压电式磨削测力仪的结构优化设计与实验研究

论文摘要

随着加工质量、生产效率的要求不断提高,磨削加工也在向着高速、高精度、高度自动化的方向发展。大量的研究结果表明,磨削状态的每个微小变化都能通过磨削力的变化反映出来,检测磨削力是目前国内外研究与应用最多的监测方法之一。磨削测力仪是研究磨削过程最基本的仪器和手段,它能快速的识别故障并隔离其根源,提高加工过程的可靠性和生产效率。也是现在自动化磨削加工中实现状态监控、自适应控制和最优控制必不可少的环节。因此,研制开发性能优良的磨削测力仪具有非常重要的意义。压电磨削测力仪结构优化设计的核心是弹性环与传感器三向刚度相互匹配的问题。本文从优化设计核心出发,在力学分析基础上,对三向力传感器结构中的关键尺寸进行了等刚度分析计算,准确得出弹性环结构的优化边界条件。同时,采用有限元法建立测力仪的三维实体参数化模型,应用ANSYS有限元优化模块完成测力仪结构优化,得到最优结构参数。经过静、动态标定和切削试验验证,该测力仪的技术指标全面达到CIRP-STCC规定的动态型测力仪标准,为压电磨削测力仪的设计、制造和实验研究提供了理论依据和指导。本论文主要解决的问题是实现了磨削测力仪的等刚度设计,有效地提高了传感器的灵敏度。通过对传感器的动静态标定可以得出这样的结论:优化后传感器的线性静态特性良好,线性度和重复度有明显的降低,固有频率则有明显的提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文选题背景及其研究意义
• 1.2 国内外研究及应用现状
• 1.2.1 磨削测力仪的类型
• 1.2.2 磨削测力仪的技术发展趋势
• 1.3 本课题研究的方法和技术及相关的应用软件
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第2章 压电效应及传感器晶组的结构设计
• 2.1 石英晶体产生压电性能的微观机理
• 2.1.1 石英晶体的物理特性
• 2.1.2 作用力与电荷的关系
• 2.2 压电效应
• 2.3 压电效应表达式的建立
• 2.4 压电效应的热力学分析
• 2.5 传感器晶组的结构设计
• 2.5.1 石英晶体的轴系和三种基本切型
• 2.5.2 几何切型的选择
• 2.5.3 晶轴方向的判别及组合晶组的构成
• 2.5.4 晶轴方向的判别
• 2.5.5 晶组的构成
• 2.6 传感器灵敏度的分析与计算
• 2.6.1 灵敏度的计算
• 2.6.2 电荷灵敏度的变化规律
• 2.7 本章小结
• 第3章 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 优化设计的意义
• 3.3 ANSYS优化设计相关概念
• 3.4 压电磨削测力仪的结构设计原则
• 3.5 设计思路
• 3.5.1 测力仪结构组成
• 3.5.2 测力仪的工作原理
• 3.6 测力仪的结构力学分析
• 3.6.1 测力仪变形构件受力分析与刚度数学模型的建立
• 3.6.2 弹性圆环结构优化边界条件的确定
• 3.7 有限元优化设计的过程与优化结果
• 3.7.1 生成分析文件
• 3.7.2 优化处理与优化结果
• 3.8 本章小结
• 第4章 压电磨削测力仪的制作与标定实验
• 4.1 压电晶组结构尺寸及传感器预紧力的确定
• 4.1.1 压电晶组结构尺寸的确定
• 4.1.2 传感器预紧力的计算
• 4.1.3 压电石英传感器在测力仪上的装配
• 4.2 压电磨削测力仪的静态标定
• 4.3 压电磨削测力仪的动态标定
• 4.3.1 测力仪的动态特性
• 4.3.2 采用有限元方法预估测力仪的动态特性
• 4.3.3 锤击法测量测力仪的动态特性
• 4.4 测力仪的各项性能指标综合比较
• 4.5 本章小结
• 第5章 压电磨削测力仪切削实验
• 5.1 实验设计与测试系统
• 5.2 实测结果分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢