基于光纤光栅的平台式测力仪特性研究

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。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究目的与意义

1.2 切削力测量的研究现状

1.3 论文主要研究内容

第二章 平台式测力仪铣削力测量原理

2.1测力仪铣削力感知原理

2.2 测力仪应变检测原理

2.3测力仪结构参数选择

2.4 本章小结

第三章 平台式测力仪结构特性研究

3.1 测力仪刚度分析

3.2 测力仪固有频率分析

3.3 测力仪静态特性研究

3.4 本章小结

第四章 平台式测力仪耦合特性研究

4.1平台式测力仪多维力耦合分析

4.2测力仪多维力耦合实验研究

4.3 八角环转换弹性体温度耦合研究

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

附录A 研究生期间参与的项目

附录B 研究生期间的研究成果