摘 要

切削力在帮助优化加工过程、刀具状态监控、工具设计等方面提供了重要的信息。切削力是描述机械加工时切屑去除过程的重要参数，其精确测量是判断加工状态、实现加工过程智能化和加工过程控制、提高加工系统可靠性的重要基础。因此通过切削力的精确检测可以实时监测加工过程状态变化、及时调整加工参数来适应加工过程中各种需求，从而防止加工过程安全事故的发生及工件的损坏。目前，越来越多的切削力测量系统被开发，这些切削力测量系统所使用的测量结构多种多样。

本文首先介绍了课题的研究目的和意义，综述了国内外切削力测量的研究现状，八角环的特点是结构简单、刚度及灵敏度较高，但因刚度和灵敏度等不能满足高端数控机床，而且粘贴应变片的工艺对整体系统测量精度有较大影响，为了克服现有技术的不足，制作圆环式光纤光栅测力装置进行测力的方法，该方法可以解决传感器粘贴工艺导致应变传递损耗、传感器粘贴测量点不准确、多测量点测量效果不一致等的问题，以及提高测量的灵敏度和精度。从理论上对圆环进行力学性分析，在强度和刚度的允许下获得合适的单个圆环的结构，测力装置由四个互相垂直的圆环和上下安装板组成的， 借用仿真软件Simulation来验证理论结果以及圆环的可靠性，然后对整个测力装置进行了实验特性研究，得到了切削分力测量值的数学表达式，并将测量值与真实值相比较。最后对本文的研究成果以及问题进行了总结和展望。

关键词：圆环式复合传感结构；切削力；光纤光栅传感器；切削仿真

Abstract

The cutting force provides significant information to help understand the machining process, optimization, tool condition monitoring, tool design and others. Cutting force is to describe important parameters in the process of chip removal when mechanical processing, the accurate measurement is judge machining state, to realize intelligent processing and process control, an important foundation to enhance the reliability of the machining system. Therefore, by cutting force we can accurately detect the change of real-time monitoring process status, and timely adjust machining parameters to accommodate the processing needs, so as to prevent damage to the security incidents and the damage of workpiece in processing。Currently, an increasing number of cutting force measurement systems have been developed, which the measurement structure varied.

This article first introduced the research purpose and significance, the research status of cutting force measurement at home and abroad were reviewed, the octagonal ring is characterized by simple structure, high rigidity and sensitivity, but due to the rigidity and sensitivity can not meet the high-end CNC machine tools, and the technology of the strain gages on the whole system has a great influence on measurement accuracy, in order to overcome the shortcomings of existing technology, making ring optical fiber grating strain unit load method, this method can solve the sensors paste paste process lead to strain transfer loss, measurement point is not accurate, multiple points measuring the problem such as the effect is not consistent, and improving the sensitivity and accuracy of measurement. Theoretically mechanical properties analysis was carried out on the circle, with the permission of the strength and stiffness of obtain appropriate single ring structure, load device made up of four perpendicular circle and top and bottom mounting plate, using Simulation software Simulation to verify the theoretical results and the reliability of the ring, then has carried on the experiment to the load device characteristics research, obtained the mathematical expression of measurement value of cutting force component, and measured values compared with the real value. Finally, this article research results and problems are summarized and prospected.

Key Words：Ring type composite sensing structure；Cutting force；FBG；Cutting simulation.

目 录

第1章 绪论 1

1.1目的及意义 1

1.2国内、外的研究现状 1

1.2.1国外现状 2

1.2.2国内现状 3

1.3课题研究的主要内容 4

第2章 圆环结构及测力原理 6

2.1圆环的测力方法 6

2.1.1圆环式弹性转换体应变传递规律 6

2.1.2不同作用力情况下圆环应变传递规律 7

2.1.2.1 在径向力作用下的圆环应变传递规律 7

2.1.2.2 在切向力作用下的圆环应变传递规律 10

2.2圆环式复合传感结构的尺寸设计和设计依据 11

2.2.1圆环式复合传感结构的刚度 11

2.2.2圆环式复合传感结构的强度 12

2.3圆环结构设计 13

2.4本章小结 16

第3章 圆环结构受力的仿真分析 17

3.1径向力作用下的圆环受力仿真 17

3.2切向力作用下的圆环受力仿真 19

3.3轴向力作用下的圆环受力仿真 21

3.4本章小结 22

第4章 圆环式复合传感结构性能测试 23

4.1 试验装置 23

4.1.1光纤解调仪 23

4.1.2加载装置 24

4.2实验过程 25

4.3实验结果 25

4.4本章小结 27

结论 28

参考文献 29

致 谢 30

第1章 绪论

1.1目的及意义

机械制造业是我国经济腾飞发展的支柱产业之一，在国民经济中占有重要地位，而机械制造行业的高速发展必须以先进的制造技术为依托。大力发展加工过程中的刀具系统的智能监测技术能够有效的防止工件产品的报废率的升高及机床设备的损坏，成为了全自动现代化生产的关键因素之一。对于切削力的现阶段研究，对进一步理清切削机理，对计算功率消耗，对刀具、机床、夹具的设计，对制定合理的切削用量和工艺，优化刀具几何参数等都具有至关重要的意义。在切削过程中，切削力直接影响切削热、刀具磨损与耐用度、加工精度和已加工表面质量等方面。在生产制造过程中，切削力又是计算切削功率，设计机床、刀具、夹具以及监控切削过程和刀具工作状态的重要依据。研究切削力的各种规律，对于分析切削工作过程程和指导现实生产都有重要意义。且切削过程本身的复杂性以及实际切削的不确定性，使用通用的切削理论难以测得精确的切削力。所以用切削力作为直接测量对象来研究整个切削过程，不仅有助于研究完善基础切削理论，并且以此建立的切削力动态数据系统可以再现切削过程，反映刀具状况、机床故障、夹具缺陷等切削状态以便及时的控制切削参数，优化切削过程。

同时现代工业中切削加工向着高精度、高速、全自动化方向发展，对切削过程的监控技术也提出了越来越高的要求，而绝大多数所谓的自动化机械加工设备与高性能制造系统并不具备加工过程的监控功能，但是在现代生产制造中对于加工的精度的要求越来越高，在进行测量时任何一点干扰会对测量结果产生很大的影响，导致测量精度不够甚至产生很大的误差。由于加工过程的复杂性，很难直接测量，需要使用传感器将力转化为其他的物理量来方便测量。受刀具工作条件限制，不可能在刀具上面布置传感器，因此需要弹性元件将刀具受到的力转化到弹性体上，再在弹性体上布置传感器方便测量切削力。