三向压电钻削测力仪的设计及扭矩加载器的研制

论文摘要

钻削测力仪是研究钻削过程最基本的仪器和手段，通过测得钻削力的变化，人们能快速的识别故障，提高加工过程的可靠性和生产效率。因此钻削测力仪是现代自动化加工过程中实现状态监控、自适应控制和最优控制必不可少的环节。随着科学技术的发展，人们对钻削测力仪的功能和性能指标也提出更新更高的要求。 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、各向异性材料力学、电磁学等交叉学科的理论成果的基础上，根据其特点与使用要求，对钻削测力仪结构中的关键尺寸和动态特性进行了设计和分析。设计制造出利用石英晶片扭转效应测扭矩，只采用四片石英晶片就可以同时测量钻削过程中的扭矩、轴向力、径向力的三向压电钻削测力仪。其测力范围为M_Z=0～9N．m，F_z=0～1500N，F_x=0～1000N。经过静态标定、动态标定和实际钻削测定，其各种指标都已达到设计要求。该三向压电钻削测力仪同其他钻削测力仪相比突出的特点是：它采用了石英晶片的扭转效应测扭矩，可以实现钻削过程的无定心测量；测扭矩和径向力的晶组仅由两片普通YO~0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三向力，能更全面地反映钻削过程中钻削力的分布情况。 研制出了扭矩加载器，该加载器基于柔性铰链组成导杆，只需要加载一个力即会产生一个平衡对称的纯扭转，具有结构简单，制作方便的优点。柔性铰的尺寸参数和位置参数是该装置设计的关键，其参数的大小可通过有限元分析软件ANSYS进行结构优化得到。经过实验分析，确定其加载产生扭矩的范围为M=0～16.375N．m，加载器精度和转换率高，线性度和重复性好。 本论文还论述了压电效应的产生机理，并探讨了在机械扭矩载荷作用下正方形内带圆孔的压电晶片内部由弹性各向异性引起的复杂应力状态，结合各向异性扭转理论和各向异性麦克斯韦电磁理论，得出了YO~0切型的方形内带圆孔石英晶片扭转应力场和非线性极化体电荷与面电荷的密度分布规律，并采用有限元软件ANSYS模拟了应力场和极化电场在压电石英晶片内的分布。结果表明在晶片表面上扭转极化电荷密度分布是以电轴为分界线成对称分布，电荷正负相反，外扭矩与极化产生的电荷量之间是确定的线性关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的来源及意义
• 1.2 国内外研究综述
• 1.2.1 钻削测力仪的研究现状
• 1.2.2 扭矩测量的研究现状
• 1.2.3 测力仪的发展动态
• 1.3 课题的研究意义和内容
• 2 压电效应的理论基础
• 2.1 压电效应的晶体物理学基础
• 2.1.1 晶体对称性
• 2.1.2 晶体学点群
• 2.1.3 晶体宏观物理性质
• 2.2 压电理论
• 2.2.1 广义压电方程式
• 2.2.2 压电效应与对称性
• 2.2.3 压电效应的热力学基础
• 2.3 压电石英晶体的特性
• 2.3.1 石英的晶体结构
• 2.3.2 石英的压电机理
• 2.3.3 压电效应表达式
• 2.4 本章小结
• 3 三向压电钻削测力仪中石英晶片的扭转效应分析
• 3.1 扭矩加载时石英晶片的应力分析
• 3.1.1 各向异性弹性体空间扭转问题基本方程及解法
• 3.1.2 测力仪所用晶片的计算
• 3.2 扭矩加载时石英晶片极化电场分析
• 3.2.1 各向异性介质宏观场定律
• 3.2.2 束缚电荷密度计算
• 3.3 ANSYS模拟
• 3.4 本章小结
• 4 三向压电钻削测力仪的设计
• 4.1 石英测量晶组的设计
• 4.1.1 石英测量晶组方案选择
• 4.1.2 石英晶片尺寸计算
• 4.2 三向压电钻削测力仪壳体设计
• 4.3 三向压电钻削测力仪的横向干扰
• 4.4 三向压电钻削测力仪的预紧力与量程计算
• 4.5 三向压电钻削测力仪灵敏度的计算
• 4.5.1 扭转灵敏度的计算
• 4.5.2 轴向力、径向力灵敏度的计算
• 4.6 三向压电钻削测力仪的动态特性分析
• 4.6.1 测力仪等效电路
• 4.6.2 测力仪的固有频率的设计
• 4.6.3 装在机床构件上的测力仪的动态特性
• 4.7 本章小结
• 5 三向压电钻削测力仪的实验分析
• 5.1 三向压电钻削测力仪的静态标定
• 5.1.1 轴向力的标定
• 5.1.2 径向力的标定
• 5.1.3 扭矩的标定
• 5.1.4 向间干扰
• 5.1.5 实验结果分析
• 5.2 动态标定
• 5.3 钻削试验测定与经验公式建立
• 5.3.1 试验测量系统
• 5.3.2 试验设计
• 5.3.3 试验结果与分析
• 5.3.4 钻削扭矩、轴向力的经验公式建立
• 5.4 本章小结
• 6 扭矩加载器的研制
• 6.1 现有的扭矩标定加载装置及工作原理
• 6.2 加载器的结构设计
• 6.2.1 导杆的工作原理
• 6.2.2 柔性铰
• 6.3 加载器的分离体静力分析
• 6.3.1 整体力分析
• 6.3.2 上加载杆受力分析
• 6.3.3 下加载杆受力分析
• 6.3.4 圆盘受力分析
• 6.4 加载器的结构优化
• 6.5 实验分析
• 6.6 本章小结
• 结论
• 创新点摘要
• 参考文献
• 附录A 附录内容名称
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书