摘 要

当今社会，切削生产加工已经成为一种非常普遍的机械加工制造的生产方式，在生产过程中。工作中的切削力的变化可以准确呈现自动化切削生产时刀具的运动状态。由此可见，怎样才能实现精准地测量实时切削力的大小已经成为一个愈发关键的研究课题了。

本文首先完整叙述了切削力测量技术的研究目的和意义，总结了有关切削力测量的国内外研究现状，分析计算了圆环结构件在径向力和切向力两种力单独作用下的变形规律和直径变化规律，简要叙述了光纤光栅能够实现感知和测量的原理所在，并基于圆环直径变化规律和光纤光栅传感器，设计了一个基于圆环复合结构的切削力测量装置。根据测力装置的要求，确定了圆环复合传感结构的尺寸参数和材料参数。之后对圆环结构件进行了仿真分析，分析了加载力的大小、圆环环壁的厚度值、圆环平均直径的大小对圆环结构件形状变化的影响。然后设计了一个实验方案，对单个圆环进行了径向力和切向力的加载实验，研究圆环在加载力变化时，直径的变化规律。最后对本文的研究内容进行了深刻总结，并且提出了今后继续深入研究的方向。

关键词：切削力测量；圆环结构件；光纤光栅传感器；仿真分析；加载实验

Abstract

In today's society, cutting production and processing has become a very common form of mechanical manufacturing in the production process. The change in the cutting force at work can accurately show the movement state of the tool during automatic cutting production. It can be seen, how to achieve accurate measurement of the size of real-time cutting force has become an increasingly critical research topic.

This paper first describes the purpose and significance of cutting force measurement technology, summarizes the current research situation of cutting force measurement at home and abroad, and analyzes and calculates the deformation of ring structure under the action of two forces of radial force and tangential force The rule of law and diameter change is briefly described. The principle of sensing and measuring can be described briefly. Based on the law of ring diameter and fiber grating sensor, a cutting force measuring device based on ring composite structure is designed. According to the requirements of the force measuring device, the size parameters and material parameters of the ring composite sensing structure are determined. Then, the influence of the size of the loading force, the thickness value of the annular wall and the size of the average diameter of the ring on the shape change of the ring structure are analyzed. Then, an experimental scheme is designed, and the radial force and tangential force loading experiment of a single ring are studied to study the change rule of the diameter of the ring when the loading force changes. At last, the author summarizes the research contents of this paper, and puts forward the direction of further research in the future.

Key Words：Cutting force measurement;；ring structure;；fiber grating sensor；simulation analysis；loading experiment

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 切削力测量研究的目的与意义 1

1.2 切削力测量技术的研究现状 2

1.3 论文主要研究内容 6

第2章 圆环结构件的直径变化规律 8

2.1 圆环结构件的变形规律 8

2.2 圆环在径向力作用下的直径变化规律 9

2.2.1 圆环受径向力时C、D两点之间的位移 9

2.2.2 圆环受径向力时E、F两点之间的位移 10

2.2.3 圆环受径向力时G、H两点之间的位移 10

2.3 圆环在切向力作用下的直径变化规律 11

2.3.1 圆环受切向力时C、D两点之间的位移 11

2.3.2 圆环受切向力时E、F两点之间的位移 12

2.3.3 圆环受切向力时G、H两点之间的位移 12

2.4 本章小结 13

第3章 切削力测量系统的原理和设计 14

3.1 光纤光栅的传感原理 14

3.1.1 光纤光栅的感知原理 14

3.1.2 光纤光栅的分布式传感原理 15

3.2 测力系统的结构设计 16

3.2.1 圆环式弹性转换体的结构设计 16

3.2.2 圆环式弹性转换体的尺寸设计 17

3.2.3 测力系统的的整体设计 19

3.3 测力系统的传感器布置 20

3.4 本章小结 21

第4章 测力系统的仿真与分析 22

4.1 ANSYS的功能特点分析 22

4.2 加载力不同时的仿真分析 23

4.2.1 圆环受径向力时的仿真分析 23

4.2.2 圆环受切向力时的仿真分析 26

4.3 圆环厚度不同时的仿真分析 28

4.3.1 圆环受径向力时的仿真分析 28

4.3.2 圆环受切向力时的仿真分析 29

4.4 圆环直径不同时的仿真分析 31

4.4.1 圆环受径向力时的仿真分析 31

4.4.2 圆环受切向力时的仿真分析 32

4.5 本章小结 33

第5章 测力系统的实验分析 34

5.1 实验方案设计与实验操作 34

5.2 实验数据记录与分析 35

5.2.1 圆环受径向力时的实验分析 35

5.2.2 圆环受切向力时的实验分析 37

5.3 本章小结 40

第6章 总结与展望 41

6.1 总结 41

6.2 展望 41

参考文献 42

致 谢 44

第1章 绪论

1.1 切削力测量研究的目的与意义