主轴集成式光纤光栅切削力测量装置研究

摘要

切削力的实时在线监测是加工状态评估的重要内容。切削力的测量对于刀具几何参数优化、刀具状态信息管理、加工表面质量确定、刀具振动测量等具有重要意义。根据安装方式的不同，切削力测量主要分为安装在主轴上和安装在工作台上两种方式。相比于安装在工作台上的测量方式，安装在主轴上的测力仪具有测力仪动态性能不受工件质量影响，被加工工件尺寸不受限制等优势。相较于其它电类传感器，光纤光栅（FBG）具有体积小、长期稳定性好、不受电磁干扰等优势，比较适合于切削力测量。因此，本文提出了一种新颖的基于光纤光栅的主轴集成式切削力测量装置。测量装置采用的两垂直布置半八角环弹性体具有较高的刚度、便于粘贴FBG等优点，提出的FBG布点方案能够实现多维力的维间解耦。 通过对切削加工过程的分析，引出了切削加工产生的四维力，建立了四维力与法兰盘端面六维力的理论模型。通过对材料力学超静定理论的分析，揭示了六维力作用下与法兰盘相连的弓形梁端面的受力情况和弓形梁在端面六维力作用下不同点的应变与受力间的规律，建立了刀尖四维力与光纤光栅波长变化间的关系。 通过对测量装置弹性体强度、刚度的分析，确立了弹性体的结构尺寸及各方向载荷量程。通过对弹性体表面应变的分析，确定了用以实现多维力维间解耦的FBG布局，并得到了解耦函数关系式。 通过对测量装置各方向的静态标定得到了测量装置的灵敏度、线性度、重复性、迟滞性、维间耦合度等静态性能指标。通过对测量装置敲击实验数据的分析，得到了测量装置的一阶固有频率及临界转速。通过对测量装置动态旋转实验的研究，得到了不同转速、不同方向载荷作用下的不同FBG波长随时间变化的关系，并采用正弦函数拟合得到了拟合曲线的幅值、角速度、确定系数、偏距等参量，且分析了它们之间的关系。通过对静动态实验结果的分析验证了测量装置比较适用于切削力的实时在线监测。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 切削力测量的研究现状

1.3 论文的主要研究内容

第2章 切削力测量原理

2.1 弹性体结构及切削力形成规律

2.1.1 弹性体结构设计原则

2.1.2 切削力形成规律

2.2 弹性体结构应变传递规律

2.2.1 弹性体结构力-应变关系模型

2.2.2 光纤光栅应变检测原理

2.3 弹性体结构受力分析

2.3.1 力Fz作用下弹性体受力模型

2.3.2 力Fx作用下弹性体受力模型

2.3.3 力矩My作用下弹性体受力模型

2.3.4 扭矩T作用下弹性体受力模型

2.4 本章小结

第3章 切削力测量装置设计

3.1 测量装置弹性体结构设计

3.1.1 弹性体结构网格划分

3.1.2 弹性体结构强度、刚度校核

3.2 测量装置弹性体应变分析及FBG布局

3.2.1 弹性体表面应变分析

3.2.2 FBG布局

3.3 测量装置多维力耦合分析

3.3.1 多维力解耦分析

3.3.2 多维力解耦矩阵分析

3.4 本章小结

第4章 切削力测量装置实验研究

4.1 测量装置静态特性

4.1.1 X方向静态特性

4.1.2 Y方向静态特性

4.1.3 Z方向静态特性

4.1.4 扭转方向静态特性

4.2 测量装置静态性能指标

4.2.1 线性度

4.2.2 重复性

4.2.3 迟滞性

4.3 测量装置多维力耦合特性研究

4.3.1 多维力解耦分析

4.3.2 维间耦合特性研究

4.3.3 多维载荷共同作用耦合特性研究

4.4 测量装置动态实验研究

4.4.1 测量装置固有特性研究

4.4.2 测量装置径向加载动态特性研究

4.4.3 测量装置轴向加载动态特性研究

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文

附录B 攻读硕士学位期间参与的科研项目