基于fbg的切削力测量装置设计与分析

《基于fbg的切削力测量装置设计与分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、第34卷第2期武汉理工大学学报(信息与管理工程版)Vol．34No．22012年4月JOURNALOFWUT(INFORMATION＆MANAGEMENTENGINEERING)Apr．2012文章编号:1007－144X(2012)02－0171－04文献标志码:A基于FBG的切削力测量装置设计与分析刘明尧，陶小亮，周祖德，谭跃刚(武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉430070)摘要:在分析光纤光栅(FBG)应变传感器原理的基础上，结合切削力测量特点，提出将FBG应用于切削力测量，设计了八角环结构的切削测力装置并对结构进行受力分析。利用FBG传感器测量八角环弹性体应变，构建了切削力

2、测量系统，并进行了不同切削用量切削试验。实验结果表明，所提出的基于FBG的切削力测量方法可行，结构可靠。关键词:FBG;八角环;切削力中图分类号:TG501．3DOI:10．3963/j．issn．1007－144X．2012．02．011随着工业自动化和现代制造业的迅速发展，1FBG应变测量原理数控机床、加工中心已经成为现代制造技术的主流。为了保障这些高投资自动化加工设备的安全光纤Bragg光栅的谐振λB是Bragg光栅的背运行和加工质量，迫切需要新型、实用、可靠的监反射中心波长，它依赖于纤芯的有效折射率neff和控系统，以监测加工系统的动态切削过程。切削光栅周期Λ，其表达式为:力

3、是表征切削过程的最重要的特征，检测切削力λB=2neffΛ(1)成为国内外主要采用的监测方法之一。式中，有效折射率和光栅平面的周期受应力、［1－3］［4－5］YALDIZ和KARABAY研制了基于应变片应变及温度变化的影响。一般作为传感器的［6］测量的测力仪。孙宝元研制出压电刀杆式切FBG波长可视为外加应力和温度(σ，T)的光栅波［7］［8］削测力仪。ALBRECHT和KIM使用位移传感长移位，可表示为相对于光栅初始参考状态(σ0，器检测主轴受力位移变化，并搭建了铣削力检测T)的变化［10］:0系统。然而应变片在测量切削力时粘贴复杂且处ΔλB=λB(σ，T)－λB(σ0，T0)(2)

4、理电路多，受加工环境的影响大;压电材料受温度将式(1)作Taylor展开并取一级近似，则及湿度影响大，测量信号易受电磁场等信号干扰，FBG的中心波长偏移与应力和温度变化关系为:［9］使用维护极不方便。刘兆妍等提出利用FBGλBλBΔλB=[]Δσ+[]ΔT(3)检测切削力，但使用光电转换器将FBG波长信号σTTσ转换为电信号进行解调，测量系统复杂且偏离了引入光纤杨氏模量YF，热膨胀系数αΛ，热光FBG波长绝对量编码解调的优势区间，信号易受系数αn和有效－光弹系数Pε，则波长移位表达电磁干扰。FBG是一种新型的光测传感器，具有式为:体积小、对电绝缘、抗电磁干扰、精度高、可靠性高

5、ΔλB=λB［(1－Pε)Δε+(αΛ+αn)ΔT］(4)的特点，环境适应性好，且可在单根光纤上布置多测量过程如果在室温环境中进行，且环境温个针对不同参数的测量光栅形成分布式传感器。度稳定，则波长变化只与应变成正比。石英光纤因此笔者提出了基于FBG传感测量原理的切削光弹系数Pε为0．22，则式(4)可变为:力测量方法，采用波长解调原理，设计测力仪结ΔλB=0．78×λB×Δε(5)构，搭建测量系统，实现切削力的精确测量。通过实验测得光栅波长变化值，利用式(5)收稿日期:2011－10－18．作者简介:刘明尧(1963－)，男，湖北仙桃人，武汉理工大学机电工程学院教授;博士．基金项目:

6、国家重点科研基金资助项目(50935005)．172武汉理工大学学报(信息与管理工程版)2012年4月可得到相应测点应变的大小。2切削力转换弹性体设计2．1圆环受力理论分析若FBG传感器直接粘贴在刀杆上，刀具切削时热量传播会导致刀杆温度升高，因此需要考虑FBG温度与应力解耦问题。笔者提出将FBG粘贴在设计的八角环传感体上检测应变量，可以避图2八角环设计尺寸免切削热对测量点FBG波长变化的影响，同时为1133切削力分量的测量奠定基础。E=2．1×10，密度ρ=7．8×10kg/m，泊松比八角环的设计是由圆环受力时存在应变节点μ=0．3。40CrNiMoA材料弹性模量的温度系数的思想产生

7、的，圆环受力及变形如图1所示。小，线性膨胀系数小，加工方便，加工后残余应力小。由Ft和Fc产生的弹性应变εt和εc为:1．09Ftr－4εt=2=4．982×10(6)Ebt2．18Fcr－4εc=2=9．966×10(7)Ebt背向力及主切削力在八角环上产生的应力为:2σt=Eεt=104．6N/mm(8)图1圆环受力及变形图2σc=Eεc=209．3N/mm(9)当圆环顶端受到背向力F作用时，由摩尔积2t40CrNiMoA材料屈服极限为550N/mm，