基于光纤光栅的平台式测力仪特性研究

发布时间：2020-04-29 22:02

【摘要】：在切削加工过程中,刀具磨损和断裂等加工状况的发生会导致工件加工精度降低或加工过程中断,影响产品质量和生产效率,所以需要实时监测刀具的机械性能以判断其工作状态,防止刀具的损坏,延长刀具寿命。切削力是加工过程中产生的最直接的变量,其对加工状态的改变最为敏感,它的准确可靠测量是了解和评估加工过程状态和性能的重要手段,也是判断刀具状态的重要保证。通过查阅大量与切削力测量相关的文献,本文提出了以八角环作为转换弹性体、以光纤光栅作为传感元件的铣削力测力仪,分析了八角环应变传递规律以及测力仪铣削力感知原理,根据材料力学知识确定了八角环的尺寸和材料参数。对测力仪整体的刚度特性进行了理论分析,得到了测力仪各个方向的理论刚度值,并通过实验获得了测力仪的实际刚度值。对测力仪的固有频率进行了仿真分析和实验研究,得到了测力仪在三个方向的实际固有频率值和测力仪的工作频带。对测力仪的静态性能指标如灵敏度、线性度、重复性等进行了实验研究,得到了测力仪的各项静态性能指标。针对测力仪在测量多维铣削力时各方向载荷相互影响的问题,分析了测力仪整体的多维力耦合特性,得到了解耦之后的铣削力计算公式,然后对单个八角环转换弹性体及测力仪整体的耦合特性进行了仿真分析,证明了理论分析的正确性,最后通过耦合实验,对比解耦前后切削力的测量误差,证明了该解耦方法可以大大提高测量精度。此外,针对切削加工过程中产生的温度变化影响切削力测量精度的问题,分析了光纤光栅传感器的光-热耦合特性及八角环复合传感结构的力-热耦合特性,并通过实验得到了光纤光栅及八角环复合传感结构的实际温度特性曲线,进而可以实现测力仪在切削力测量过程中的温度补偿,大大提高切削力测量的精度。
【图文】：

武汉理工大学硕士学位论文力的大小。机床在切削加工过程中，其主轴或刀具形而产生微小的偏移，通过研究该偏移量与切削力到切削力的大小。德国斯图加特大学的 Andreas[7]的的位移量来测量切削力大小的方法。原理是通过加工过程中传感头与旋转轴之间的位移变化值，然值与切削力的关系，如图 1-1 所示。Kim[8]利用电过程，其原理是在机床主轴附近安装电容位移传感偏移时会引起电容的变化，从而间接得到切削力的

量即可得到其所受外力的大小。压电式切削测力仪拥有很高的灵敏度、度误差和重复性误差小，结构简单,更重要的是其静刚度和固有频率很高,往压电测力仪拥有很好的静态和动态特性,能够很好的应用于动态切削力。切削力测力仪通常由转换弹性体、应变传感器和相应的测量电路组成力仪直接安装在机床工作台、刀柄或主轴上进行切削力测量。由于转换的不同，应变式测力仪也多种多样，常用的转换弹性体有八角环、刀柄梁结构。土耳其 Suleyman Yald z[9-10]设计出一种以八角环为转换弹性体的车削统（图 1-2）。在加工过程中，测力仪受到各个方向的切削力作用使八角形变，通过粘贴在八角环表面的电阻应变片进行测量。通过八角环上不点处的传感器对不同方向的切削力和扭矩进行测量。该车削力测量系统测量 5000N 的切削力，灵敏度为±5N， 各个方向的切削力大小与输出电关系呈现很好的线性，不同方向切削力测量时的相互干扰在0.6 1.7%范围过实验测量，，该测力仪拥有较高的固有频率，可以满足刚度需要和动态测量的需要。这也表明该种弹性体布置及固定方式具有较好的性能。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH74

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本文编号：2645048