三向壓電鉆削測力儀的設(shè)計(jì)及扭矩加載器的研制.pdf

1、鉆削測力儀是研究鉆削過程最基本的儀器和手段，通過測得鉆削力的變化，人們能快速的識別故障，提高加工過程的可靠性和生產(chǎn)效率。因此鉆削測力儀是現(xiàn)代自動(dòng)化加工過程中實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控、自適應(yīng)控制和最優(yōu)控制必不可少的環(huán)節(jié)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對鉆削測力儀的功能和性能指標(biāo)也提出更新更高的要求。 本文在國家自然科學(xué)基金(50475152)的資助下，從工程實(shí)際出發(fā)，在運(yùn)用了晶體物理學(xué)、電介質(zhì)物理學(xué)、壓電學(xué)、各向異性材料力學(xué)、電磁學(xué)等交叉學(xué)科的理論

2、成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)其特點(diǎn)與使用要求，對鉆削測力儀結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵尺寸和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析。設(shè)計(jì)制造出利用石英晶片扭轉(zhuǎn)效應(yīng)測扭矩，只采用四片石英晶片就可以同時(shí)測量鉆削過程中的扭矩、軸向力、徑向力的三向壓電鉆削測力儀。其測力范圍為Mz=0～9N.m，F(xiàn)z=0～1500N，F(xiàn)x=0～1000N。經(jīng)過靜態(tài)標(biāo)定、動(dòng)態(tài)標(biāo)定和實(shí)際鉆削測定，其各種指標(biāo)都已達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該三向壓電鉆削測力儀同其他鉆削測力儀相比突出的特點(diǎn)是：它采用了石英晶片的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)測

3、扭矩，可以實(shí)現(xiàn)鉆削過程的無定心測量；測扭矩和徑向力的晶組僅由兩片普通Y00切型的石英晶片組成；其結(jié)構(gòu)簡潔、調(diào)試方便、加工與裝配工藝性好、成本較低。同時(shí)檢測鉆削過程中的三向力，能更全面地反映鉆削過程中鉆削力的分布情況。 文中研制出了扭矩加載器，該加載器基于柔性鉸鏈組成導(dǎo)桿，只需要加載一個(gè)力即會(huì)產(chǎn)生一個(gè)平衡對稱的純扭轉(zhuǎn)，具有結(jié)構(gòu)簡單，制作方便的優(yōu)點(diǎn)。柔性鉸的尺寸參數(shù)和位置參數(shù)是該裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其參數(shù)的大小可通過有限元分析軟件ANS

4、YS進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析，確定其加載產(chǎn)生扭矩的范圍為M=0～16.375N.m，加載器精度和轉(zhuǎn)換率高，線性度和重復(fù)性好。討論了壓電效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理，并探討了在機(jī)械扭矩載荷作用下正方形內(nèi)帶圓孔的壓電晶片內(nèi)部由彈性各向異性引起的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)合各向異性扭轉(zhuǎn)理論和各向異性麥克斯韋電磁理論，得出了Y00切型的方形內(nèi)帶圓孔石英晶片扭轉(zhuǎn)應(yīng)力場和非線性極化體電荷與面電荷的密度分布規(guī)律，并采用有限元軟件ANSYS模擬了應(yīng)力場和極化電場在壓電石