无定心四向压电钻削测力仪的研制及其实验研究

摘要

钻削测力仪作为检测钻削过程中各项数据的最基本设备，在实现加工自动化、自适应控制和最优控制的方面发挥着重要的作用。近年来，随着“压电石英扭转效应”原理的发现和应用，钻削测力仪的制作方法和工艺大大简化，使用单个传感器进行多向力测量也成为可能。 本文在国家自然科学基金(50475152)的资助下，从工程实际出发，在运用了晶体物理学、电介质物理学、压电学、各向异性弹性理论、电磁学、有限元分析等交叉学科的理论成果的基础上，论述了石英晶片的扭转效应原理，利用有限元分析软件ANSYS对圆形石英晶片的扭转效应进行了模拟。根据四向测力仪的特点和使用要求，对石英晶片的尺寸、壳体的主要尺寸、预紧力和量程等主要参数进行了设计，并利用有限元分析软件ANSYS对测力仪的结构进行分析，设计制造出测力范围为F<,z>=0～1500N，F<,x>/F<,y>=0～600N，M=0～9N·m的四向压电钻削测力仪。经过静、动态标定及切削试验验证，测力仪的各项技术指标全面达到CIRP-STCC规定的动态切削测力仪标准，为钻削测力仪的设计、制造和实验研究提供了依据和指导。该四向压电钻削测力仪同其他钻削测力仪相比突出的特点是：它应用了石英晶片的扭转效应测扭矩，测扭矩和径向力的晶组仅由四片普通Y0°切型的石英晶片组成；其结构简洁、调试方便、加工与装配工艺性好、成本较低：同时检测钻削过程中的四向力，能全面地反映钻削过程中钻削力的分布情况。本测力仪不但适用于实验室使用，而且适用于实际生产的测试与实时监控中。 在此基础上，对本测力仪是否可以进行无定心测量进行了研究，针对本测力仪的传感器分布形式提出了无定心数据处理方案，应用Visual Basic语言开发出相应的数据处理程序。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题的来源及意义

1.2课题的研究背景

1.2.1压电效应的历史和现状

1.2.2钻削测力仪的研究现状

1.2课题的主要研究内容

2压电效应的理论基础

2.1压电机理

2.2压电效应的表达式

2.3压电参数的坐标变换

2.3.1介电常数矩阵的坐标变换

2.3.2弹柔度系数的坐标变换

2.3.3压电应变常数的坐标变换

2.4本章小结

3四向压电钻削测力仪的测力原理

3.1石英晶体扭转效应原理

3.1.1扭转应力分析

3.1.2束缚电场分析

3.1.3扭转效应的ANSYS模拟

3.2测力仪的四向测力原理

3.2.1轴向力测量原理

3.2.2径向力和扭矩测量原理

3.3测力仪的无定心测量原理

3.3.1无定心原理

3.3.2无定心方案设计

3.4本章小结

4四向压电钻削测力仪的结构设计

4.1四向压电钻削测力仪的结构形式设计

4.1.1组合晶组方案选择

4.1.2测力仪壳体设计要求及材料选择

4.1.3测力仪预紧方案的选择

4.2四向压电钻削测力仪的结构尺寸设计

4.2.1石英晶片尺寸计算

4.2.2测力仪的壳体尺寸设计

4.2.3预紧力和量程计算

4.3四向压电钻削测力仪的装配

4.4本章小结

5四向压电钻削测力仪的实验分析

5.1静态标定

5.1.1静态标定概述

5.1.2扭矩的标定

5.1.3轴向力的标定

5.1.4径向力Fx的标定

5.1.5径向力Fy的标定

5.1.6向间干扰

5.1.7实验结果分析

5.2动态标定

5.3标定台上的无定心实验

5.4钻削试验

5 4.1测量系统介绍

5.4.2试验设计

5.4.3无定心测试数据分析

5.4.4钻削实验测定及经验公式建立

5.5本章小结

结 论

参考文献

附录A无定心数据处理软件主要程序

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢