光纤传感器用于切削颤振监测的关键技术研究

切削颤振也称自激振动，它是切削过程中工件和刀具之间自发产生的振荡，它严重影响机床加工性能，降低产品质量和生产效率以及刀具和机床使用寿命。颤振具有非线性、时变性和不确定性等特点，难以进行精确的测量和识别。光纤传感器集传感和传输于一体，且抗电磁干扰，抗腐蚀，为颤振监测提供新的手段。.本项目拟通过理论分析与有限元仿真、综合试验研究的方法，以切削加工中颤振的实时可靠监测为目标，探讨基于光纤传感器的切削颤振检测模式，研究光纤传感器与被测对象材质的相容性、布设模式以及应变传递特性，推导光纤传感器测量值与结构动力学响应的映射关系；研究相应的光纤传感器测量信号处理和特征量提取方法；重点研究由光纤传感器测量信号辨识结构应变模态参数的原理和方法，进而提出基于光纤传感器的切削颤振监测原理和方法。由于切削加工常处在电磁、冷却液等干扰，对设备工作状态监控不易。项目研究工程背景明确、具有创新性和重要的现实意义。

深孔镗削颤振，不仅恶化加工表面质量，甚至出现刀具崩刃、折断等事故，而在线监测的难度导致刀具工况信息的缺失，难以适应智能制造的要求。本研究针对镗削颤振识别问题，采用新型传感器，研究了颤振特征信号的提取和表征，以及光纤传感器与被监测对象材质间的相容性等关键问题。主要内容包括：.（1）推导了求解镗杆应变模态的解析法，揭示了镗杆在工作状态下的应变分布；根据模态叠加原理，结合工作变形分析（ODS-Operation Deflection Shape）和瑞利-里兹法，推导了镗杆工作状态下的应变分布函数。.（2）分析了影响镗杆动力学性能的主要因素及其影响，采用拓扑优化与力学行为分析相结合的方法，研究了加工条件对减振镗杆结构及其参数的影响。选取某商业阻尼镗杆，与形状优化得到的减振镗杆进行比较试验，证实了提出的针对某些特定镗削加工参数，可设计对应参数下的减振镗杆的方法的有效性。.（3）引入光纤Bragg光栅（FBG-Fiber Bragg Gratting）传感技术研究镗杆颤振的在线监测问题；推导了FBG应变传感监测效率的数学模型，建立了基底刻槽封装的光纤光栅传感器应变传递力学简化模型，得出相应的平均应变传递率公式，以及基底的长、宽、厚和材料弹性模量对FBG传感器平均应变传递率的影响，在有效范围内，其平均应变传递率随着基底长度的增加而增加，随着基底的宽、厚和材料弹性模量的增加而减小，为FBG刻槽封装提供定量指导。对提出的ASE+CWDM的FBG传感解调方法，通过悬臂梁实验验证了其可行性。.（4）搭建了基于FBG的镗杆状态监测系统，对测得的时域信号，进行了EMD分解、各阶IMF分量的方差贡献率分析、HHT谱图、HHT边际谱和HHT时频分析。得出如下结论：①颤振孕育期，某一阶IMF分量的方差贡献率明显增长至其它最大IMF分量数倍以上；②发展阶段，信号频率向镗杆各阶模态频率集聚，形成多条频带；边际谱的频率值在第一阶模态频率附近很大且频带较窄，频率值呈单调增长的趋势，在其它阶模态频率附近较宽且频率值很小；③颤振爆发，模态频率从低阶模态向高阶模态发展，最后所有的高频迅速消失主要能量集中在一阶模态频率附近。这种采用HHT时频谱来表征镗削颤振信号特征的方法，将不同学者认为镗削颤振信号从高频向低频发展的情形，和从低频向高频发展的情形在理论进行了统一。