钢球冷镦成型用支撑式PVDF三维力传感器研究
发布时间：2021-12-21 23:31
轴承作为现代机械设备的“关节”,在国民经济建设中有着举足轻重的地位。轴承滚动体是轴承中最核心的零部件,其制造质量直接决定轴承运行性能。而钢球作为最常用的一种轴承滚动体,对其检测水平的提升能促进轴承行业的快速发展。作为钢球加工生产的首道工序,冷镦成型至关重要,必须使用有效手段加以监控。冷镦力的信号特征可以反映钢球冷镦机的生产状态,但目前所使用的测力传感器存在一定的局限性,不能完全满足冷镦力测量中对重载、高动态和三维力测量的要求。因此,展开了钢球冷镦成型用支撑式PVDF三维力传感器的研究。首先,建立了钢球冷镦机上模的运动规律数学模型,利用DEFORM仿真软件对钢球冷镦过程进行计算和分析,获得了冷镦成型过程中冷镦机底模的实时载荷信号,发现了底模载荷的内在变化规律,证明了通过提取底模载荷信号来监测钢球冷镦成型质量的可行性。其次,针对钢球冷镦成型过程中的底模载荷信号的特点,对比了不同压电材料的特性,选取了适合的力敏元件。结合PVDF压电薄膜三维力测量原理、力敏元件布局分析、传感器并联分载原理和PVDF压电薄膜面域分割技术,运用理论分析和ANSYS仿真分析相结合的方法,完成了钢球冷镦成型用支撑式P...
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钢球常用检测方法
?岢小⒏叩祷?埠突?魅酥岢小⒎绲缰岢械榷愿咝阅苤岢懈智虻闹柿恳?蟆?因此，迫切需要开展冷镦过程中高性能轴承钢球的组织性能控制技术研究，从而揭示钢球冷镦成型过程中其内部应力变化及分布规律。冷镦机床正朝着多工位、快节奏、自动化方向发展，加工速度高，生产能力可达几百粒/分钟，增加了冷镦力动态实时测量难度。大量仿真分析和实验数据表明，钢球冷镦成型时瞬时承受重载、强冲击载荷作用，因此重载测量也是需要解决的技术问题[31]。坯料在整个镦制过程中的受力是实时改变的，冷镦开始时坯料同模具是线接触的，如图1.2所示，主要受模具同料段接触部分沿冲头方向的单向压力作用，随着坯料的变短变粗直至逐渐充满模具型腔，坯料逐渐受到圆形模具型腔表面的约束力，所以坯料的受力状况由开始的单向压力状态变化为多向压应力状态，因此无形之中增加了多维力测量和监控的难度[32]。图1.2钢球模具受力图载荷信号在冲压过程监测和故障诊断方面起着重要的作用。分析载荷信号的波形变化不仅能判断冲压过程的实时状态，而且还能有效预测出钢球成品的质量。Koh和L.Capan分析载荷信号监测车身曲板生产过程[33]。J.H.Jin和J.J.Shi分将应变传感器安装在压力机支柱上采集正常工况下的应变信号（间接反应载荷信号）的波形，以压力机的曲轴角度作为参考轴X，将一个冲压循环分成两个工位的信号[34]。Q.He通过基于时频流形的稀疏信号重构对滚动轴承故障特征增强进行了研究，实现了特征提取和载荷信号的识别[35]。上海交通大学的董亦非对冲压波形监测并研究了鉴别算法，实现了信号的分析和特征提取[36]。韩国大学的J.H.Kim等研究了复杂锻造过程的信号分析故障质量监测[37]。浙江大学的雷勇教授通过自动监测多工位锻造过程中的载荷信号，实现了丢
蚶滹娉尚陀弥С攀絇VDF三维力传感器研究6中结构设计加工简化的一维传感器，利用四周高刚度弹性体并联中间低刚度弹性薄片结构和截面突变结构分别设计测力平台对切削分力Fx和Fy与Fz的敏感元件。马振政[49]设计了炸药装药PVDF应力传感器，通过落锤实验研究了传感器的频率响应特性，并进行了实际模拟研究。孙宏帅[50]等运用压电薄膜的优良压电特性，制成了螺旋形悬臂梁结构的地震检波器，为PVDF的应用开拓了新思路。课题组成员沈文众[51]和张琦[52]分别对钢球冷镦成型运动展开了研究，并设计了压电薄膜一维力传感器（见图1.3），实现了对钢球冷镦时的轴向力的测量，但该传感器不能实现多维力测量。图1.3压电薄膜一维力传感器1.2.3传感器静动态标定一种新型的传感器在设计制造完成后，需要对其设计指标进行验收。修理后或定期应对传感器的主要性能指标进行校验，使其性能达到最佳状态。以较高等级的仪器设备为评定依据，对传感器的静、动态特性进行严格检测，这个过程就是传感器的静、动态标定[53]。静态标定时，对被标传感器施加的载荷是恒定的静态力，施加在不同静态力，测试被标传感器在不同力下的变形规律，从而确立传感器的静态特性。研究传感器的静态特性主要考虑随机变化和非线性(线性误差)等的影响因素。力传感的静态性能指标有灵敏度、线性度、重复性、迟滞性和精度等[54]。目前，传感器静态标定的方法己趋于成熟，但此方法不足之处在于只能得出被标传感器的静态灵敏度及相关特性参数，适用于标定应变式或压阻式等低频特性好的压力传感器。而对于压电式ICP型或高阻抗输出型的传感器而言，由于这类传感器构成的测量系统的低频特性不够理想[55,56]，因此，采用静态标定时这类传感器往往会出现漂移的现象。用静态标定法无法?
【参考文献】：
期刊论文
[1]航空轴承钢的发展及热处理技术[J]. 刘洪秀,于兴福,魏英华,刘天明,高悦. 航空制造技术. 2020(Z1)
[2]机器视觉在轴承检测中的研究现状及发展趋势[J]. 张明辉,王建武,张文,王广忠. 机床与液压. 2019(23)
[3]践行可靠性系统工程实现轴承行业高质量发展[J]. 卢刚. 轴承. 2019(01)
[4]轴承无损检测和失效分析方法研究[J]. 李昭昆,陈翠丽,董汉杰. 无损探伤. 2018(06)
[5]钢球表面缺陷检测方法综述[J]. 周杭超,董晨晨,陈锋,程力,吴淳杰,翁海舟. 装备制造技术. 2018(10)
[6]钢球平底孔超声直探头接触法检测研究[J]. 濮海明,王哲,康宜华,华飞. 轴承. 2018(09)
[7]PVDF压电薄膜传感特性研究[J]. 丁贝贝,吴先梅,韩星晨,陈家熠. 压电与声光. 2018(02)
[8]大采高采煤机低速重载轴承动态特性研究[J]. 赵丽娟,李超君. 现代制造工程. 2015(09)
[9]轴承钢球的失效分析[J]. 梁华,刘传铭,王浩. 金属加工(热加工). 2015(11)
[10]滚动体加工工艺技术与装备发展方向[J]. 张永乾. 轴承. 2015(04)
博士论文
[1]多工位高速冷镦成形机理及其设备结构优化研究[D]. 肖志玲.机械科学研究总院 2015
[2]新型轴用并联压电式六维大力传感器的研究[D]. 李映君.大连理工大学 2010
硕士论文
[1]爆炸冲击波动态测量压电式压力传感器研究[D]. 杨聪.济南大学 2019
[2]基于PVDF压电薄膜的压电地震检波器研究[D]. 孙宏帅.吉林大学 2018
[3]基于PVDF压电薄膜的高频切削力信号传感器研制[D]. 张钰忻.哈尔滨工业大学 2017
[4]基于机器视觉的钢球表面缺陷检测技术研究[D]. 常晓刚.山东理工大学 2017
[5]力传感器自动标定技术研究[D]. 颜馨郁.哈尔滨工业大学 2016
[6]炸药装药PVDF应力传感器设计及试验研究[D]. 马振政.南京理工大学 2016
[7]基于反射式光纤传感器的圆柱度测量技术研究[D]. 贺维.西安工业大学 2014
[8]钢球冷镦机压电薄膜力传感器研究[D]. 张琦.济南大学 2014
[9]基于压电效应的钢球冷镦成形在线监测系统[D]. 沈文众.济南大学 2011
[10]基于光纤传感技术的钢球表面缺陷检测研究[D]. 张永奎.济南大学 2011
本文编号：3545379
【文章来源】：济南大学山东省
【文章页数】：85 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钢球常用检测方法
?岢小⒏叩祷?埠突?魅酥岢小⒎绲缰岢械榷愿咝阅苤岢懈智虻闹柿恳?蟆?因此，迫切需要开展冷镦过程中高性能轴承钢球的组织性能控制技术研究，从而揭示钢球冷镦成型过程中其内部应力变化及分布规律。冷镦机床正朝着多工位、快节奏、自动化方向发展，加工速度高，生产能力可达几百粒/分钟，增加了冷镦力动态实时测量难度。大量仿真分析和实验数据表明，钢球冷镦成型时瞬时承受重载、强冲击载荷作用，因此重载测量也是需要解决的技术问题[31]。坯料在整个镦制过程中的受力是实时改变的，冷镦开始时坯料同模具是线接触的，如图1.2所示，主要受模具同料段接触部分沿冲头方向的单向压力作用，随着坯料的变短变粗直至逐渐充满模具型腔，坯料逐渐受到圆形模具型腔表面的约束力，所以坯料的受力状况由开始的单向压力状态变化为多向压应力状态，因此无形之中增加了多维力测量和监控的难度[32]。图1.2钢球模具受力图载荷信号在冲压过程监测和故障诊断方面起着重要的作用。分析载荷信号的波形变化不仅能判断冲压过程的实时状态，而且还能有效预测出钢球成品的质量。Koh和L.Capan分析载荷信号监测车身曲板生产过程[33]。J.H.Jin和J.J.Shi分将应变传感器安装在压力机支柱上采集正常工况下的应变信号（间接反应载荷信号）的波形，以压力机的曲轴角度作为参考轴X，将一个冲压循环分成两个工位的信号[34]。Q.He通过基于时频流形的稀疏信号重构对滚动轴承故障特征增强进行了研究，实现了特征提取和载荷信号的识别[35]。上海交通大学的董亦非对冲压波形监测并研究了鉴别算法，实现了信号的分析和特征提取[36]。韩国大学的J.H.Kim等研究了复杂锻造过程的信号分析故障质量监测[37]。浙江大学的雷勇教授通过自动监测多工位锻造过程中的载荷信号，实现了丢
蚶滹娉尚陀弥С攀絇VDF三维力传感器研究6中结构设计加工简化的一维传感器，利用四周高刚度弹性体并联中间低刚度弹性薄片结构和截面突变结构分别设计测力平台对切削分力Fx和Fy与Fz的敏感元件。马振政[49]设计了炸药装药PVDF应力传感器，通过落锤实验研究了传感器的频率响应特性，并进行了实际模拟研究。孙宏帅[50]等运用压电薄膜的优良压电特性，制成了螺旋形悬臂梁结构的地震检波器，为PVDF的应用开拓了新思路。课题组成员沈文众[51]和张琦[52]分别对钢球冷镦成型运动展开了研究，并设计了压电薄膜一维力传感器（见图1.3），实现了对钢球冷镦时的轴向力的测量，但该传感器不能实现多维力测量。图1.3压电薄膜一维力传感器1.2.3传感器静动态标定一种新型的传感器在设计制造完成后，需要对其设计指标进行验收。修理后或定期应对传感器的主要性能指标进行校验，使其性能达到最佳状态。以较高等级的仪器设备为评定依据，对传感器的静、动态特性进行严格检测，这个过程就是传感器的静、动态标定[53]。静态标定时，对被标传感器施加的载荷是恒定的静态力，施加在不同静态力，测试被标传感器在不同力下的变形规律，从而确立传感器的静态特性。研究传感器的静态特性主要考虑随机变化和非线性(线性误差)等的影响因素。力传感的静态性能指标有灵敏度、线性度、重复性、迟滞性和精度等[54]。目前，传感器静态标定的方法己趋于成熟，但此方法不足之处在于只能得出被标传感器的静态灵敏度及相关特性参数，适用于标定应变式或压阻式等低频特性好的压力传感器。而对于压电式ICP型或高阻抗输出型的传感器而言，由于这类传感器构成的测量系统的低频特性不够理想[55,56]，因此，采用静态标定时这类传感器往往会出现漂移的现象。用静态标定法无法?
【参考文献】：
期刊论文
[1]航空轴承钢的发展及热处理技术[J]. 刘洪秀,于兴福,魏英华,刘天明,高悦. 航空制造技术. 2020(Z1)
[2]机器视觉在轴承检测中的研究现状及发展趋势[J]. 张明辉,王建武,张文,王广忠. 机床与液压. 2019(23)
[3]践行可靠性系统工程实现轴承行业高质量发展[J]. 卢刚. 轴承. 2019(01)
[4]轴承无损检测和失效分析方法研究[J]. 李昭昆,陈翠丽,董汉杰. 无损探伤. 2018(06)
[5]钢球表面缺陷检测方法综述[J]. 周杭超,董晨晨,陈锋,程力,吴淳杰,翁海舟. 装备制造技术. 2018(10)
[6]钢球平底孔超声直探头接触法检测研究[J]. 濮海明,王哲,康宜华,华飞. 轴承. 2018(09)
[7]PVDF压电薄膜传感特性研究[J]. 丁贝贝,吴先梅,韩星晨,陈家熠. 压电与声光. 2018(02)
[8]大采高采煤机低速重载轴承动态特性研究[J]. 赵丽娟,李超君. 现代制造工程. 2015(09)
[9]轴承钢球的失效分析[J]. 梁华,刘传铭,王浩. 金属加工(热加工). 2015(11)
[10]滚动体加工工艺技术与装备发展方向[J]. 张永乾. 轴承. 2015(04)
博士论文
[1]多工位高速冷镦成形机理及其设备结构优化研究[D]. 肖志玲.机械科学研究总院 2015
[2]新型轴用并联压电式六维大力传感器的研究[D]. 李映君.大连理工大学 2010
硕士论文
[1]爆炸冲击波动态测量压电式压力传感器研究[D]. 杨聪.济南大学 2019
[2]基于PVDF压电薄膜的压电地震检波器研究[D]. 孙宏帅.吉林大学 2018
[3]基于PVDF压电薄膜的高频切削力信号传感器研制[D]. 张钰忻.哈尔滨工业大学 2017
[4]基于机器视觉的钢球表面缺陷检测技术研究[D]. 常晓刚.山东理工大学 2017
[5]力传感器自动标定技术研究[D]. 颜馨郁.哈尔滨工业大学 2016
[6]炸药装药PVDF应力传感器设计及试验研究[D]. 马振政.南京理工大学 2016
[7]基于反射式光纤传感器的圆柱度测量技术研究[D]. 贺维.西安工业大学 2014
[8]钢球冷镦机压电薄膜力传感器研究[D]. 张琦.济南大学 2014
[9]基于压电效应的钢球冷镦成形在线监测系统[D]. 沈文众.济南大学 2011
[10]基于光纤传感技术的钢球表面缺陷检测研究[D]. 张永奎.济南大学 2011
本文编号：3545379
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