一种切削力测试装置的静态系统的制作方法

本发明涉及切削测试技术领域，具体涉及一种切削力测试装置的静态系统。

背景技术：

压电式切削力测试系统在切削过程中，会产生一系列物理现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等，对切削加工过程中的切削力、切削温度进行实时测量。

传统用于精密加工的力反馈控制只能通过应变片或者带位移传感器的悬臂梁结构来实现。然而这些传感器刚度低，不利于保持实际加工中的刚度要求。传统压电力传感器具有高刚度和高灵敏度等特性，但是受限于电荷放大器中不存在无限阻值的电阻和没有漏电流的运算放大器，压电传感器不能测量长时间的静态力，测量数据不准确。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明要解决的问题是提供一种切削力测试装置的静态系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种切削力测试装置的静态系统，包括信号处理模块、电荷模块和电源模块，所述信号处理模块和所述电荷模块电性连接，所述电荷模块和所述电源模块电性连接，所述信号处理模块通过外部接口外电性连接有切削力传感器，所述切削力传感器用于采集切削力信号并将该切削力信号传输给所述信号处理模块，经由所述信号处理模块进行信号隔离放大并转变为标准计算机可拾取的模拟信号，所述电荷模块用于实现对信号的降噪与放大过程，所述电源模块用于为整个系统提供稳定电压；

所述信号处理模块包括电荷放大器和信号隔离放大器，所述电荷放大器的输入端连有+op_5v电压和-op_5v电压，所述电荷放大器的g2端子连有拨码开关，所述电荷放大器的输出端子通过电阻r9与所述信号隔离放大器的输入端子相连，所述信号隔离放大器的v1+端子和v1-端子分别连有+op_5v电压和-op_5v电压，所述+op_5v电压通过电阻r5和二极管d6接地，所述信号隔离放大器的v1+端子通过电容c6接地，所述信号隔离放大器的v1-端子通过电容c7接地，所述信号隔离放大器的v2+端子和v2-端子分别通过无极电容c8和无极电容c9接地，所述信号隔离放大器的输出端通过电阻r13和二极管d2接地。

在本发明中，优选地，所述电荷模块包括偏置电流放大器、仪表放大器和低噪放大器，所述偏置电流放大器的输出端和所述仪表放大器的正向输入端相连，所述仪表放大器的反向输入端接地，所述仪表放大器的输出端连有电阻r2，所述仪表放大器的rg-端子和rg+端子之间连有电阻r1，所述仪表放大器的vref端子和所述低噪放大器的输出端相连，所述低噪放大器的正向输入端通过电阻r19连有滑动变阻器r18，所述低噪放大器的反向输入端和所述低噪放大器的输出端相连。

在本发明中，优选地，所述仪表放大器的-vs端子和+vs端子连有压降电路和第一电压反转电路，所述压降电路包括场效应管q1、三极管q2和第一稳压管，所述场效应管q1的栅极和所述三极管q2的集电极相连，所述场效应管q1的源极和所述第一稳压管的输入端相连，所述场效应管q1的漏极通过电阻r21和所述场效应管q1的栅极相连，所述场效应管q1的漏极通过电容c6接地，且所述场效应管q1的漏极接有+12v电压，所述三极管q2的发射极接地，所述三极管q2的基极通过电阻r22和电阻r23接地，且所述电阻r22通过电阻r20接有+8v电压，所述第一稳压管的输出端接有+8v电压。

在本发明中，优选地，所述第一电压反转电路采用型号为ht7660的芯片，所述第一电压反转电路的v+端子接有+8v电压，所述第一电压反转电路的输出端接有-8v电压，所述第一电压反转电路的cap+端子和cap-端子之间连有有级电容c8。

在本发明中，优选地，所述电源模块包括第二稳压管、第二电压反转电路和dc/dc电源电路，所述第二稳压管的输入端连有+vin电压，所述第二稳压管的输出端连有+5v电压，第二反转电路的v+端子连有+5v电压，所述第二反转电路的cap+端子和cap-端子之间连有有级电容c9，所述第二电压反转电路的输出端通过有级电容c14接地，所述有级电容c14两端并联有电阻r14和无极电容c10，所述无极电容c10两端并联有无极电容c11。

在本发明中，优选地，所述dc/dc电源电路的vin+端子连有+5v电压，所述dc/dc电源电路的vin+端子和vin-端子之间接有无极电容c15，所述dc/dc电源电路的vin-端子接地，所述dc/dc电源电路的vo+端子通过电阻r13连有+op_5v端子，所述dc/dc电源电路的vo-端子通过电阻r15连有-op_5v端子。

在本发明中，优选地，所述电荷放大器的g1端子连有光电耦合器，所述光电耦合器通过二极管d4、二极管d5外接有外部接口，所述光电耦合器的一号端子通过电阻r12、二极管d7接地。

在本发明中，优选地，所述场效应管q1设置为p沟道场效应管，其型号设置为si2301。

在本发明中，优选地，所述二极管d2采用的是瞬态抑制二极管，所述二极管d2的型号设置为p6ke24ca。

在本发明中，优选地，所述第一稳压管和所述第二稳压管的型号均设置为ht7660。

本发明具有的优点和积极效果是：信号处理模块通过外部接口连接的切削力传感器，切削力传感器用于采集切削力信号并将该切削力信号传输给信号处理模块，经由信号处理模块进行信号隔离放大并转变为标准计算机可拾取的模拟信号，电源模块用于为整个系统提供稳定电压，通过设置由信号处理模块、电荷模块以及电源模块之间的相互配合，信号处理模块中的电荷放大器将信号的电容漏电漂移的电压信号传输至低噪放大器中完成信号的补偿，避免由于电流漂移造成的信号失真，提高切削力传感器采集信号的准确性；通过信号隔离放大器其输入部分将输入的模拟量信号调制成与其大小和极性成比例的脉宽调制信号，并通过隔离电容将该脉宽调制信号送至输出端，输出端将该信号解调成模拟量信号，由于制作时其两部分完全匹配设计，因此再输出端能够得到高精度的输出电压信号。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的一种切削力测试装置的静态系统的信号处理模块的电路原理图；

图2是本发明的一种切削力测试装置的静态系统的电荷模块的电路原理图；

图3是本发明的一种切削力测试装置的静态系统的电源模块的电路原理图；

图4是本发明的一种切削力测试装置的静态系统的压降电路的电路原理图；

图5是本发明的一种切削力测试装置的静态系统的第一反转电路的电路原理图；

图6是本发明的一种切削力测试装置的静态系统的外部接口的电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图6所示，本发明提供一种切削力测试装置的静态系统，包括信号处理模块、电荷模块和电源模块，信号处理模块和电荷模块电性连接，电荷模块和电源模块电性连接，信号处理模块通过外部接口外电性连接有切削力传感器，切削力传感器用于采集切削力信号并将该切削力信号传输给信号处理模块，经由信号处理模块进行信号隔离放大并转变为标准计算机可拾取的模拟信号，电荷模块用于实现对信号的降噪与放大过程，电源模块用于为整个系统提供稳定电压；

信号处理模块包括电荷放大器和信号隔离放大器，电荷放大器的输入端连有+op_5v电压和-op_5v电压，电荷放大器的g2端子连有拨码开关，电荷放大器的输出端子通过电阻r9与信号隔离放大器的输入端子相连，信号隔离放大器的v1+端子和v1-端子分别连有+op_5v电压和-op_5v电压，+op_5v电压通过电阻r5和二极管d6接地，信号隔离放大器的v1+端子通过电容c6接地，信号隔离放大器的v1-端子通过电容c7接地，信号隔离放大器的v2+端子和v2-端子分别通过无极电容c8和无极电容c9接地，信号隔离放大器的输出端通过电阻r13和二极管d2接地。电荷放大器将信号的电容漏电漂移的电压信号传输至低噪放大器中完成信号的补偿，避免由于电流漂移造成的信号失真。电荷放大器的型号采用的是ica10x，其具有低成本、高精度的特点，可将电荷信号转化为电压信号输出，温度稳定性好、噪声低、频响误差小，电荷放大器采用金属密封并屏蔽，具有防潮、防震和抗密干扰的优点。信号隔离放大器采用型号为iso122的放大器，其输入部分将输入的模拟量信号调制成与其大小和极性成比例的脉宽调制信号，并通过隔离电容将该脉宽调制信号送至输出端，输出端将该信号解调成模拟量信号，由于制作时其两部分完全匹配设计，因此再输出端能够得到高精度的输出电压信号。

在本实施例中，进一步地，电荷模块包括偏置电流放大器、仪表放大器和低噪放大器，偏置电流放大器的输出端和仪表放大器的正向输入端相连，仪表放大器的反向输入端接地，仪表放大器的输出端连有电阻r2，仪表放大器的rg-端子和rg+端子之间连有电阻r1，仪表放大器的vref端子和低噪放大器的输出端相连，低噪放大器的正向输入端通过电阻r19连有滑动变阻器r18，低噪放大器的反向输入端和低噪放大器的输出端相连。信号进行当电流或电压的差值较小并且需要予以精确测量时，就需要使用低输入偏置电流运算放大器，以保证在使用偏置电流放大器时其输入端不会淹没信号。偏置电流放大器采用lmp7721型号的放大器，该型号放大器为三毫微微安输入偏置电流精密放大器，其具有独特的引脚输出保护的优势与特点，偏置电流放大器的信号输出端和仪表放大器的信号正向输入端相连，信号经由偏置电流放大器放大传输至仪表放大器中进行信号放大，通过电阻r2输出电压信号。仪表放大器采用的是ad8221型号的放大器，具有增益可编程、高性能的特点，具有相对于频率的最高共模抑制比的性能，仪表放大器的rg-端子和rg+端子之间连有电阻r1，电阻r1可以由24k的电阻与680r的电阻串接构成，低噪放大器采用的型号为op27，该型号的低噪放大器兼有低失调电压和漂移特性与高速、低噪声特性，能够使低电平信号得到精确的高增益放大。

在本实施例中，进一步地，仪表放大器的-vs端子和+vs端子连有压降电路和第一电压反转电路，压降电路包括场效应管q1、三极管q2和第一稳压管，场效应管q1的栅极和三极管q2的集电极相连，场效应管q1的源极和第一稳压管的输入端相连，场效应管q1的漏极通过电阻r21和场效应管q1的栅极相连，场效应管q1的漏极通过电容c6接地，且场效应管q1的漏极接有+12v电压，三极管q2的发射极接地，三极管q2的基极通过电阻r22和电阻r23接地，且电阻r22通过电阻r20接有+8v电压，第一稳压管的输出端接有+8v电压。压降电路通过场效应管q1、三极管q2和第一稳压管将+12v的输入电压降至+8v并输出稳定电压。

在本实施例中，进一步地，第一电压反转电路采用型号为ht7660的芯片，第一电压反转电路的v+端子接有+8v电压，第一电压反转电路的输出端接有-8v电压，第一电压反转电路的cap+端子和cap-端子之间连有有级电容c8。ht7660是一款dc/dc电容电压反转器专用集成电路，其能够将输入的+8v电压转为-8v电压输出。

在本实施例中，进一步地，电源模块包括第二稳压管、第二电压反转电路和dc/dc电源电路，第二稳压管的输入端连有+vin电压，第二稳压管的输出端连有+5v电压，第二反转电路的v+端子连有+5v电压，第二反转电路的cap+端子和cap-端子之间连有有级电容c9，第二电压反转电路的输出端通过有级电容c14接地，有级电容c14两端并联有电阻r14和无极电容c10，无极电容c10两端并联有无极电容c11。+vin电压通过第二稳压管输出+5v的稳定电压，第二电压反转电路能够将输入的+5v电压转换成-5v电压输出。

在本实施例中，进一步地，dc/dc电源电路的vin+端子连有+5v电压，dc/dc电源电路的vin+端子和vin-端子之间接有无极电容c15，dc/dc电源电路的vin-端子接地，dc/dc电源电路的vo+端子通过电阻r13连有+op_5v端子，dc/dc电源电路的vo-端子通过电阻r15连有-op_5v端子。dc/dc电源电路能够将+5v电压转换为+op_5v与-op_5v电压输出，用于为电荷放大器提供电能。

在本实施例中，进一步地，电荷放大器的g1端子连有光电耦合器，光电耦合器通过二极管d4、二极管d5外接有外部接口，光电耦合器的一号端子通过电阻r12、二极管d7接地。光电耦合器采用的型号为pc817，其能够使之前端与负载完全隔离，以使得电路的安全性大大提高。

在本实施例中，进一步地，场效应管q1设置为p沟道场效应管，其型号设置为si2301。

在本实施例中，进一步地，二极管d2采用的是瞬态抑制二极管，二极管d2的型号设置为p6ke24ca。

在本实施例中，进一步地，第一稳压管和第二稳压管的型号均设置为ht7660。

本发明的工作原理和工作过程如下：由快速伺服系统控制刀具与被加工工件相接触，产生切削力，通过切削力传感器采集并接收该切削力信号产生电荷，通过导线传送至信号处理模块，通过信号处理模块进行信号的隔离放大并转变为标准计算机能够拾取的模拟信号，信号处理模块中的电荷放大器将信号的电容漏电漂移的电压信号传输至低噪放大器中完成信号的补偿，避免由于电流漂移造成的信号失真，偏置电流放大器采用lmp7721型号的放大器，该型号放大器为三毫微微安输入偏置电流精密放大器，其具有独特的引脚输出保护的优势与特点，偏置电流放大器的信号输出端和仪表放大器的信号正向输入端相连，信号经由偏置电流放大器放大传输至仪表放大器中进行信号放大，通过电阻r2输出电压信号。仪表放大器采用的是ad8221型号的放大器，具有增益可编程、高性能的特点，具有相对于频率的最高共模抑制比的性能，仪表放大器的rg-端子和rg+端子之间连有电阻r1，电阻r1可以由24k的电阻与680r的电阻串接构成，低噪放大器采用的型号为op27，该型号的低噪放大器兼有低失调电压和漂移特性与高速、低噪声特性，能够使低电平信号得到精确的高增益放大，8mhz增益带宽积和2.8v/μs压摆率则可以在高速数据采集系统中实现出色的动态精度，利用偏置电流消除电路，op27可实现±10na的低输入偏置电流，为仪表放大器提供参考电压，输出级具有良好的负载驱动能力。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。