主轴集成式光纤光栅切削力测量方法研究

摘要

随着国民经济水平的提高，对制造业产品需求量的增加，人们对生产力的要求也随之增高。然而，许多因素都会对生产力产生影响，例如刀具的磨损、振动甚至是加工过程中刀具的自然断裂。在这种情况下，如果不对刀具状态进行监测（TCM），轻则影响零件的加工精度，重则引起故障停机。停机不仅会降低生产力，还会提高成本，因此必须对刀具的状态进行有效地监测。而目前在刀具状态监测方面，切削力的测量是最主要的，它是描述切削加工过程中最重要的特征，能够反映刀具的磨损和断裂状态。在传统的电测类传感器易受电磁干且传统的工作台式传感器受工件质量和大小影响的背景下，本文基于光纤光栅有着对电绝缘、体积小、能够适应恶劣加工环境和分布式传感的属性，并结合主轴式切削力传感器是测量切削力最直接的方式这一特点，提出了主轴集成式光纤光栅切削力测量的方扰法。
　　本文介绍了目前切削力测量技术的国内外研究现状和光纤光栅力传感检测的国内外研究现状。在前人的基础上设计了四个Γ形梁互成90°对称分布的转换弹性体结构，分析了刀具受切削力作用时切削力的传递规律和弹性体上应变分布的规律，进而确定了3根光纤光栅在转换弹性体上的测点布置并推导出了切削力检测的数学模型。运用ANSYS有限元分析软件对所设计的切削力传感器进行了静态仿真分析，仿真结果与理论模型相符。为了模拟切削加工过程中刀具受到的切削力，搭建了主轴集成式光纤光栅切削力传感器实验平台，对传感器在初始状态下（φ=0°）受三向切削力（X、Y、Z）作用时的输入输出特性做了标定，得到了标定矩阵，并与仿真结果和理论分析相比较，验证了初始状态下理论模型的正确性。随后进行了非初始状态下（φ≠0°）的实验，再将实验结果代入经过标定后的切削力检测模型，证明了该模型静态时在各个角度上都是正确的。最后进行了径向力和轴向力的动态实验，验证了切削力检测模型在动态时也是适用的。即说明了用主轴集成式光纤光栅测量切削力的方法是可行并且可靠的。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 切削力测量技术国内外研究现状

1.3 光纤光栅力传感检测国内外研究现状

1.4 论文主要内容及安排

第2章 光纤光栅切削力传感原理

2.1 切削加工过程中切削力产生原理

2.2 切削力检测原理

2.3 光纤Bragg光栅应变检测原理

2.4 本章小结

第3章 主轴集成式光纤光栅切削力传感器原理

3.1 弹性体结构及FBG布点

3.2 切削力传递规律

3.3 主轴集成式光纤光栅切削力传感器仿真

3.4 本章小结

第4章 主轴集成式光纤光栅切削力传感器实验研究

4.1 切削力测量实验平台

4.2 切削力静态实验

4.3 切削力动态实验

4.4 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研究生期间参与的项目

附录B研究生期间发表的论文