隨著各種新技術(shù)在精密加工中得到了廣泛的應(yīng)用,精密加工和精密測量技術(shù)得到了長足的發(fā)展,與此同時(shí)人們也更加關(guān)注微位移這種測量手段,例如機(jī)床熱變形而造成的機(jī)床主軸偏移量也需要精密測量。機(jī)床熱變形測量技術(shù)是決定機(jī)床誤差補(bǔ)償精度的關(guān)鍵,也是提高機(jī)床加工精度的重要因素。熱誤差的測量,實(shí)質(zhì)為熱位移的測量,此類熱位移在數(shù)量級上都過于微小,一般都需使用微位移傳感器來測量,而光纖光柵由于其獨(dú)特的優(yōu)勢,可適用于機(jī)床熱誤差測量中。所以采用光纖光柵測量技術(shù)用于微位移測量方法的研究,是對各類大型設(shè)備中微小變形及微小位移的在線監(jiān)測技術(shù)的探索,是具有重大意義的。本文首先對XK2755型定梁龍門重型數(shù)控銑床做了仿真和實(shí)驗(yàn)分析。在ANSYS workbench的仿真環(huán)境下,設(shè)置一個(gè)正弦函數(shù)來模擬室溫變化,以靜止和空轉(zhuǎn)的狀態(tài)下對機(jī)床作熱瞬態(tài)分析及熱瞬態(tài)應(yīng)力分析。建立機(jī)床主軸偏移量的測量實(shí)驗(yàn)臺,測試在兩種狀態(tài)下機(jī)床主軸偏移量的趨勢以及最大偏移量。隨后,針對數(shù)控機(jī)床主軸的偏移量,設(shè)計(jì)一套基于光纖光柵傳感的微位移測量方法,主要研究內(nèi)容為設(shè)計(jì)光纖光柵微位移傳感器。針對機(jī)床主軸偏移量的量級確定傳感器的分辨力和量程,建立三種傳感器的力學(xué)模型并確定傳感器的尺寸和材料。之后對成型的微位移傳感器進(jìn)行靜態(tài)特性的仿真及標(biāo)定實(shí)驗(yàn),得出傳感器的靈敏度、量程、線性度、遲滯誤差、重復(fù)性誤差等參數(shù),為之后對機(jī)床主軸偏移量的測量實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備;最后對傳感器進(jìn)行一階振型的仿真及實(shí)驗(yàn),得出傳感器的實(shí)際固有頻率;完成溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn),查看傳感器的溫度補(bǔ)償效果是否明顯,能否達(dá)到預(yù)期的補(bǔ)償。最后,針對機(jī)床熱變形而造成的機(jī)床主軸到工作臺之間的偏移量這一問題,做驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。首先根據(jù)第三章設(shè)計(jì)的基于光纖光柵傳感的微位移測量方法,設(shè)計(jì)一套光纖光柵微位移測量系統(tǒng),用于機(jī)床熱變形的測量。建立常溫下機(jī)床主軸偏移量測量的實(shí)驗(yàn)臺,實(shí)驗(yàn)臺主要由重型數(shù)控銑床、光纖光柵微位移傳感器測量裝置、石英桿件、杠桿磁力吸座,限位裝置、MOI光纖光柵解調(diào)儀、PC機(jī)以及LK-G80激光位移傳感器、DS18B20數(shù)字溫度傳感器等組成。以LK-G80激光位移傳感器作為檢測標(biāo)準(zhǔn),將測量所得的波長漂移量換算成機(jī)床熱位移量,與檢測標(biāo)準(zhǔn)作對比。
【學(xué)位單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG547
【部分圖文】：

常見的球桿儀、電容位移傳感器、激光干涉儀、激光位移傳感器等精密測量儀器都曾用于機(jī)床熱誤差的測量，或者是用來檢測機(jī)床熱誤差的補(bǔ)償效果。多年來，大量學(xué)者針對機(jī)床熱變形問題做了許多的研究。例如，1995 年 ChenJ S 等人[13]利用若干個(gè)熱電偶采集數(shù)控機(jī)床溫度值來構(gòu)建溫度場，以及若干個(gè)電容位移傳感器采集數(shù)控機(jī)床的各個(gè)方向的熱誤差信息，之后對機(jī)床實(shí)施補(bǔ)償，并利用激光干涉儀檢測補(bǔ)償效果；如圖 1-1 所示，2006 年天津大學(xué)的商鵬和阮宏慧等人[14]提出了一種基于球桿儀的三軸數(shù)控機(jī)床熱誤差檢測方法，能夠測得機(jī)床空載時(shí)的主軸端到工作臺的熱偏移量；2012 年捷克的 Horej O 等人[15]以數(shù)控銑削加工中心為研究對象，安裝了 12 個(gè)溫度傳感器和 3 個(gè)電容位移傳感器，由此建立了的數(shù)控銑削加工中心的溫度場和熱變形場；2012 年仇健和劉春時(shí)等人[16]以龍門數(shù)控銑床為研究對象（如圖 1-2），采用熱像儀測量主軸箱溫度，安裝了五個(gè)激光位移傳感器用來測量主軸熱誤差，最終分析了主軸的各類熱誤差分量，以及溫度對各個(gè)坐標(biāo)軸變形的影響，例如熱延遲和熱慣性等特性。

常見的球桿儀、電容位移傳感器、激光干涉儀、激光位移傳感器等精密測量儀器都曾用于機(jī)床熱誤差的測量，或者是用來檢測機(jī)床熱誤差的補(bǔ)償效果。多年來，大量學(xué)者針對機(jī)床熱變形問題做了許多的研究。例如，1995 年 ChenJ S 等人[13]利用若干個(gè)熱電偶采集數(shù)控機(jī)床溫度值來構(gòu)建溫度場，以及若干個(gè)電容位移傳感器采集數(shù)控機(jī)床的各個(gè)方向的熱誤差信息，之后對機(jī)床實(shí)施補(bǔ)償，并利用激光干涉儀檢測補(bǔ)償效果；如圖 1-1 所示，2006 年天津大學(xué)的商鵬和阮宏慧等人[14]提出了一種基于球桿儀的三軸數(shù)控機(jī)床熱誤差檢測方法，能夠測得機(jī)床空載時(shí)的主軸端到工作臺的熱偏移量；2012 年捷克的 Horej O 等人[15]以數(shù)控銑削加工中心為研究對象，安裝了 12 個(gè)溫度傳感器和 3 個(gè)電容位移傳感器，由此建立了的數(shù)控銑削加工中心的溫度場和熱變形場；2012 年仇健和劉春時(shí)等人[16]以龍門數(shù)控銑床為研究對象（如圖 1-2），采用熱像儀測量主軸箱溫度，安裝了五個(gè)激光位移傳感器用來測量主軸熱誤差，最終分析了主軸的各類熱誤差分量，以及溫度對各個(gè)坐標(biāo)軸變形的影響，例如熱延遲和熱慣性等特性。

圖 1-3 分布差動式應(yīng)變位移傳感器 圖 1-4 大量程彎曲彈性梁2005 年劉波等人[30]對光纖布拉格光柵傳感器的精密位移測量做了實(shí)驗(yàn)，直接將光纖布拉格光柵作為彈性體。如圖 1-5 所示，將一段光纖光柵一端固定，另一端與滑塊相連接，滑塊下方安裝導(dǎo)軌，并在最右端有千分尺控制位移。傳感器的測量范圍為 0.6mm，測量分辨力為 1.5nm。此傳感器的特點(diǎn)是精度高，但量程小，易拉斷，使用率低。2007 年 Hong Ng，Xiaoqun Zhou，Xiufeng Yang 等人[31]設(shè)計(jì)了一種簡單的溫度不敏感光纖布拉格光柵位移傳感器，其基本原理類似于微彎結(jié)構(gòu)，如圖 1-6 所示，利用弧形結(jié)構(gòu)來限制光纖布拉格光柵，使其產(chǎn)生應(yīng)變，并通過測量波長帶寬來測量上下位移。此 FBG 位移傳感器的測量分辨率為 0.6234nm/mm，測量范圍為 0.6mm，但微彎結(jié)構(gòu)精度不高，容易產(chǎn)生誤差。

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本文編號：2828758