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顶尖式压电测力仪的研制

作　者: 王幸
导　师: 张军
学　校: 大连理工大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 回转类零件压电传感器顶尖测力仪整体式组合式
分类号: TH823
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

回转类零件在机械制造中应用范围广,是五金配件的典型零件之一。轴类、套类和盘类等回转零件都是具有外圆表面的典型零件,其中轴类零件,既可用于支承各传动部件、承受载荷,还能够传递转矩和运动。零件是机械制造过程中的基本单元,是组成各种机械设备的基础,各部分零件的机械加工质量、精度直接决定了设备的整体使用性能与使用寿命,反之,机械设备的整体制造精度又制约着零件的加工质量,因此必须对零件的切削加工过程进行实时监控,促进二者共同发展。国内外研制的可用于切削力直接测量的测力仪有很多种,其中,广泛采用的切削力的直接测量方式有压电式和应变式测力平台,刀杆式压电测力仪以及应变式磨削顶尖测力仪等。目前,可用于回转类零件加工过程中切削力测量的压电顶尖测力仪还属于空白。针对这一现状,根据机床回转顶尖的结构,考虑车削和磨削过程中回转类零件加工的通用性,采用以石英晶体的压电效应为测力原理的三向压电传感器,研制了一种可用于回转类零件加工过程中切削力测量的压电式顶尖测力仪,它同时适用于普通车床和外圆磨床。根据实际车削与磨削过程中工件的受力状况,分别建立了车削与磨削的力学模型,分析推导了测力仪实际输出与工件受力之间的关系,并用ANSYS有限元软件验证了模型的正确性,为切削力的测量建立了理论分析依据。为了能够在实验室条件下模拟测力仪的安装状态,设计加工了测力仪的静态标定装置。在整体式测力仪的静态标定过程中,发现了其结构上的不足,针对这些不足,设计了组合式顶尖测力仪,并提出了“测力单元”的概念。对测力单元和组合式顶尖测力仪进行静态标定,试验结果证明该组合式测力仪具有很好的静态性能,其灵敏度、线性度、重复性等各项静态指标均达到了测试系统的设计要求,并且改善了整体式顶尖测力仪的结构缺陷,可用于车削和磨削加工回转类零件过程中切削力的测量。考虑到在回转零件的实际加工过程中,机床只能够采用单个顶尖测力仪,因此根据静态标定结果,分别推导了单顶尖工作时车削力与磨削力的拟合计算公式,计算了切削力测量的修正系数,得到了在不同加载位置加载不同力值时测力仪的输出公式。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-19
  1.1 课题的研究背景  9-10
    1.1.1 回转类零件特点及加工方式  9-10
    1.1.2 课题的研究意义  10
  1.2 回转类零件切削力监测的国内外研究现状  10-18
    1.2.1 车削力的在线监测  11-14
    1.2.2 外圆磨削力的在线监测  14-18
  1.3 本文研究的主要内容  18-19
2 测力系统方案的总体设计  19-32
  2.1 测力仪的方案设计  19-24
    2.1.1 机床回转顶尖结构  19-20
    2.1.2 测力仪方案讨论  20-22
    2.1.3 压电传感器结构  22-24
  2.2 顶尖式压电测力仪的切削力测量原理  24-29
    2.2.1 磨削力测量原理  24-27
    2.2.2 车削力测量原理  27-29
  2.3 测力仪的ANSYS有限元分析  29-31
  2.4 本章小结  31-32
3 整体式测力仪的实验研究  32-45
  3.1 测力仪结构的设计  32
  3.2 测力仪的预紧  32-35
    3.2.1 测力仪的预载方案  32-33
    3.2.2 测力仪的预载计算  33-35
  3.3 测力仪的静态性能指标  35-37
  3.4 切削力的静态标定系统  37-40
    3.4.1 测力仪标定加载平台  37-38
    3.4.2 测力仪标定装置  38-40
    3.4.3 标定系统附件  40
  3.5 测力仪的静态标定实验  40-44
  3.6 整体式测力仪的性能分析  44
  3.7 本章小结  44-45
4 组合式测力仪的实验研究  45-61
  4.1 组合式测力仪的结构设计  45-46
  4.2 测力单元的标定  46-49
  4.3 组合式测力仪磨削力的静态标定  49-56
    4.3.1 顶尖夹持力因子  50-51
    4.3.2 长度因子-短工件加载  51-54
    4.3.3 长度因子-长工件加载  54-56
  4.4 组合式测力仪车削力的静态标定  56-60
  4.5 本章小结  60-61
5 切削力的拟合计算公式  61-69
  5.1 磨削力的拟合计算公式推导  61-65
    5.1.1 径向力F_x计算公式  62-64
    5.1.2 径向力F_y计算公式  64-65
  5.2 车削力的拟合计算公式推导  65-68
    5.2.1 径向力F_x计算公式  66-67
    5.2.2 径向力F_y计算公式  67
    5.2.3 轴向力F_z计算公式  67-68
  5.3 本章小结  68-69
结论  69-70
参考文献  70-72
附录A 附录内容名称  72-73
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  73-74
致谢  74-75

顶尖式压电测力仪的研制

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