钢球冷镦机压电薄膜力传感器研究

摘要

在机械传动领域中，轴承是一类不可或缺的基础零件，对其应用主机的工作特性有着很大的影响。钢球作为轴承中的滚动体承受载荷，大量试验表明其加工质量与轴承性能有着密切联系。墩压技术是常见的钢球成形方法，利用钢球冷镦机将圆柱毛坯墩压成球状钢球，但是在冷镦过程中会有成形缺陷的产生，如果得不到及时的发现和解决，将会导致钢球成形质量差和次品的大量产生，针对这一问题，国内学者从冷镦工艺改进和冷镦机结构优化角度出发，做了大量的理论和实验研究，极大的提高了钢球的成形质量，但是仍无法从根源上解决成形缺陷的问题，与国外研究成果相比，对于质量在线监测系统的研究还比较少，这就造成了钢球冷镦设备的机电一体化低。因此本课题以钢球成形质量监测用的压电薄膜传感器为研究对象，从结构设计、数学建模、数值仿真和试验研究四个方面进行分析，从而为成形质量监测系统的开发提供支持。
　　本课题受国家自然基金青年科学基金项目（编号:51205165）和济南市青年科技明星计划（编号:20120125）的资助，研究的压电薄膜力传感器基于压电效应机理来实现机械能与电能的相互转换，用冷镦力来反映钢球墩压过程，选用底模载荷信号提取方式，通过压电式力传感器将冷镦力以电信号的方式输出，通过观察电信号的变化规律，从而实现钢球冷镦成形过程的实时监测。
　　第一、介绍PVDF压电薄膜及压电式力传感器的国内外研究现状，指出国内有关提高冷镦成形质量的方法，结合研究的不足之处，提出一种利用载荷信号反映钢球冷镦成形缺陷的解决方法。
　　第二、设计一种以PVDF压电薄膜作为力敏元件的上下支撑结构的钢球冷镦机压电力传感器模型，在不影响冷镦机装配和满足测量要求的前提下，结合钢球冷镦成形过程，分析毛坯在模具中的受力，从而确定传感器的最佳安装位置，推导满足冷镦过程的压电方程，进行冷镦力的计算，设计PVDF压电薄膜的形状与尺寸参数，分析传感器雏形各部件的强度。
　　第三、分析传感器力学特性，通过冷镦过程的受力分析，确定传感器的数学模型，得出计算固有频率的理论推导公式，结合传感器设计参数，得到传感器固有频率理论数值，借助MATLAB软件对影响固有频率的结构参数进行数值分析。
　　第四、利用ANSYS软件得到施加载荷与输出载荷之间的映射关系，对比传感器固有频率的仿真曲线和理论曲线，验证影响固有频率的因素，针对传感器雏形各部件的应力分布情况，仿真结构参数变化对于输出载荷的影响情况，实现对传感器的结构改进和参数优化，确定得到传感器最优模型。
　　第五、搭建传感器动静态标定平台，确定动静态标定方法，得到传感器的动静态性能主要指标。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的背景和意义

1．2 PVDF压电薄膜研究现状

1．2．1 压电效应

1．2．2 压电理论的研究

1．2．3 压电响应的研究

1．3 压电式力传感器研究现状

1．3．1 压电式力传感器结构及测量安装位置研究

1．3．2 压电式力传感器的性能研究

1．3．3 压电式力传感器标定试验研究

1．4 主要研究内容

第二章 钢球冷镦机压电薄膜力传感器测量原理及结构设计

2．1 钢球冷镦机压电薄膜力传感器测量原理

2．1．1 PVDF压电薄膜的压电方程

2．1．2 传感器安装位置

2．1．3 冷镦力计算

2．2 钢球冷镦机压电薄膜力传感器结构设计

2．2．1 PVDF压电薄膜设计

2．2．2 传感器结构整体设计

2．3 钢球冷镦机压电薄膜力传感器结构强度分析

2．4 小结

第三章 钢球冷镦机压电薄膜力传感器力学分析

3．1 传感器受力分析

3．2 传感器数学模型

3．2．1 静力学模型

3．2．2 动力学模型

3．3 传感器特性分析

3．3．1 固有频率的计算

3．3．2 结构参数对传感器特性影响

3．4 小结

第四章 钢球冷镦机压电薄膜力传感器参数优化及性能分析

4．1 传感器性能分析

4．1．1 传感器输入与输出关系分析

4．1．2 传感器模态分析

4．2 传感器结构优化

4．2．1 传感器结构改进分析

4．2．2 PVDF压电薄膜外径尺寸分析

4．2．3 传感器应力集中区域尺寸分析

4．2．4 传感器固有频率仿真分析

4．2．5 传感器优化结果对比分析

4．3 小结

第五章 钢球冷镦机压电薄膜力传感器标定试验研究

5．1 传感器标定试验设备

5．1．1 标定装置

5．1．2 标定平台的搭建

5．2 传感器标定方法及试验分析

5．2．1 动态标定方法及试验分析

5．2．2 静态标定方法及试验分析

5．3 小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

附录