无定心四向压电钻削测力仪的研制及其实验研究

论文摘要

钻削测力仪作为检测钻削过程中各项数据的最基本设备，在实现加工自动化、自适应控制和最优控制的方面发挥着重要的作用。近年来，随着“压电石英扭转效应”原理的发现和应用，钻削测力仪的制作方法和工艺大大简化，使用单个传感器进行多向力测量也成为可能。本文在国家自然科学基金（50475152）的资助下，从工程实际出发，在运用了晶体物理学、电介质物理学、压电学、各向异性弹性理论、电磁学、有限元分析等交叉学科的理论成果的基础上，论述了石英晶片的扭转效应原理，利用有限元分析软件ANSYS对圆形石英晶片的扭转效应进行了模拟。根据四向测力仪的特点和使用要求，对石英晶片的尺寸、壳体的主要尺寸、预紧力和量程等主要参数进行了设计，并利用有限元分析软件ANSYS对测力仪的结构进行分析，设计制造出测力范围为Fz=0～1500N，Fx／Fy=0～600N，M=0～9N·m的四向压电钻削测力仪。经过静、动态标定及切削试验验证，测力仪的各项技术指标全面达到CIRP-STCC规定的动态切削测力仪标准，为钻削测力仪的设计、制造和实验研究提供了依据和指导。该四向压电钻削测力仪同其他钻削测力仪相比突出的特点是：它应用了石英晶片的扭转效应测扭矩，测扭矩和径向力的晶组仅由四片普通Y0°切型的石英晶片组成；其结构简洁、调试方便、加工与装配工艺性好、成本较低；同时检测钻削过程中的四向力，能全面地反映钻削过程中钻削力的分布情况。本测力仪不但适用于实验室使用，而且适用于实际生产的测试与实时监控中。在此基础上，对本测力仪是否可以进行无定心测量进行了研究，针对本测力仪的传感器分布形式提出了无定心数据处理方案，应用Visual Basic语言开发出相应的数据处理程序。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的来源及意义
• 1.2 课题的研究背景
• 1.2.1 压电效应的历史和现状
• 1.2.2 钻削测力仪的研究现状
• 1.3 课题的主要研究内容
• 2 压电效应的理论基础
• 2.1 压电机理
• 2.2 压电效应的表达式
• 2.3 压电参数的坐标变换
• 2.3.1 介电常数矩阵的坐标变换
• 2.3.2 弹柔度系数的坐标变换
• 2.3.3 压电应变常数的坐标变换
• 2.4 本章小结
• 3 四向压电钻削测力仪的测力原理
• 3.1 石英晶体扭转效应原理
• 3.1.1 扭转应力分析
• 3.1.2 束缚电场分析
• 3.1.3 扭转效应的ANSYS模拟
• 3.2 测力仪的四向测力原理
• 3.2.1 轴向力测量原理
• 3.2.2 径向力和扭矩测量原理
• 3.3 测力仪的无定心测量原理
• 3.3.1 无定心原理
• 3.3.2 无定心方案设计
• 3.4 本章小结
• 4 四向压电钻削测力仪的结构设计
• 4.1 四向压电钻削测力仪的结构形式设计
• 4.1.1 组合晶组方案选择
• 4.1.2 测力仪壳体设计要求及材料选择
• 4.1.3 测力仪预紧方案的选择
• 4.2 四向压电钻削测力仪的结构尺寸设计
• 4.2.1 石英晶片尺寸计算
• 4.2.2 测力仪的壳体尺寸设计
• 4.2.3 预紧力和量程计算
• 4.3 四向压电钻削测力仪的装配
• 4.4 本章小结
• 5 四向压电钻削测力仪的实验分析
• 5.1 静态标定
• 5.1.1 静态标定概述
• 5.1.2 扭矩的标定
• 5.1.3 轴向力的标定
• 5.1.4 径向力Fx的标定
• 5.1.5 径向力Fy的标定
• 5.1.6 向间干扰
• 5.1.7 实验结果分析
• 5.2 动态标定
• 5.3 标定台上的无定心实验
• 5.4 钻削试验
• 5.4.1 测量系统介绍
• 5.4.2 试验设计
• 5.4.3 无定心测试数据分析
• 5.4.4 钻削实验测定及经验公式建立
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 无定心数据处理软件主要程序
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢