主轴集成式光纤光栅切削力测量装置研究

发布时间：2020-08-28 00:25

【摘要】：切削力的实时在线监测是加工状态评估的重要内容。切削力的测量对于刀具几何参数优化、刀具状态信息管理、加工表面质量确定、刀具振动测量等具有重要意义。根据安装方式的不同,切削力测量主要分为安装在主轴上和安装在工作台上两种方式。相比于安装在工作台上的测量方式,安装在主轴上的测力仪具有测力仪动态性能不受工件质量影响,被加工工件尺寸不受限制等优势。相较于其它电类传感器,光纤光栅(FBG)具有体积小、长期稳定性好、不受电磁干扰等优势,比较适合于切削力测量。因此,本文提出了一种新颖的基于光纤光栅的主轴集成式切削力测量装置。测量装置采用的两垂直布置半八角环弹性体具有较高的刚度、便于粘贴FBG等优点,提出的FBG布点方案能够实现多维力的维间解耦。通过对切削加工过程的分析,引出了切削加工产生的四维力,建立了四维力与法兰盘端面六维力的理论模型。通过对材料力学超静定理论的分析,揭示了六维力作用下与法兰盘相连的弓形梁端面的受力情况和弓形梁在端面六维力作用下不同点的应变与受力间的规律,建立了刀尖四维力与光纤光栅波长变化间的关系。通过对测量装置弹性体强度、刚度的分析,确立了弹性体的结构尺寸及各方向载荷量程。通过对弹性体表面应变的分析,确定了用以实现多维力维间解耦的FBG布局,并得到了解耦函数关系式。通过对测量装置各方向的静态标定得到了测量装置的灵敏度、线性度、重复性、迟滞性、维间耦合度等静态性能指标。通过对测量装置敲击实验数据的分析,得到了测量装置的一阶固有频率及临界转速。通过对测量装置动态旋转实验的研究,得到了不同转速、不同方向载荷作用下的不同FBG波长随时间变化的关系,并采用正弦函数拟合得到了拟合曲线的幅值、角速度、确定系数、偏距等参量,且分析了它们之间的关系。通过对静动态实验结果的分析验证了测量装置比较适用于切削力的实时在线监测。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212;TG502
【图文】：

测力仪,切削力

电机电流间的关系，用于通过在铣削过程中产过程中，机床主轴在切削力的作用下会产生微间函数关系的测量方法称作位移式测量法。Sar感器安装在主轴单元内的前轴承附近，实验结量要求，但切削力量程仅在 20-200N 范围内较准位移传感器集成在主轴上，通过测量机械加工中态变化来反映切削力的大小，实验结果显示其卡尔曼滤波的方法可使机床转速达到 12000r/min]将电容位移传感器安放在机床主轴上，通过监测力的大小，实验结果显示其一阶固有频率为 450可使机床转速达到 15000r/min。

测力仪,公司

片、电容传感器、FBG 等。压电式测力仪是利用压电晶体（主要是石英晶体）的正压电效应将切削力信号转换成电荷量输出的测力仪器。Kistler 公司是全球压电式测力仪的领航者，开发了多种商用的固定式和旋转式压电测力仪，如图 1-2 所示。该公司的测力仪具有刚度极高的测量元件（压电材料），可以识别极高速加工过程的刀刃信号，同时其独特、灵活的测量范围可满足不同级别力的精确测量需求。目前，许多学者也采用 Kistler 公司的测力仪来测量刀具状态信息。Ghani JA 等[13]将测力仪测量的力信号采用线性回归和 I-Kaz 的处理方法来预估刀具磨损信息；Pongsathornwiwat N 等[14]利用压电测力仪测量的力信号建立了切削加工管理系统来测量加工过程中的颤振信息；Huang P 等[15-16]采用压电测力仪测量得到的力信号进行时域、频域分析得到颤振信息。

测力仪,弹性体,切削力,应变片

如图1-5 所示。该测力仪是由对称布置的四个Γ型梁组成的弹性体与粘贴在弹性体上的应变片以及信号处理电路组成。通过理论分析得到测力仪的灵敏度、耦合度和动态性能，通过实验验证了测力仪的静动态性能。图 1-5 旋转测力仪安装示意图Liang Q 等[23-24]提出了一种新的基于 E 型膜片结构的应变片式测力仪，用来测量切削力 Fx、Fy、Fz 以及切削力矩 Mx、My、Mz，如图 1-6 所示。采用神经网络的方法对多维力进行校核和解耦，通过实验测量得到测力仪具有极高的灵

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