电容式四维测力刀柄性能测试技术研究

摘要

机械加工过程的实时监测是进行后期优化，提高加工质量的基础。在监测中，切削力是一种重要的加工过程信息，它能够反映切削状态。为了实现切削力的实时测量，摆脱对工作台的限制，多种集成于刀柄和刀具的测力装置被研制出来，其实质是一种多维力传感器。传感器的性能指标决定了它的测量精度和使用工况，因此对于传感器的测试尤为重要。现有力传感器的测试方法往往是针对小型、标准传感器的。对于集成于刀柄或刀具的这种体积较大、形状不规则，而且有具体的使用工况要求的非标测力装置，并没有统一、有确切标准依据且方便实施的测试方法。
　　针对这一问题，本文对力传感器的性能指标测试方法进行了研究，提出了一种适用于四维测力刀柄的测试方法，设计了相应实验台并对该刀柄进行了性能指标的测试实验。具体研究方案如下：
　　首先，通过对标准动态力传感器检定规程的了解和国内外测试方法的研究，对不同的测试方法进行了对比分析，结合四维测力刀柄的测量原理和测试要求，确定了静态标定方案和以阶跃力为激励源，以功率谱分析为数据处理方法的动态标定方法。同时，依据四维测力刀柄耦合的研究，提出了以最小二乘法为基础的线性解耦方法和基于BP神经网络的非线性解耦方法。
　　其次，设计了四维测力刀柄的静动态标定实验台。在进行动态标定实验台设计时，提出了一种基于大理石断裂的动态力加载新方法。通过对理想阶跃力和实际阶跃力的分析，推导了上升沿时间与频域幅值衰减的关系公式。利用这个公式对上升沿时间测量实验的结果进行校核，确定了该种激励源适用于2000Hz频带范围内的频域分析。
　　再次，为了在测试中实现对测力刀柄（上位机）数据传输的控制与信号的显示和保存，通过对测力刀柄无线通信的数据结构和传输原理的分析，设计了基于LabVIEW的静动态标定电压采集程序和切削力采集程序。
　　最终，针对研究的四维测力刀柄进行了性能测试实验。通过静动态标定实验，确定了各项性能指标，并分析了产生误差的原因，提出了改进的方法。通过测力刀柄结构的自由模态分析，表明了该测力刀柄的动态力测量主要受限于使用工况的约束条件，而非刀柄的自身结构。测力刀柄的切削力测量实验证明了该测力刀柄能够实现低速四维铣削力的测量。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题的来源

1.2 课题的研究背景和意义

1.3 国内外的研究现状及分析

1.4 主要研究内容

第2章 四维测力刀柄测试方法的研究

2.1 四维测力刀柄的测量原理

2.2 四维测力刀柄测试性能指标的确定

2.3 四维测力刀柄静态标定方法研究

2.4 四维测力刀柄动态标定方法研究

2.5 四维测力刀柄解耦方法研究

2.6 本章小结

第3章 四维测力刀柄测试系统设计

3.1 四维测力刀柄测试实验台设计

3.2 四维测力刀柄测试系统上位机数据接收程序设计

3.3 测试系统误差分析

3.4 本章小结

第4章 四维测力刀柄性能测试实验

4.1 四维测力刀柄静动态标定实验

4.2 四维测力刀柄模态分析

4.3 四维测力刀柄铣削力测量实验

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢