切削力光纤光栅传感检测新原理和新方法

Cutting force is an important and significant process parameter which describes the material removal process in the cutting processing. The accurate measurement of cutting force is the basis of estimating the machining state, actualizing intelligence and control of machining processing and improving reliability of machining system. This project has proposed a new principle and method of cutting force measurement based on fiber bragg grating sensing and researches the sensing, transform and processing of cutting forces to achieve the long-term monitor of cutting force. The main contents of the project consist of revealing the rules of strain distribution and establishing the model of strain transmission mechanisms through studying on the composite transduction structure and the interface mechanics characteristic, proposing a method of error compensation through studying on light-heat coupling, force-heat coupling and the transfer laws of the measurement error, building the theory of data transmission & combination and method of distributed data processing through studying on sensor network, signal transferring and processing, establishing a cutting force measurement experiment system based on fiber bragg grating sensors and testing its static and dynamic characteristics parameters to validate the accuracy and reliability of error compensation method. The aim of this project is to create a new method of cutting forces measurement based on fiber bragg grating sensors to open up a new direction for the cutting processing state monitor in modern manufacturing system.

切削力是描述机械加工时切屑去除过程的重要参数，其精确测量是判断加工状态、实现加工过程智能化和加工过程控制、提高加工系统可靠性的重要基础。本项目针对切削力难以在实际加工过程中长期在线检测的突出问题，提出切削力光纤光栅传感检测的新原理与新方法，研究切削力感知、转换及信息处理中的科学和技术问题。主要研究内容是：通过对切削力转换复合传感结构及界面力学特性的研究，揭示其应变分布规律，建立切削力-应变传递模型；通过对切削力感知过程中光-热耦合和力-热耦合与测量误差传递规律的研究，提出误差解耦补偿方法；通过对传感网络和数据传输与处理方法的研究，提出切削力数据传输与融合理论及分布式信息的处理方法；建立一套铣削力光纤光栅传感检测实验系统，测试其静动态特性参数，通过加工实验验证其准确性和可靠性。开展本项目研究的目标是创建切削力光纤光栅传感检测新原理和新方法，为加工过程的状态监测开辟一个新的方向。

切削力是描述切削加工过程的重要参数，其精确测量是估计加工状态，实现加工过程智能控制，提高加工精度及加工系统可靠性的重要基础。项目针对切削力难以在实际加工过程中长期在线监测的突出问题，综合利用光纤光栅抗电磁干扰、耐恶劣环境、易实现多点多参分布式测量的优点，提出切削力光纤光栅传感检测的新原理和新方法。.针对切削力测量的特点和加工形式的不同，提出了基于八角环、圆环、Г梁等切削力转换光纤光栅复合传感结构，分析了其应变场分布及耦合规律；针对复合传感结构的界面特征，分析了界面结构对应变传递的影响规律，建立了复合传感结构的切削力-应变传递数学模型；针对复合传感结构受温度影响产生测量误差，研究了复合传感结构的力-热耦合、光-热耦合对应变传递的影响规律，建立了复合传感结构的热误差耦合模型，提出了热误差补偿方法，结果表明能有效消除变温干扰，提高测量精度；针对光纤光栅、保护层、胶体、基体组成的四层感知结构，建立了四层感知结构动应变传递结构动力学模型，分析了动应变传递规律。针对分布式光纤光栅数据传输效率与同步，提出了高速光纤光栅数据传输模型。针对光栅数据处理，研究了同一复合结构上的不同光栅信号的特征规律，提出了基于复合结构特征的光栅失效故障辨识方法。.研制了一套工作台式铣削力光纤光栅传感检测实验装置和一套主轴集成式光纤光栅切削力测量实验装置，分别进行了八角环复合传感结构切削力-应变传递模型、误差模型实验研究，Γ梁复合传感结构切削力-应变传递模型、误差模型的实验研究，实验结果能够很好的吻合理论计算值，验证了所提模型的正确性。进行了系统刚度、固有频率、灵敏度、线性度、重复性等动静态标定实验，性能指标满足设计要求。.项目所形成的切削力光纤光栅检测中的模型和方法，为切削力在线监测提供了新的技术手段，为切削力光纤光栅传感检测系统的应用奠定了理论基础。