基于PVDF压电薄膜的高频切削力信号传感器研制

摘要

切削力是机械加工中的主要参数，测力仪直接测量是应用广泛且使用方便的切削力获得方法。将压电材料作为传感元件可提高测力仪性能， PVDF(Polyvinylidene Fluoride)压电薄膜因其动态特性好、频响范围宽、灵敏度高、柔性大、成本低等优点愈加广泛地被应用在切削力动态监测中。本文以高速微铣削中动态切削力测量为研究对象，利用PVDF压电薄膜设计一款高性能、低成本的新型压电测力传感器。
　　首先，根据并联式应变集中结构设计加工简化的一维传感器，并做常规转速铣削试验验证结构合理性。根据弹性系统振动力学推导出测力平台自由振动时固有频率与各参数关系，选定测力平台尺寸范围。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。利用有限元软件对测力平台做模态分析与静力学分析，得到测力平台测量范围。
　　然后，根据使用条件和PVDF压电薄膜性能确定压电方程，制备薄膜传感器和压电测力平台。利用有限元软件对压电测力平台做机械-压电联合仿真，得到各向输出电场与施加载荷关系。根据PVDF压电薄膜极化方向性质和各向载荷-电荷关系推出测力平台解耦算法，得到仿真与理论两种解耦式。
　　最后，利用DASYLab(Data Acquisition system Laboratory)多功能组态软件设计上位机部分。搭建测试系统，选择不同每齿进给量进行铣削试验，得到切削力与每齿进给量关系。选择合适参数，进行测力平台与Kistler测力仪对比试验，并将得到的切削力信号做解耦处理，试验证明测力传感器能较好地反映铣削时切削力动态变化，且解耦矩阵能一定程度上降低各向干扰，提高监测系统测量精度。

目录

第1章 绪 论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状及分析

1.2.1电阻式测力仪研究现状

1.2.2压电式测力仪研究现状

1.2.3 PVDF压电测力研究现状

1.2.4研究现状分析

1.3主要研究内容

第2章 测力平台结构设计与仿真计算

2.1测力平台设计准则与简化模型

2.1.1测力平台设计准则

2.1.2一维简化模型验证

2.2测力平台理论计算

2.3测力平台结构设计

2.4测力平台仿真分析

2.5本章小结

第3章 PVDF压电薄膜测力仪研制

3.1压电测力仪研制

3.1.1 PVDF压电薄膜性能与压电方程

3.1.2 PVDF传感器等效电路与电荷放大电路

3.1.3 PVDF传感器制备

3.2 PVDF压电测力平台仿真分析

3.3压电测力平台解耦

3.3.1解耦算法

3.3.2测力平台仿真解耦

3.3.3测力平台理论解耦

3.4本章小结

第4章 切削力监测系统性能测试与试验

4.1切削力动态监测系统设计

4.1.1实验设备

4.1.2软件系统设计

4.2检测系统铣削测试

4.2.1每齿进给量对切削力影响

4.2.2对比验证试验

4.3本章小结

结论

参考文献

声明

致谢