摘 要

随着现代机械加工中心的智能化和自动化程度的提升，我们需要实时的监测加工过程中各个参数的变化，其中切削力与其他加工参数密切相关，而且可以反映工件的加工质量，因此我们需要对切削力进行实时监测。在众多切削力测量系统中，以八角环作为弹性体的测力系统因为八角环的低成本、安装方便、灵敏度较高被广泛使用。

本文首先介绍了国内外的各种切削力测量方法的研究现状,列出了最主要的测量方法，通过比较圆环和八角环的特点，最后选择了八角环作为弹性体；然后就是了光纤光栅的传感原理，最后选定光纤光栅为传感器的材料；然后通过八角环和圆环的联系，利用圆环的理论对八角环进行推导，确定八角环上传感器的粘贴位置，选择合适的八角环尺寸和材料进行校核；然后进行建模，利用仿真软件进行八角环每个方向的受力仿真，再与理论分析作比较；再通过实验得出八角环的应变规律，在与仿真结果和理论分析进行比较，证明该测量系统的测量可行性；最后对本文进行总结。

关键词：八角环，切削力，光纤光栅传感器

Abstract

With the development of the intelligent and automation of modern machining center, we need to monitor the changes of the parameters in real-time, the cutting force is closely related to other processing parameters, and can reflect the processing quality of the products, so we need to monitorcutting force on real-time. In many cutting force measuring system, the measuring system of the elastic body is widely used because of its low cost,convenient installation and high sensitivity.

This paper introduces the research status of all kinds of measuring methods of cutting force at home and abroad, it lists the main measurement method,finally,I choose the octagonalring as elastomer by comparing the octagonal ring and the ring,and then the principle of fiber Bragg grating sensor, finally, the material of the fiber grating is selected as the sensor; Then through the link between the octagonal ring and the ring, the paper uses the theory of circular ring to deduce the ring, and determine the paste position of the sensor on the star ring, I check the appropriate size and material of the octagonal ring; Then, the model is simulated, and the simulation software is used to compare with the theoretical analysis by doing each direction of the stress simulation;Finally, the experimental results show that the strain rule of theoctagonal ring is compared with the simulation results and theoretical analysis, which proves the feasibility of the measurement system,finally,I make the summarizes for the article.

Keywords: octagonal ring, cutting force , fiber grating sensor

目录

第1章 绪论 1

1.1课题的研究目的和意义 1

1.2切削力测量仪的国内外研究现状 2

1.3光纤光栅的国内外研究现状 3

1.4课题主要内容 4

第2章八角环复合传感结构切削力测量原理 5

2.1光纤光栅传感原理 5

2.2八角环受力理论分析 7

2.3不同尺寸的八角环性能分析 14

2.4八角环复合结构设计 14

2.5 本章小结 16

第3章八角环测力仪的仿真分析 18

3.1八角环水平方向受力的仿真分析 19

3.1.1 小八角环 19

3.1.2大八角环 20

3.2 八角环竖直方向受力的仿真分析 21

3.2.1 小八角环 21

3.2.2大八角环 22

3.3八角环轴向方向受力的仿真分析 23

3.3.1小八角环 23

3.3.2大八角环 24

3.4本章小结 25

第4章八角环测力仪的实验研究 26

4.1实验装置 26

4.2 实验方法 28

4.3 实验结果 30

4.4本章小结 31

总结 32

参考文献 33

致谢 34

第1章 绪论

1.1课题研究的目的与意义

在现代机械制造过程中，切削加工是占比重最大的机械加工方法。在切削加工过程中，影响切削质量的因素较多，其中主要因素有刀具的状态和性能、工件的特性和加工性等。其中刀具切削状态对加工质量的影响较大，对切削加工过程中刀具的状态的研究一直是广大学者广泛关注的领域。切削力作为一个重要的检测参数直接反映了切削加工中刀具的切削状态，能实时准确地获得切削过程中的切削力变化，对改进切削方式、提高切削质量具有重要意义。如何能准确有效地获取切削力信号一直以来都是国内外机械加工与研究领域相关人员的重点研究课题。在切削加工过程中，以往有很多研究人员通过大量的切削实验来获取切削数据，通过这些切削数据来研究切削过程中各个切削参数的规律，并建立了一些切削参数的数据库。选择切削参数对提高生产效率、降低生产成本具有重要的意义，因此选择合理的切削参数成为机械加工领域主要的技术问题之一。但是实际条件下，影响切削加工的因素众多，不同环境下微小因素的差别都会导致切削数据的不同。而随着加工技术的进步和材料学的不断发展，新兴的加工工艺如高速切削、微细切削等不断出现，新型机床性能不断提高，刀具材料和刀具参数较以前有了很大改进，使得以往建立的切削参数数据库不再适用，只能作为一个研究切削过程的参考。因此，改进切削状态监测手段、获取实时准确的切削数据，从而重新建立切削参数的数据库势在必行。切削过程中刀具状态细微的变化都可以根据切削力的变化来表征，切削力是切削过程中产生的最直接的变量，一直是反映切削过程的最好的参数。它综合反映了刀具状态、零件材料和切削参数，对切削热的产生、刀具的磨损、工件表面质量、尺寸精度都有直接影响。

目前可用来表示实时刀具工作状态的检测量很多，但最直接、最能反映刀具状态的就是切削力的监测，切削力的大小能实时反映刀具状态的好坏，且不易受到其他因素的干扰，可以较为准确诊断切削过程中刀具的磨损和断裂状态，并且及时的选择合理的切削参数，预防因刀具磨损带来的损失。因此，切削力的精确测量是机加工过程中监测刀具的重要保障。由于加工方法朝着精密化和高速化的方向发展，使得刀具的监测技术必须要不断的改进来适应新的加工方法。加工的精度越来越高，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。在加工过程中由于加工的复杂性，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。