面向重型机床结构力致变形场测量的粘贴式FBG温度补偿方法

发布时间：2019-11-17 06:13

【摘要】：重型机床结构变形对加工工件精度有重大影响,为了准确获得FBG测点应变值,求解结构力致变形,提出了一种基于粘贴式FBG自身只能测量沿其轴向应变特性的温度补偿方法,补偿基体及粘接剂热膨胀影响。等截面悬臂梁实验表明:此方法能够解决粘贴式FBG在重型机床结构力致变形场测量中存在的问题。
【图文】：

原理图,光栅结构,光纤,原理图

近几年，ＦＢＧ传感器因其抗电磁干扰、远距离传输及“一线多点”的优点［６－７］，应用领域不断增大，并在重型机床变形场监测方面取得了突破性的进展，尤其粘贴式ＦＢＧ的出现改变了传统基于机床温度场分析变形场的思路。粘贴式ＦＢＧ可以直接测量机床结构的变形场，武汉理工大学ＬｉｕＹｉ［８］、ＨｕａｎｇＪｕｎ［９］，意大利ＰａｏｌｏＢｏｓｅｔｔｉ［１０］使用粘贴式ＦＢＧ测量了机床结构件变形。由于光纤光栅对温度、应变同时敏感，为了辨别重型机床结构力致变形及热变形，在使用粘贴式ＦＢＧ进行机床结构件力致应变测量时，除了考虑基体受温度作用外，还需要考虑ＦＢＧ自身与环境温度变化和基体、粘接剂热膨胀效应之间的关系。ＦＢＧ温度补偿方法一直是研究热点，如王宏亮等人［１１］提出的差动式补偿方法，万里冰等人［１２］研究的参考ＦＢＧ的方法，王雯珍等人［１３］提出的二元回归分析算法，樊晓宇等人［１４］提出的ＢＰ网络补偿，但是这些方法都不能满足机床结构不对称、温度梯度大且测点多的要求。仅在测量结构应变点的同时悬空布置ＦＢＧ温度传感器完成应变测量的温度补偿［８－９，１５］，忽略了基体和粘接剂的热膨胀问题及悬空布置ＦＢＧ与粘贴ＦＢＧ之间的温度差异，不能完全补偿温度带来的影响。综合机床结构力作用方向明显、车间环境与机床结构表面温度存在差异、基体及粘接剂热胀冷缩等特点，作者提出了基于ＦＢＧ只对单一方向应变敏感特性的温度补偿方法。实验验证结果表明，该方法能够明显提高ＦＢＧ机床结构件力致应变测量的准确性。１ＦＢＧ应变测量时影响因素分析１．１ＦＢＧ传感原理ＦＢＧ

曲线,中心波长,曲线,材料热膨胀系数

偏移值明显高于环境温度引起的中心波长变化。结果表明，相较于环境温度引起的ＦＢＧ中心波长变化，基体、粘接剂的热膨胀效应是很明显的。显然，实际ＦＢＧ测量值受环境温度变化及基体、粘接剂热膨胀效应的影响。直接使用环境温度变化引起的ＦＢＧ中心波长变化量补偿测点波长变化是存在明显缺陷的，因此有必要研究新的补偿方法。２理论分析及装置介绍测量应变的敏感方向单一是ＦＢＧ自身特性，即只对沿ＦＢＧ轴向应变敏感，确定载荷引起应变方向之后，与载荷引起的应变垂直方向不会存在载荷作用产生的应变。文中充分利用此特性，提出在其载荷应变垂直方向布置另外一个应变测量ＦＢＧ来补偿环境温度和基体、粘接剂热膨胀作用的影响。对于已经标定的ＦＢＧ温度传感器来说，其环境温度变化引起的中心波长变化Δλ可由其温度与ＦＢＧ中心波长函数Ｆ（Ｔ）求得；机床立柱、横梁、底座，其制作材料都是各向同性材料，，且在０～１００℃内材料热膨胀系数基本保持不变，基体温度变化会产生热应变ξ＝α妁ΔＴ，其中：α为材料热膨胀系数，ΔＴ为温度变化量，基体热膨胀效应由其材料热膨胀系数决定；粘接剂的热膨胀效应同样由其材料热膨胀系数决定。根据上述分析，文中搭建了等截面悬臂梁弯曲应变测量实验平台进行验证，具体如图４所示。其中：支座固定，ＦＢＧ１与ＦＢＧ２相互垂直且距离较近，ＦＢＧ２粘贴在沿悬臂梁长度方向距离悬臂端１００ｍｍ位置处，ＦＢＧ３悬空布置，砝码布置在悬臂梁末端，忽略ＦＢＧ１与ＦＢＧ２的粘胶形状的影响及粘贴工艺的差异。３实验验证由于ＦＢＧ传感器对温度及应变同时敏感，所以首先对ＦＢＧ进行了温度标定。

【参考文献】