新型压电动态切削测力仪的结构设计与优化分析

摘要

本文采用有限元法对测力仪结构进行应力和刚度分析，并对压电车削测力仪结构中的关键尺寸进行优化，成功研制成一种新型压电车削测力仪。该新型车削测力仪与原有车削测力仪相比的突出优点是：它的外形接近一把普通的外圆车刀，可直接装夹在刀架上，与实际切削状态相同；传感器的灵敏度更高，尤其是主切削力方向可达到7.4pC/N；标定结果表明该传感器具有良好的线性静态特性，固有频率高于5kHz。传感器的技术指标全面达到CIRP-STCC规定的测力仪标准。　　最后，采用三水平三因素(切削深度ap，进给量f，主轴转速n)正交试验法对车削中的力进行实测。通过极差分析指出影响力的主次顺序为ap＞f＞n，并根据多元线性回归建立了车削45钢的车削经验公式，从而验证了该车削测力传感器完全可以用于实际测量。

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文摘

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1绪论

1.1压电式传感器综述

1.2压电效应与压电器件研究

1.3传感器与执行器一体化(集成化)、微小形化研究

1.4压电刀杆式车削测力仪综述

1.5压电传感器的特点

1.6本论文的主要研究内容

2新型压电车削测力仪总体方案设计

2.1新型压电车削测力仪的结构设计

2.1.1切削测力仪的结构设计原则

2.1.2新型压电车削测力仪的结构分析

2.2新型压电车削测力仪传感器晶组的结构设计

2.2.1石英晶体的压电机理

2.2.2压电效应的热力学基础

2.2.3石英晶体几何切型的选则

2.2.4晶轴方向的判别及组合晶组的构成

2.2.5传感器灵敏度的分析与计算

3新型车削测力仪的有限元分析及结构优化

3.1有限元方法原理

3.2平面问题有限元法

3.3平面单元刚度矩阵

3.4刀杆式车削测力仪的有限元网格划分

3.5测力仪有限元结构优化分析

3.5.1结构参数与各向刚度之间的关系

3.5.2优化结构尺寸后的刀杆应力分析

4新型压电车削测力仪上传感器的载荷分析及动态设计

4.1传感器的预载

4.2传感器的分载

4.3预紧力的大小及过盈量的计算

4.4压电测力仪的动态分析与设计

4.4.1关于ωn设计

4.4.2测力仪的数学模型及频率特性

4.5压电车削测力仪的装配

5新型压电车削测力仪的静态和动态标定

5.1如何减小横向干扰

5.2压电车削测力仪对测量电路的要求

5.3传感器的静态标定

5.4传感器的动态标定

5.5车削测力仪切削实验

5.5.1实验测量系统

5.5.2实验设计

5.5.3实验数据的极差分析

5.5.4切削经验公式的建立

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

附录A：新型压电车削测力仪实物照片

附录B测力仪结构尺寸图

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢