过连杆连接于基座1上，用于收集磨床对刀时产生的振动信号，并将其转换为电信号；信号处理与显示机构2位于基座1和微振动信号检测机构3之间，用于对收集到的电信号进行处理并输出显示。
参考图4所示，信号处理与显示机构2包括与输出电极334相连接的电荷放大器21、与电荷放大器21相连接的模数转换器22、与模数转换器22相连接的微处理器23以及与微处理器23相连接的显示输出结构24。输出电极334产生的压电信号经电荷放大器21、模数转换器22和微处理器23进行处理，传输到显示输出结构24，从而判定磨床对刀的结果。
微处理器23可以是单片机、信号数字处理器中的一种，显示输出结构24可以是显示器或指示灯。
本实施例提供了一种磨床对刀精准检测装置的使用方法，其步骤为：
使用前首先启动磨床，将磁吸万向座安装于磨床便于检测信号的位置，调整检测探头组件，使之与工件表面或夹具表面接触。
然后，微振动信号检测机构采集非加工状态下的振动信号。振动信号传递到微振动信号敏感元件，微振动信号敏感元件基底层受到压力作用，使制备的裂纹尖端部产生应力集中，位于裂纹尖端部的压电薄膜材料将收集的微弱信号转化为电信号。
进而，信号处理与显示机构对电信号进行处理和输出显示，其原理为：砂轮未和工件接触时，微处理器输出高电平，指示灯处于未导通状态；当砂轮和工件接触时，微处理器输出低电平，指示灯导通发亮，达到磨床对刀过程精准检测的目的。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、所述微振动信号敏感元件由能够基于尖端应力集中效应实现微弱信号高效收集的可控裂纹结构和能够实现信号高效转化的压电薄膜材料构成，可最大限度的提高微弱信号的检测精度。
2、基于具有吸附功能万向座加连杆结构，可灵活安装和调试对刀检测装置，简洁实用。
3、本发明提供的磨床对刀精准检测装置对砂轮和工件接触瞬间产生的振动信号进行采集处理，可根据磨床加工环境调节对刀精度，该磨床对刀精准检测装置结构简单、对刀过程高效、成本低，提高了精密/超精密磨床中工件加工的表面质量和精度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种微振动信号敏感元件，其特征在于，包括：
基底层，其上开设有裂纹，所述裂纹沿所述基底层厚度方向贯穿该基底层，所述裂纹具有一封闭的尖端部；
压电薄膜，设于所述裂纹尖端部一侧的基底层上，用于将裂纹产生的振动信号转化为电信号；
输出电极，连接所述压电薄膜，用于输出所述电信号。
2.根据权利要求1所述的微振动信号敏感元件，其特征在于，所述裂纹自所述基底层的一侧向内凹陷形成，所述裂纹具有与所述尖端部相对设置的开放部。
3.根据权利要求1所述的微振动信号敏感元件，其特征在于，所述压电薄膜的材料可以是聚偏氟乙烯、氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅、铌酸锂晶体、钛酸铅中的一种。
4.根据权利要求1所述的微振动信号敏感元件，其特征在于，所述基底层采用环氧树脂、聚二甲基硅氧烷或紫外固化胶中的一种。
5.一种微振动信号检测机构，其特征在于，包括：
罩壳，内部中空设置；
探头组件，设于所述罩壳内且与所述罩壳之间弹性连接，所述探头组件具有相对设置的第一端部和第二端部，所述第一端部凸于所述罩壳设置，所述探头组件能在外力作用下相对于所述罩壳伸缩移动；
上述权利要求1-4任一所述微振动信号敏感元件，设于所述罩壳内且与所述探头组件的第二端部连接设置。
6.根据权利要求5所述的微振动信号检测机构，其特征在于，位于所述罩壳外的第一端部上设置有限位结构，当所述探头组件在外力的作用下向所述罩壳内收缩时，所述限位结构能限制所述探头组件的收缩位移。
7.根据权利要求5所述的微振动信号检测机构，其特征在于，所述第二端部固定连接于所述基底层与所述裂纹相平行的侧面。
8.根据权利要求5所述的微振动信号检测机构，其特征在于，所述探头组件与所述罩壳之间设置有复位件，所述探头组件当在外力作用下相对于所述罩壳移动后，能在所述复位件的作用下实现复位。
9.一种磨床对刀精准检测装置，其特征在于，包括：
基座；
上述权利要求5-8任一所述微振动信号检测机构，设于所述基座上，用于收集磨床对刀时产生的振动信号，并将其转换为电信号；
信号处理与显示机构，连接所述微振动信号检测机构，用于对收集到的电信号进行处理并输出显示。
10.根据权利要求9所述的磨床对刀精准检测装置，其特征在于，所述信号处理与显示机构包括与所述输出电极相连接的电荷放大器、与所述电荷放大器相连接的模数转换器、与所述模数转换器相连接的微处理器以及与所述微处理器相连接的显示输出结构。
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