【摘要】：切削力的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)是加工狀態(tài)評(píng)估的重要內(nèi)容。切削力的測(cè)量對(duì)于刀具幾何參數(shù)優(yōu)化、刀具狀態(tài)信息管理、加工表面質(zhì)量確定、刀具振動(dòng)測(cè)量等具有重要意義。根據(jù)安裝方式的不同,切削力測(cè)量主要分為安裝在主軸上和安裝在工作臺(tái)上兩種方式。相比于安裝在工作臺(tái)上的測(cè)量方式,安裝在主軸上的測(cè)力儀具有測(cè)力儀動(dòng)態(tài)性能不受工件質(zhì)量影響,被加工工件尺寸不受限制等優(yōu)勢(shì)。相較于其它電類(lèi)傳感器,光纖光柵(FBG)具有體積小、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、不受電磁干擾等優(yōu)勢(shì),比較適合于切削力測(cè)量。因此,本文提出了一種新穎的基于光纖光柵的主軸集成式切削力測(cè)量裝置。測(cè)量裝置采用的兩垂直布置半八角環(huán)彈性體具有較高的剛度、便于粘貼FBG等優(yōu)點(diǎn),提出的FBG布點(diǎn)方案能夠?qū)崿F(xiàn)多維力的維間解耦。通過(guò)對(duì)切削加工過(guò)程的分析,引出了切削加工產(chǎn)生的四維力,建立了四維力與法蘭盤(pán)端面六維力的理論模型。通過(guò)對(duì)材料力學(xué)超靜定理論的分析,揭示了六維力作用下與法蘭盤(pán)相連的弓形梁端面的受力情況和弓形梁在端面六維力作用下不同點(diǎn)的應(yīng)變與受力間的規(guī)律,建立了刀尖四維力與光纖光柵波長(zhǎng)變化間的關(guān)系。通過(guò)對(duì)測(cè)量裝置彈性體強(qiáng)度、剛度的分析,確立了彈性體的結(jié)構(gòu)尺寸及各方向載荷量程。通過(guò)對(duì)彈性體表面應(yīng)變的分析,確定了用以實(shí)現(xiàn)多維力維間解耦的FBG布局,并得到了解耦函數(shù)關(guān)系式。通過(guò)對(duì)測(cè)量裝置各方向的靜態(tài)標(biāo)定得到了測(cè)量裝置的靈敏度、線(xiàn)性度、重復(fù)性、遲滯性、維間耦合度等靜態(tài)性能指標(biāo)。通過(guò)對(duì)測(cè)量裝置敲擊實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,得到了測(cè)量裝置的一階固有頻率及臨界轉(zhuǎn)速。通過(guò)對(duì)測(cè)量裝置動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的研究,得到了不同轉(zhuǎn)速、不同方向載荷作用下的不同F(xiàn)BG波長(zhǎng)隨時(shí)間變化的關(guān)系,并采用正弦函數(shù)擬合得到了擬合曲線(xiàn)的幅值、角速度、確定系數(shù)、偏距等參量,且分析了它們之間的關(guān)系。通過(guò)對(duì)靜動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析驗(yàn)證了測(cè)量裝置比較適用于切削力的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TP212;TG502
【圖文】：

電機(jī)電流間的關(guān)系，用于通過(guò)在銑削過(guò)程中產(chǎn)過(guò)程中，機(jī)床主軸在切削力的作用下會(huì)產(chǎn)生微間函數(shù)關(guān)系的測(cè)量方法稱(chēng)作位移式測(cè)量法。Sar感器安裝在主軸單元內(nèi)的前軸承附近，實(shí)驗(yàn)結(jié)量要求，但切削力量程僅在 20-200N 范圍內(nèi)較準(zhǔn)位移傳感器集成在主軸上，通過(guò)測(cè)量機(jī)械加工中態(tài)變化來(lái)反映切削力的大小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其卡爾曼濾波的方法可使機(jī)床轉(zhuǎn)速達(dá)到 12000r/min]將電容位移傳感器安放在機(jī)床主軸上，通過(guò)監(jiān)測(cè)力的大小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其一階固有頻率為 450可使機(jī)床轉(zhuǎn)速達(dá)到 15000r/min。

片、電容傳感器、FBG 等。壓電式測(cè)力儀是利用壓電晶體（主要是石英晶體）的正壓電效應(yīng)將切削力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷量輸出的測(cè)力儀器。Kistler 公司是全球壓電式測(cè)力儀的領(lǐng)航者，開(kāi)發(fā)了多種商用的固定式和旋轉(zhuǎn)式壓電測(cè)力儀，如圖 1-2 所示。該公司的測(cè)力儀具有剛度極高的測(cè)量元件（壓電材料），可以識(shí)別極高速加工過(guò)程的刀刃信號(hào)，同時(shí)其獨(dú)特、靈活的測(cè)量范圍可滿(mǎn)足不同級(jí)別力的精確測(cè)量需求。目前，許多學(xué)者也采用 Kistler 公司的測(cè)力儀來(lái)測(cè)量刀具狀態(tài)信息。Ghani JA 等[13]將測(cè)力儀測(cè)量的力信號(hào)采用線(xiàn)性回歸和 I-Kaz 的處理方法來(lái)預(yù)估刀具磨損信息；Pongsathornwiwat N 等[14]利用壓電測(cè)力儀測(cè)量的力信號(hào)建立了切削加工管理系統(tǒng)來(lái)測(cè)量加工過(guò)程中的顫振信息；Huang P 等[15-16]采用壓電測(cè)力儀測(cè)量得到的力信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析得到顫振信息。

如圖1-5 所示。該測(cè)力儀是由對(duì)稱(chēng)布置的四個(gè)Γ型梁組成的彈性體與粘貼在彈性體上的應(yīng)變片以及信號(hào)處理電路組成。通過(guò)理論分析得到測(cè)力儀的靈敏度、耦合度和動(dòng)態(tài)性能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了測(cè)力儀的靜動(dòng)態(tài)性能。圖 1-5 旋轉(zhuǎn)測(cè)力儀安裝示意圖Liang Q 等[23-24]提出了一種新的基于 E 型膜片結(jié)構(gòu)的應(yīng)變片式測(cè)力儀，用來(lái)測(cè)量切削力 Fx、Fy、Fz 以及切削力矩 Mx、My、Mz，如圖 1-6 所示。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)多維力進(jìn)行校核和解耦，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到測(cè)力儀具有極高的靈

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