高长银[1]2004年在《压电石英晶片扭转效应研究及新型扭矩传感器的研制》文中指出自从1880年发现压电效应以来,压电效应研究便一直是压电学科基础理论和智能材料的核心课题。当前,由于科技发展和工程实际需要,压电效应的研究已经由单纯基于应力的纵向效应、横向效应、剪切效应等二维效应发展到基于晶体变形的拉伸、压缩、弯曲、扭转的叁维复合效应,但尚未完善建立起基于变形的压电效应理论体系。本文在高校博士学科点基金(98014106)和国家自然科学基金(60374043)的资助下,运用压电学、晶体物理学、电介质物理学、各向异性弹性理论以及各向异性电磁理论等交叉学科的理论成果,对叁维复合效应中的压电石英晶片扭转效应进行了深入系统的研究,从而首次给出了一套完整的压电晶体扭转效应的研究方法;并在该理论研究的基础上成功研制出一种新型扭矩传感器。 首先,探讨了在机械扭矩载荷作用下压电晶体内部由弹性各向异性引起的复杂应力状态,结合各向异性扭转理论和各向异性麦克斯韦电磁理论,得出了YO切型石英晶片扭转应力场和非线性极化体电荷与面电荷密度分布规律,并采用有限元法模拟了极化电场在压电片内的分布。结果发现在晶片机械轴垂直表面上扭转极化电荷密度分布是非均匀的,而是以电轴为分界线成反对称分布。所以为了合理布置电极以有效检测晶片的扭转效应,必须采用分割电极法,而不是通常所用的单电极法:采用电荷法,而不是常用的电压法来进行电极间连线。理论与实验结果均表明压电石英晶片确实存在扭转效应,且外扭矩与所产生的电量之间是确定的线性关系。 其次,在压电石英晶片扭转效应研究的基础上,采用有限元法对基于石英晶片扭转效应的新型扭矩传感器结构中的关键尺寸进行了分析计算,研制成功一种全新具有自主知识产权的压电扭矩传感器。该新型扭矩传感器同其他压电扭矩传感器相比突出特点:它采用了石英晶片的扭转效应,而不是剪切效应。整个扭矩晶组仅用叁片普通YO切型的石英晶片组成,晶组组成方式能够消除径向力与轴向力的向间干扰,而且又能提高传感器的灵敏度。标定结果表明该传感器具有良好的线性静态特性,固有频率高于12kHz。传感器的技术指标全面达到CIRP-STCC规定的测力仪标准,该研究成果已经申请中国国家发明专利。 最后,采用叁因素(钻头直径d,进给量f,钻床的转速n)正交试验法对钻削中的扭矩进行实测。通过方差分析指出影响扭矩的主次顺序为d>f>m,并根据多元线性回归建立了钻削45钢的扭矩经验公式,从而验证了该扭矩传感器完全可以用于实际测量。
韩丽丽[2]2006年在《叁向压电钻削测力仪的设计及扭矩加载器的研制》文中指出钻削测力仪是研究钻削过程最基本的仪器和手段，通过测得钻削力的变化，人们能快速的识别故障，提高加工过程的可靠性和生产效率。因此钻削测力仪是现代自动化加工过程中实现状态监控、自适应控制和最优控制必不可少的环节。随着科学技术的发展，人们对钻削测力仪的功能和性能指标也提出更新更高的要求。 本文在国家自然科学基金(50475152)的资助下，从工程实际出发，在运用了晶体物理学、电介质物理学、压电学、各向异性材料力学、电磁学等交叉学科的理论成果的基础上，根据其特点与使用要求，对钻削测力仪结构中的关键尺寸和动态特性进行了设计和分析。设计制造出利用石英晶片扭转效应测扭矩，只采用四片石英晶片就可以同时测量钻削过程中的扭矩、轴向力、径向力的叁向压电钻削测力仪。其测力范围为M_Z=0～9N．m，F_z=0～1500N，F_x=0～1000N。经过静态标定、动态标定和实际钻削测定，其各种指标都已达到设计要求。该叁向压电钻削测力仪同其他钻削测力仪相比突出的特点是：它采用了石英晶片的扭转效应测扭矩，可以实现钻削过程的无定心测量；测扭矩和径向力的晶组仅由两片普通YO~0切型的石英晶片组成；其结构简洁、调试方便、加工与装配工艺性好、成本较低。同时检测钻削过程中的叁向力，能更全面地反映钻削过程中钻削力的分布情况。 研制出了扭矩加载器，该加载器基于柔性铰链组成导杆，只需要加载一个力即会产生一个平衡对称的纯扭转，具有结构简单，制作方便的优点。柔性铰的尺寸参数和位置参数是该装置设计的关键，其参数的大小可通过有限元分析软件ANSYS进行结构优化得到。经过实验分析，确定其加载产生扭矩的范围为M=0～16.375N．m，加载器精度和转换率高，线性度和重复性好。 本论文还论述了压电效应的产生机理，并探讨了在机械扭矩载荷作用下正方形内带圆孔的压电晶片内部由弹性各向异性引起的复杂应力状态，结合各向异性扭转理论和各向异性麦克斯韦电磁理论，得出了YO~0切型的方形内带圆孔石英晶片扭转应力场和非线性极化体电荷与面电荷的密度分布规律，并采用有限元软件ANSYS模拟了应力场和极化电场在压电石英晶片内的分布。结果表明在晶片表面上扭转极化电荷密度分布是以电轴为分界线成对称分布，电荷正负相反，外扭矩与极化产生的电荷量之间是确定的线性关系。
高长银, 刘江[3]2011年在《压电石英晶片扭转电荷灵敏度分布规律的研究》文中研究指明为提高压电扭矩传感器的检测精度,应用张量坐标变换原理对石英晶片扭转电荷灵敏度分布规律进行了研究。首先根据各向异性材料力学和电磁理论阐述了石英晶片在扭矩作用下的扭转应力和极化电荷,从而得到电极检测的电荷量仅与压电系数d34有关;利用张量坐标变换原理求出在新坐标系中的压电系数d34,进而得出扭转电荷灵敏度随电极分割线绕y轴旋转角α呈余弦规律变化。实验结果表明理论分析与实测完全吻合。该研究将为新型扭矩传感器设计中检测电极的粘贴奠定工艺基础。
于虎[4]2007年在《无定心四向压电钻削测力仪的研制及其实验研究》文中研究表明钻削测力仪作为检测钻削过程中各项数据的最基本设备，在实现加工自动化、自适应控制和最优控制的方面发挥着重要的作用。近年来，随着“压电石英扭转效应”原理的发现和应用，钻削测力仪的制作方法和工艺大大简化，使用单个传感器进行多向力测量也成为可能。本文在国家自然科学基金(50475152)的资助下，从工程实际出发，在运用了晶体物理学、电介质物理学、压电学、各向异性弹性理论、电磁学、有限元分析等交叉学科的理论成果的基础上，论述了石英晶片的扭转效应原理，利用有限元分析软件ANSYS对圆形石英晶片的扭转效应进行了模拟。根据四向测力仪的特点和使用要求，对石英晶片的尺寸、壳体的主要尺寸、预紧力和量程等主要参数进行了设计，并利用有限元分析软件ANSYS对测力仪的结构进行分析，设计制造出测力范围为F_z=0～1500N，F_x／F_y=0～600N，M=0～9N·m的四向压电钻削测力仪。经过静、动态标定及切削试验验证，测力仪的各项技术指标全面达到CIRP-STCC规定的动态切削测力仪标准，为钻削测力仪的设计、制造和实验研究提供了依据和指导。该四向压电钻削测力仪同其他钻削测力仪相比突出的特点是：它应用了石英晶片的扭转效应测扭矩，测扭矩和径向力的晶组仅由四片普通Y0°切型的石英晶片组成；其结构简洁、调试方便、加工与装配工艺性好、成本较低；同时检测钻削过程中的四向力，能全面地反映钻削过程中钻削力的分布情况。本测力仪不但适用于实验室使用，而且适用于实际生产的测试与实时监控中。在此基础上，对本测力仪是否可以进行无定心测量进行了研究，针对本测力仪的传感器分布形式提出了无定心数据处理方案，应用Visual Basic语言开发出相应的数据处理程序。
高长银, 吴晓铃, 钱敏[5]2011年在《基于晶体变形的压电石英测试理论研究与应用》文中指出对基于晶体变形的压电效应的研究现状和应用进行阐述和讨论。介绍了压电弯曲、扭转效应理论的研究进展,给出了在弯矩、扭矩作用下的束缚电荷和极化电场的分布规律;在理论研究的基础上,对所研发的新型微雕笔式执行器、扭矩传感器、钻削测力仪进行了介绍。基于晶体变形的压电效应的探索与开发对压电学体系的发展与完善以及工程应用都有重要的实用价值。
齐亚州[6]2017年在《小工作空间压电式六维力传感器研究》文中进行了进一步梳理火箭发射的安全性和经济性与燃料贮箱栅格的精密加工密切相关。传统加工方法难以达到栅格加工精度要求,镜像铣削凭借其效率高、通用性强、精度高等优点,成为解决大型薄壁构件加工问题的有效途径。为保证镜像铣削的加工精度,应准确获取支撑末端所受多维力、力矩信息并灵敏感知支撑力的微小变化,实时调整支撑末端的位置和支撑力的大小,为局部加工区域提供刚度补偿。显然,支撑力信号实时测量是火箭贮箱筒段栅格镜像加工与装备可靠运行的重要保证。此外,支撑末端要求高度集成,力传感器单元被限制在Ф17mm的狭小工作空间内。支撑力信号是由力传感器获取的,因此研制用于小工作空间内多维支撑力测量的传感器,并对其进行精确标定是保证舱壁栅格加工精度的基础。本文以支撑力信号测量为研究对象,针对支持力信号测量空间受限、多维、分辨率低的测试难点,从测试原理、理论推导、结构仿真和实验标定等方面,对支撑力测试的难点进行分析研究,提出相应的解决方案,研制出了在小工作空间内用于六维支撑力测量的高灵敏度压电力传感器。首先基于支撑末端在工作中的受力情况,总结归纳出支撑力信号测试的难点。利用六维力作用下压电晶片的应力分布规律,求出感生电荷量与六维应力之间的对应关系,得到晶组和电极片的组合形式,实现了小工作空间内六维支撑力的测量。之后对压电力传感器晶组、壳体的结构进行设计。确定了小工作空间内力传感器的预紧形式,建立预紧状态下传感器的力学模型,分析力在传感器上的传递过程,得到了在不同量程内预紧部件刚度的许用范围。利用ANSYS Workbench软件对传感器进行仿真建模,分别对传感器进行模态和静力结构分析,结果均满足镜像铣削过程中对支撑力的测量要求。根据测试系统分辨率的影响因素,对信号采集系统中各元器件进行合理选型,完成了力测试系统的搭建。最后对研制的压电力传感器进行标定实验,得到了力传感器的静、动态标定指标。对静态标定指标的影响因素进行分析,重点分析偏载对向间干扰的影响,提出了衡量加载点偏差程度的判别方法。针对机械连接偏载不可避免事实,提出了克服偏载对归一化系数影响的输出比例归一化法,将最大向间干扰降至5%以内。之后,对力传感器进行了分辨率测试实验,实验结果表明,研制的压电式六维力传感器满足支撑力测量的需求。
刘晓玲[7]2005年在《新型压电动态切削测力仪的结构设计与优化分析》文中进行了进一步梳理随着切削加工向着高速、高精度、高度自动化方向发展,对切削过程的监控技术也提出了越来越高的要求,而各种自动化机械加工设备与制造系统绝大多数并不具备加工过程的监控功能。为了使这些高度自动化加工设备充分发挥其优良性能,确保加工质量,提高生产效率,对刀具加工过程进行状态监测与控制就越来越重要。大量的研究结果表明,切削状态的每个微小变化都能通过切削力的变化反映出来,检测切削力是目前国内外研究与应用最多的监测方法之一,但这些方法在使用时或多或少的要改变机床的原有部件,影响机床的系统特性,特别是对高精度数控机床影响更大。针对这一问题,迫切需要设计出一种外型尺寸、使用状态都类似于普通外圆车刀的车削测力仪。 本文采用有限元法对测力仪结构进行应力和刚度分析,并对压电车削测力仪结构中的关键尺寸进行优化,成功研制成一种新型压电车削测力仪。该新型车削测力仪与原有车削测力仪相比的突出优点是:它的外形接近一把普通的外圆车刀,可直接装夹在刀架上,与实际切削状态相同;传感器的灵敏度更高,尤其是主切削力方向可达到7.4pC/N;标定结果表明该传感器具有良好的线性静态特性,固有频率高于5kHz。传感器的技术指标全面达到CIRP-STCC规定的测力仪标准。 最后,采用叁水平叁因素(切削深度a_p,进给量f,主轴转速n)正交试验法对车削中的力进行实测。通过极差分析指出影响力的主次顺序为a_p>f>n,并根据多元线性回归建立了车削45钢的车削经验公式,从而验证了该车削测力传感器完全可以用于实际测量。
刘建红[8]2010年在《压电式深小孔钻削测力仪的研制》文中认为深小孔钻削作为特殊的钻削工艺,由于其钻杆刚性差,排屑难,不易散热等缺点,严重影响了深小孔钻削的质量和效率,制约了包括精密工程、航天工业等相关领域的发展。国内外对车、刨、磨等的研究较多,而对钻削的研究却很少。本文以深小孔钻削力为检测对象,研制了一套压电式测力装置。通过测力仪对钻削力的准确、实时检测,提高了深小孔钻削的自动化程度,从而降低了深小孔加工的废品率,提高了深小孔的生产效率和加工质量；钻削力是深小孔钻削的重要参数,它的检测有助于理解钻削机理,优化刀具参数以及为机床部件的设计提供依据。压电式钻削测力仪以石英晶体的压电效应为基础,它的制作包括内部核心元件-传感器的制作和测力仪整体外壳结构设计两部分。深小孔钻削力属于动态小力,本文参照小力值传感器的设计要求制作传感器,涉及转化机理的选择,灵敏度的设计,晶片尺寸参数的优选,组序排列等内容。选择了两传感器配置的结构型式,确定测力仪的量程范围为Fz=0～600N,Mz=±100N.m.采用Inventor软件应力分析模块对测力仪壳体结构进行优化,以跨距Φ2R和上盖厚度h为优化参数,通过这两个参数的优选使测力仪变形和固有频率最优化。建立测力仪静动态标定系统,对测力仪进行静动态标定,实验结果证明测力仪具有很高的灵敏度和固有频率,线性度、相间干扰等也达到了CIRP-STCC规定的切削测力仪标准。轴向灵敏度一致性实验表明,该测力仪可进行无定心测量。深小孔钻削实验证明,测力仪能实现动态小力值的测量,动态漂移小。
付永乐[9]2012年在《容栅式旋转轴动态扭矩测试系统研究》文中提出旋转部件作为实施动力传动的关键部件，在整个动力机械传动系统中具有重要作用。对旋转部件的转速、扭矩等动态参数进行测量，进而对动力系统输出能量在各传动环节的分配以及功率损耗情况进行有效监测，从而发现问题、解决问题，对动力机械系统安全运行以及性能改进具有重要的意义。对特种车辆传动系统的扭矩测量而言，需要考虑其特殊的外部环境以及运动特性。针对强振动、高冲击、高温、超低温以及测量空间狭小等恶劣环境下的扭矩测量，本文提出了容栅式旋转轴动态扭矩测试系统，为恶劣环境下的旋转轴转速、扭矩测量提供了新的测量手段和方法。本文主要阐述了以下几个方面的内容：首先，对容栅传感技术及相关原理进行研究，在此基础上提出并建立了用于转速、扭矩测量的容栅传感器模型，并对其结构以及工作原理进行详细描述。通过对相关参数之间关系进行数学分析，完成了测量方案的论证工作。其次，依据测量方案，设计了用于旋转轴转速、扭矩测量的容栅测试系统，对传感器以及各电路模块设计进行详细描述，并完成了硬件电路的仿真工作。最后，在模拟试验台上完成了测试系统各模块电路测试以及系统标定工作。
韩丽丽[10]2005年在《无定心钻削测力仪的结构优化设计》文中进行了进一步梳理压电钻削测力仪是研究钻削过程最基本的仪器和手段,也是现代自动化加工过程中实现状态监控、自适应控制和最优控制必不可少的环节。随着科学技术的发展,不但对压电测力仪的各种性能指标有了更高的要求,对压电测力仪的设计制造的方法也提出更新更高的要求。 本文在国家自然科学基金(50475152)的资助下,从工程实际出发,在运用了晶体物理学、电介质物理学、压电学、各向异性弹性理论、电磁学、有限元分析等交叉学科的理论成果的基础上,设计制造出测力范围为M_z=0～200N.m,F_z=5000N的无定心钻削测力仪。经过静态标定、动态标定、无定心测试以及温度效应标定,其各种指标都已达到设计要求,为下一步设计出以压电石英晶体扭转效应为原理的无定心钻削测力仪打下了良好的基础。同时,本文作者运用有限元优化软件ANSYS对根据经验设计出的无定心钻削测力仪进行结构优化,得到其结构参数。为以后结构设计的结构参数的确定提供了新的思路。 本论文还论述了压电效应产生机理,研究、分析了无定心钻削测力仪的数学模型,对模型间的接触分析,传感器的压电分析以及其后的优化分析进行了详细的阐述。无定心钻削测力仪的数学模型的建立,结构的参数优化,丰富了压电测力仪的理论体系,为压电测力仪的设计、制造和实验研究提供了理论依据和指导。 压电无定心钻削测力仪的突出优点是可以测量测力仪工作台面上任意点的扭矩,测时的相对误差也不超过±1%。而且结构简捷、调试方便、加工与装配工艺性好、成本较低,不但适于实验室,而且将适用于实际生产的测试与实时监控中。
参考文献：
[1]. 压电石英晶片扭转效应研究及新型扭矩传感器的研制[D]. 高长银. 大连理工大学. 2004
[2]. 叁向压电钻削测力仪的设计及扭矩加载器的研制[D]. 韩丽丽. 大连理工大学. 2006
[3]. 压电石英晶片扭转电荷灵敏度分布规律的研究[J]. 高长银, 刘江. 压电与声光. 2011
[4]. 无定心四向压电钻削测力仪的研制及其实验研究[D]. 于虎. 大连理工大学. 2007
[5]. 基于晶体变形的压电石英测试理论研究与应用[J]. 高长银, 吴晓铃, 钱敏. 中国机械工程. 2011
[6]. 小工作空间压电式六维力传感器研究[D]. 齐亚州. 大连理工大学. 2017
[7]. 新型压电动态切削测力仪的结构设计与优化分析[D]. 刘晓玲. 大连理工大学. 2005
[8]. 压电式深小孔钻削测力仪的研制[D]. 刘建红. 大连理工大学. 2010
[9]. 容栅式旋转轴动态扭矩测试系统研究[D]. 付永乐. 中北大学. 2012
[10]. 无定心钻削测力仪的结构优化设计[D]. 韩丽丽. 大连理工大学. 2005
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