一种圆环式光纤光栅测力装置及其应用的制作方法

一种圆环式光纤光栅测力装置及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明圆环式光纤光栅测力装置是由圆环式弹性变形体(4)、光纤光栅传感器(5)和微调装置组成，其中：所述的圆环式弹性变形体，其圆环上、下两端通过螺钉分别固定在上安装板、下安装板上，该圆环设有多个螺纹孔、多个键槽和多个通孔，每个螺纹孔内安装一个微调装置，每个键槽用于安装微调装置中卡环上的键，每个通孔用于安装光纤。本发明用于数控机床加工过程中切削力、铣削力等测量，解决了原有弹性体转换体灵敏度不高及测量精度受制于传感器粘贴工艺等影响的技术问题，本发明可大幅度提高了弹性变形体灵敏度和测量精度。
【专利说明】一种圆环式光纤光栅测力装置及其应用

【技术领域】
[0001] 本发明涉及数控机床状态监测【技术领域】，特别是涉及一种圆环式光纤光栅测力装 置及其应用，利用圆环式光纤光栅测力装置可以实现对机床加工过程切削力、铣削力等的 在线实时监测。

【背景技术】
[0002] 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。为了能够获得 准确的切削力的值，许多学者进行了长期的研究，并构建多种切削力、铣削力等测量系统。 现有切削力、铣削力等测量系统通常是利用敏感元件将切削力转换成弹性体的应变，然后 利用传感元器件检测敏感元件的应变。
[0003] 在机床切削力、铣削力等的直接监测中应用最为广泛的弹性变形体为八角环等。 用于力测量的八角环与传感器（如光纤光栅传感器、电阻应变片等）和上、下安装板组成应 变式测力仪并安装于机床工作台上，其测力原理是：八角环受力后其表面会发生弹性变形， 而粘贴于其表面应变节点处（在坚直或水平方向力作用下应变最大，而在水平或坚直方向 力作用下应变为零的点）的传感器可以检测到八角环的表面在力的作用下产生的应变，然 后对测的信号进行后处理可以计算出机床加工过程中刀具对工件施加的力的大小和方向。
[0004] 八角环的特点是结构简单、刚度及灵敏度较高，但因刚度和灵敏度等不能满足高 端数控机床的要求而亟待提高；用于测量应变的传感器需要采用粘结剂粘贴于八角环表面 的应变节点处，且传感器的粘贴均采用手工粘贴，由于传感器粘贴工艺的影响而使传感器 与八角环表面之间存在胶接层，且胶接层厚度不均匀，胶接层与裸光纤的弹性模量一般相 差很大，弹性体元件之间的弹性模量也不完全一致，致使光纤所测的应变与被测结构的真 实应变存在差异，这对整体系统测量精度有较大影响；受限于传感器采用手工粘贴的可重 复性差，多个测量点粘贴效果存在差异，难以分辨测得数据的可靠性；因传感器本身的结构 及其在八角环上的实际粘贴位置不完全是应变节点等的影响，这使光纤光栅感受到的平均 应变不等于应变节点处的应变，这给后期信号处理带来一定困难；光纤光栅经封装制成应 变传感器后粘贴于八角环应变节点处，应变节点处的轴向应变通过粘贴和封装材料传递到 光纤上，这使应变从应变节点传递到光纤光栅的过程中发生应变损耗，受限于光纤光栅封 装后测量的不准确，试验过程中常直接采用裸光纤粘贴于八角环表面，但裸光纤非常纤细、 脆弱，难以在恶劣环境下存活，这使以八角环构建的测量系统难以用于实际加工过程中的 长期在线监测。
[0005] 鉴于上述，目前应用八角环所研制的数控机床切削力、铣削力等测量系统因可靠 性及稳定性等的问题而难以在实际加工过程中实现长期在线监测；测量系统中各项参数易 受实际复杂测量环境的影响，只是适用于实验室环境静动态研究，尚不能用于机床实际加 工过程切削力、铣削力等的长期在线监测。因此，为了准确、实时、精确对数控机床加工过程 中切削力、铣削力等监测，亟需提高弹性变形体的灵敏度及解决光纤光栅传感器因粘贴工 艺导致的测量精度受到严重影响等问题，这对判断机床加工状态、实现加工过程智能化和 提1?加工精度等具有重要意义。


【发明内容】

[0006] 本发明所解决的技术问题是：为了克服现有技术的不足，提供一种利用圆环式光 纤光栅测力装置进行测力的方法，该方法可以解决传感器粘贴工艺导致应变传递损耗、传 感器粘贴测量点不准确、多测量点测量效果不一致等的问题，以及提高测量的灵敏度和精 度。
[0007] 本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
[0008] 本发明提供的圆环式光纤光栅测力装置，是由圆环式弹性变形体、光纤光栅传感 器和微调装置组成，其中：所述的圆环式弹性变形体，其圆环上、下两端通过螺钉分别固定 在上安装板、下安装板上，该圆环设有多个螺纹孔、多个键槽和多个通孔，每个螺纹孔内安 装一个微调装置，每个键槽用于安装微调装置中卡环上的键，每个通孔用于安装光纤。
[0009] 所述的微调装置由滑块、微调螺母和卡环组成，其中：微调螺母上的细牙螺纹与圆 环上的螺纹孔相连；卡环上的键与圆环上的键槽相互配合。
[0010] 所述的滑块先后穿过微调螺母的微调螺母内孔和卡环的卡环内孔，并使滑块的凸 台与微调螺母的沉孔配合以使微调螺母带动滑块移动，滑块与微调螺母内孔之间为间隙配 合；滑块与卡环内孔之间为过盈连接。
[0011] 所述的卡环与滑块之间无相对位移，卡环上的键使卡环与滑块只有沿键槽的直线 位移而无沿轴线的转动位移，可以防止在微调过程中光纤因扭转而损坏。
[0012] 所述的光纤光栅传感器通过光纤粘贴专用胶装固定于圆环上的固定光纤的通孔 内或滑块内直径为1mm的用于固定光纤的通孔内。
[0013] 本发明提供的上述圆环式光纤光栅测力装置，其是在数控机床实际加工过程中的 切削力、铣削力等的在线动态测量中的应用。
[0014] 本发明应用时，是以圆环式光纤光栅测力装置为测力单元的测力仪进行的，包括 以下步骤：
[0015] 1)微调装置的安装：
[0016] 将微调装置安装在圆环的螺纹孔内；
[0017] 2)圆环式弹性变形体的安装：
[0018] 首先，将四个圆环式变形体放到下安装板的正面，然后分别用螺钉先后穿过下安 装板的螺栓孔及圆环式变形体的螺纹孔以将圆环连接并固定到下安装板上，安装过程中应 保证4个圆环两两垂直且使圆环的两个侧面分别与安装板的侧面相互平行或垂直，最后用 机床装夹具将下安装板安装到机床工作台上，安装时与机床工作台接触的为下安装板的反 面；
[0019] 3)光栅光纤传感器的固定及焊接：
[0020] 首先，选用3个反射中心波长不同的光纤光栅传感器，并分别编号为FBG1、FBG2、 FBG3 ;其次，将FBG1、FBG2、FBG3分别穿过圆环上对应的通孔或滑块中用于固定光纤的通 孔；然后，分别把光纤光栅传感器两端的光纤与通孔之间的缝隙用光纤粘贴专用胶填充以 实现光纤光栅传感器两端的固定；
[0021] 4)光纤光栅传感器的预紧：
[0022] 预紧之前，需将光纤跳线连接到光纤解调仪，并将光纤解调仪与计算机相连，通过 光纤解调仪的上位机查看同一条光纤跳线上的三个不同光纤光栅传感器的反射波长；预紧 时，轻微旋钮微调螺母使光纤和光栅被拉伸而产生应变并时刻查看波长变化，当光线反射 波长变化达到预定值后停止微调过程；
[0023] 5)由圆环式光纤光栅测力装置组成的测力仪的标定：
[0024] 在完成圆环式光纤光栅测力装置的组装后对测力装置进行标定；在空间笛卡尔坐 标系中利用标定仪器对测力装置进行三向力（F x、Fy、Fz)的标定，即可得到外加载荷与每一 个光纤光栅传感器反射波长之间的对应关系；
[0025] 6)由圆环式光纤光栅测力装置组成的测力仪的加载试验：
[0026] 标定成功后，安装于数控机床的工作台上的测力装置可用于数控机床加工过程中 切削力、铣削力等的试验；数控机床对测力装置施加的力经过"外力一相对位移一应变一光 波长"的转化而最终以txt格式保存，通过对试验数据的处理可以验证测力装置的整体性 能。
[0027] 上述步骤3)中，在对光纤光栅传感器一端的固定前，应使光栅的中心到圆环内圈 的距离约等于内径r ;对于FBGUFBG2和FBG3,应首先固定光纤光栅传感器对应的固定点； 在固定过程中，应待光栅的一端完全固定后，再将光栅的另一端的光纤固定；固定完成后， 用光纤熔接机将FBG1侧的光纤的一端与FBG2和FBG3的光纤侧的光纤先后焊接起来，最后 将FBG1侧的光纤的另一端与光纤跳线焊接起来，以实现将光纤光栅传感器与光纤解调仪 相连。
[0028] 上述步骤4)中，所述光线反射波长变化达到预定值是：FBG1和FBG3的波长变化 为10pm，FBG2波长变化为300pm。
[0029] 上述步骤4)中，完成预紧之后，将上安装板放在四个圆环的上面且使上安装板的 无 T型槽面与圆环相接触，然后分别用4个螺钉先后穿过上安装板的螺栓孔和与螺纹孔相 对应的圆环的第一固定圆环的螺纹孔以实现上安装板与圆环的连接，完成测力仪的组装。
[0030] 本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：
[0031] (1)圆环式光纤光栅测力装置测量灵敏度高：
[0032] 利用材料力学，可分别计算出某一相同尺寸下圆环式与八角环式弹性变形体的灵 敏度，灵敏度的单位均为μ ε/Ν，具体数值如表1所示。
[0033] 表1中，Sc、SD、SE、S e为八角环应变节点C、D、E、G表面的测量灵敏度，而Sm、SEF、 SeH为圆环三对应变节点（C-D、E-F、G_H)之间的测量灵敏度。
[0034] 由表1可以明显看出：相对于八角环式弹性变形体，圆环式弹性变形体大幅度提 高了应变式测力仪的灵敏度。
[0035] (2)圆环式光纤光栅测力装置测量精度高：
[0036] 在八角环弹性变形体中，FBG传感器需粘贴到八角环的表面，传感器的粘贴均采用 手工粘贴，由于传感器粘贴工艺的影响而使传感器与八角环表面之间存在胶接层，且胶接 层厚度不均匀，胶接层与裸光纤的弹性模量一般相差很大，弹性体元件之间的弹性模量也 不完全一致，致使光纤所测的应变小于被测结构的真实应变，这对整体系统测量精度有较 大影响；受限于传感器采用手工粘贴的可重复性差，多个测量点粘贴效果存在差异，难以分 辨测得数据的可靠性；因传感器有一定的尺寸，其与被测结构表面之间为面接触，且手工粘 贴过程中的误差大，故测得应变不是一点应变而是接触面的平均应变。在圆环式弹性变形 体中，FBG传感器无需粘贴到环的表面，不受粘贴工艺的限制，故传感器测得的应变与真实 应变之间不存在差异，且多个测量点测量效果不存在差异；因传感器无需粘贴到被测结构 表面，而是穿过位于同一直径上的两应变节点，故测得应变是两点间的应变而不是平均应 变。经过理论对比可得：即使在使用相同光纤光栅传感器及光纤解调仪的情况下，圆环式光 纤光栅测力装置的测量精度高于八角环的测量精度。
[0037] (3)圆环式光纤光栅测力装置中FBG强度高：
[0038] 在八角环弹性变形体中，受限于光纤光栅封装后测量的不准确，故直接把裸光纤 光栅粘贴于八角环表面，但裸光纤光栅非常纤细、脆弱，难以在恶劣环境下存活，这使以八 角环构建的测量系统难以用于实际加工过程中的长期在线监测。在圆环式弹性变形体中， 光纤光栅无需与被测结构表面相接触，因此可将光栅及光纤封装起来，而封装后的光纤光 栅强度高、不易损坏，故可适用于机床实际加工过程中。

【专利附图】

【附图说明】
[0039] 图1是圆环受力分析示意图。
[0040] 图2是圆环式光纤光栅测力装置示意图。
[0041] 图3是圆环式弹性变形体的结构示意图。
[0042] 图4是图3的左视图。
[0043] 图5是图3的俯视图。
[0044] 图6是微调装置的结构示意图。
[0045] 图7是卡环的结构示意图。
[0046] 图8是图7的左视图。
[0047] 图9是微调螺母的结构示意图。
[0048] 图10是图9的左视图。
[0049] 图11是滑块的结构示意图。
[0050] 图12是图11的左视图。
[0051] 图13是光纤光栅传感器的结构示意图。
[0052] 图14是下安装板的结构示意图。
[0053] 图15是图14的A-A剖视图。
[0054] 图16是上安装板的结构示意图。
[0055] 图17是图16的主视图。
[0056] 图18是图16的A-A剖视图。
[0057] 图19是圆环式弹性变形体在下安装板的分布示意图。
[0058] 图中：1.滑块；2.微调螺母；3.卡环；4.圆环式弹性变形体；5.光纤光栅传感 器；6.第一键槽；7.第一固定圆环的螺纹孔；8.第二键槽；9.第一螺纹孔；10.第三键槽； 11.第二螺纹孔；12.第一通孔；13.第二固定圆环的螺纹孔；14.第二通孔；15.第三螺纹 孔；16.第四键槽；17.第四螺纹孔；18.滑块中直径为1mm的用于固定光纤的通孔；19.键； 20.滑块内孔；21.微调螺母内孔；22.沉孔；23.凸台；24.光纤；25.光栅；26.下安装板的 螺栓孔；27. T型槽；28.上安装板的螺栓孔。

【具体实施方式】
[0059] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
[0060] 为了满足数控机床对弹性变形体的多样性需求，圆环式弹性变形体4(图3,以下 可以简称圆环）的各项参数（内径r、外径R、宽度b等）并不是唯一确定，在满足刚度、灵 敏度、结构强度等要求的情况下可根据需求改变。
[0061] 本发明提供的圆环式光纤光栅测力装置，其结构如图2所示，由圆环式弹性变形 体4、微调装置（由滑块1、微调螺母2和卡环3组成）和光纤光栅传感器5组成。
[0062] 所述的圆环式弹性变形体，其利用两个螺钉分别穿过圆环上、下两端的第一固定 圆环的螺纹孔7、第二固定圆环的螺纹孔13后，再分别安装到上安装板（图16)、下安装板 (图14)上。该圆环式弹性变形体的结构如图3至图5所示，在圆环上设计了用于固定圆 环的第一固定圆环的螺纹孔7、第二固定圆环的螺纹孔13,还设计了用于安装微调装置（图 6)的第一螺纹孔9、第二螺纹孔11、第三螺纹孔15、第四螺纹孔17及与螺纹孔一体的第二 键槽8、第三键槽10、第四键槽16、第一键槽6,以及圆环上固定光纤24的直径为1mm的第 一通孔12、第二通孔14等，其中：第一螺纹孔9、第二螺纹孔11、第三螺纹孔15、第四螺纹孔 17与微调装置（图6)中微调螺母2(图9)的连接螺纹均为细牙螺纹，细牙螺纹是为了实现 微距精确调节；第一键槽6、第二键槽8、第三键槽10、第四键槽16与微调装置（图6)中卡 环2 (图7)的键19相互配合；第一固定圆环的螺纹孔7、第二固定圆环的螺纹孔13是分别 用于将圆环固定到上安装板（图16)、下安装板（图14)上；第一通孔12、第二通孔14是用 于直接安装及固定光纤光栅传感器5 (图13) -端的光纤24 (图13)。为了测得圆环上位于 同一条直径上的两个点之间的相对位移，第四螺纹孔17的轴线与第一通孔12的轴线共线， 第一螺纹孔9的轴线与第二通孔14的轴线共线；第二螺纹孔11的轴线与第四螺纹孔15的 轴线共线。与此同时，为了防止光栅25(图13)在圆环中心轴处相互交叉接触而影响光栅 25 (图13)测量精度，安装不同光纤光栅传感器5 (图13)的螺纹孔、通孔的轴线不在同一平 面上，即第四螺纹孔17与第一通孔12的共同的轴线，第一螺纹孔9与第二通孔14共同的 轴线及第二螺纹孔11与第四螺纹孔15共同的轴线不在同一个平面上。在不影响测量情况 下，轴线所在的平面之间相距一定距离（例如2mm)(图4、图5)。为了保证圆环结构的对称 性，第四螺纹孔17的轴线与第三螺纹孔15的轴线之间的垂直距离同第一螺纹孔9的轴线 与第三螺纹孔15的轴线之间的垂直距离相同（例如2mm)，且第四螺纹孔17和第一螺纹孔 9分别分布在圆环横向中心对称面的两侧（图4、图5)。
[0063] 图3中，圆环上第一螺纹孔9、第四螺纹孔17的轴线及第一通孔12、第二通孔14 与第二螺纹孔11、第三螺纹孔15轴线（圆环的水平对称线）之间的角度β的取值范围与 圆环受力分析示意图（图1)中的角度α相同，g卩β的取值范围为（130°，145° )，一般 取 β = 140. 4。。
[0064] 所述的光纤光栅传感器，通过光纤粘贴专用胶（例如ΕΡ0 - TEK 353ND胶）装在圆 环上的固定光纤的直径为1_的第一通孔12、第二通孔14或微调装置（图6)的滑块中直 径为1mm的用于固定光纤的通孔18。该光纤光栅传感器的结构如图13所示，由光纤24和 光栅25 (图13)组成，其中：光纤24 (图13)仅用于传输光信号；光栅25 (图13)则用于测 量应力，通过光纤24(图13)传输到光栅25(图13)的宽带光谱中某一特定波长的光因光 栅25 (图13)的作用而被反射回去，光栅25 (图13)的栅距和有效折射率在其自身产生应 变时而发生变化，此时通过光栅25 (图13)的反射光的中心波长也会发生变化，通过测量反 射光中心波长的变化即可得到应变的值。
[0065] 所述的微调装置，通过微调螺母2(图9)上的细牙螺纹装在圆环上的螺纹孔内，一 个圆环上需将4个微调装置分别安装到圆环上分布的第一螺纹孔9、第二螺纹孔11、第三螺 纹孔15、第四螺纹孔17内。所述微调装置的结构如图6至图12所示，由滑块1(图11)、微 调螺母2 (图9)、卡环3 (图7)组成，其中：滑块1 (图11)先后穿过微调螺母2 (图9)的微 调螺母内孔21和卡环3 (图7)的卡环内孔20,并使滑块1 (图11)的凸台23与微调螺母 2 (图9)的沉孔22配合以使微调螺母2 (图9)带动滑块1 (图11)移动，滑块1 (图11)与 微调螺母内孔21之间为间隙配合；滑块1 (图11)与卡环内孔20之间为过盈连接。卡环 3(图11)设有键19和与滑块连接的内孔20。
[0066] 本发明提供的圆环式光纤光栅测力装置，其工作原理是：
[0067] 圆环式弹性变形体4(图3)在受到外力的作用时，其会产生一定的弹性变形，弹性 变形的大小与受到的力的大小和方向有关。基于圆环式弹性变形体4(图3)的特殊结构， 其在坚直方向和水平方向力的作用下的变形明显且易测量。因圆环的半径R远大于圆环厚 度h，此圆环可简化成薄壁圆环（图1)。薄壁圆环（图1)发生变形后，其应变节点C和D、 E和F、G和Η之间发生相对位移，且相对位移的大小与受到的力的大小和方向有关。应变 节点在圆环的位置为第一螺纹孔9 (Ε)、第二螺纹孔11 (D)、第三螺纹孔15 (C)、第四螺纹孔 17(G)和第一通孔12、第二通孔14的中心轴的与圆环中径的交点。为测得三对应变节点之 间的相对位移以得到圆环受到的外力的大小和方向，将三个光纤光栅传感器5(图13)两端 的光纤24分别穿过圆环上的三对应变节点，并将光纤24固定在应变节点处，同时用微调装 置（图6)对每一个光纤光栅传感器5 (图13)进行预紧。安装于应变节点之间的FBG在外 力作用下因应变节点之间的相对位移而产生应变，应变与力之间的对应关系如表2所示。 光纤光栅传感器5(图13)发生应变后其反射波长同时变化，通过光纤解调仪可以查看并记 录光栅25反射中心波长的变化。利用光波长一应变一相对位移一外力之间的对应关系，通 过测量FBG的反射波长的变化可以最终得到圆环式弹性变形体4(图3)受到的外力的大小 和方向。一个圆环可测得两个方向的力，为了测得空间坐标系中三向力，采用4个两两垂直 的圆环式弹性变形体（图19)，圆环式弹性变形体a和圆环式弹性变形体c可以测量空间笛 卡尔坐标系中的力Fx，而圆环式弹性变形体b和圆环式弹性变形体d可以测量空间笛卡尔 坐标系中的力Fy，圆环式弹性变形体a、圆环式弹性变形体b、圆环式弹性变形体c和圆环式 弹性变形体d可以测量空间笛卡尔坐标系中的力Fz (方向垂直于上、下安装板）。
[0068] 本发明提供的上述圆环式光纤光栅测力装置，其用途是：在对数控机床实际加工 过程中的切削力、铣削力等的在线动态测量中的应用。
[0069] 本发明应用时，是以圆环式光纤光栅测力装置为测力单元的测力仪进行的，其方 法包括以下步骤：
[0070] (1)微调装置的安装：
[0071] 将滑块1 (图11)、微调螺母2 (图9)、卡环3 (图7)组成微调装置（图6)，其中 微调螺母2(图9)与滑块1 (图11)之间为间隙配合，这可以使滑块1 (图11)在微调过程 中受到微调螺母2(图9)给予的较小的摩擦力，减小了滑块1(图11)转动的可能，且滑块 1(图11)的凸台23与微调螺母2(图9)的沉孔22配合，这可使微调螺母2(图9)带动滑 块1 (图11)移动；滑块1 (图11)与卡环3 (图7)为过盈连接，过盈连接可使滑块1 (图11) 与卡环3 (图7)之间的无相对位移，卡环3 (图7)上的键19的存在保证了其只能沿着键槽 移动而不能产生转动，这可以保证在对光纤预紧微调的过程中微调螺母2 (图9)带动滑块 1(图11)只有同卡环3(图7) -样有沿其轴线方向的位移而无以轴线为中心的旋转位移， 这可以防止光纤24在微调过程中产生扭转而使光纤24损坏的现象发生。在固定光纤24 之前，将4个微调装置（图6)通过螺纹连接分别安装到圆环上第一螺纹孔9及第二键槽8、 第二螺纹孔11及第三键槽10、第三螺纹孔15及第四键槽16和第四螺纹孔17及第一键槽 6中，并将微调螺母2 (图9)有螺纹部分完全安装到螺纹孔中以实现最大范围的调节。因光 纤24本身变形不大及所需预紧力有限，微调螺母2 (图9)所用螺纹为细牙螺纹，可以实现 微距调节及较准确调节。
[0072] 本测力装置共需4个圆环式弹性变形体4 (图3)，每一个圆环上需安装4个微调装 置（图6)，即共需16个微调装置（图6)。
[0073] (2)圆环式弹性变形体4的安装：
[0074] 首先，将四个圆环式变形体4(图3)放到下安装板的正面（图14的反面），然后分 别用螺钉先后穿过下安装板的螺栓孔26 (图15)及圆环式变形体4 (图3)的第二固定圆环 的螺纹孔13以将圆环连接并固定到下安装板上，安装过程中应保证4个圆环两两垂直且使 圆环的两个侧面分别与安装板的侧面相互平行或垂直（图19)。然后，用机床装夹具将下安 装板（图14)安装到机床工作台上，安装时与机床工作台接触的为下安装板的反面（图14 的正面）。
[0075] (3)光栅光纤传感器5的固定及焊接
[0076] 首先，选用3个反射中心波长不同的光纤光栅传感器5(图13)，并分别编号为 FBG1、FBG2、FBG3。其次，将FBG1、FBG2、FBG3分别穿过圆环上C和D、E和F、G和Η等应变 节点（图2)处的固定光纤的直径为1mm的通孔12(14)或滑块中直径为1mm的用于固定光 纤的通孔18。其中，FBG1位于应变节点C、D之间；FBG2位于应变节点E、F之间；FBG3位 于应变节点G、Η之间。然后，分别把光纤光栅传感器5(图13)两端的光纤24与通孔之间 的缝隙用光栅粘贴专用胶填充以实现光纤光栅传感器5 (图13) -端的固定，固定前应使光 栅25的中心到圆环内圈的距离约等于内径r。对于FBG2和FBG3,应首先固定光纤光栅传 感器5(图13)的F、Η固定点；对于FBG1，可先固定C固定点或D固定点。固定过程中，应 待光栅25的一端完全固定后，即粘贴胶完全固化后，再将光栅25的另一端的光纤24固定。 特别注意的是：光纤24固定时，应使光纤24和光栅25处于非弯曲状态。完成光纤光栅传 感器5 (图13)的固定后，用光纤熔接机将FBG1D侧的光纤与FBG2E侧的光纤及FBG2F侧的 光纤与FBG3G侧的光纤先后焊接起来，最后将FBG1C侧的光纤与光纤跳线焊接起来以将传 感器与光纤解调仪相连。
[0077] 每一个圆环式弹性变形体4(图3)均如上述完成传感器的固定及焊接，4个圆环式 弹性变形体4(图3)共需4个FBG1、4个FBG2、4个FBG3及4根光纤跳线。
[0078] (4)光纤光栅传感器的预紧：
[0079] 在水平作用下E、F两点之间的应变￡明为负值，即两点之间的相对位移为负值，同 时在光纤24固定后不能完全保证光纤光栅传感器5 (图13)处于拉直状态。处于与被测点 非接触状态的光纤光栅传感器5(图13)在被拉伸时可以测得其产生的应变，而在被压缩时 因其不产生应变而无法测得圆环所受力的大小和方向，因而为了测得应变ε EF及保证光纤 24处于拉直状态需要对光纤24和光栅25进行预紧。预紧之前，需将光纤跳线连接到光纤解 调仪，并将光纤解调仪与计算机相连，通过光纤解调仪的上位机可以查看同一条光纤跳线 上的三个不同光纤光栅传感器5 (图13)反射波长。轻微旋钮微调螺母2 (图9)使光纤24 和光栅25被拉伸而产生应变并时刻查看波长变化，当光线反射波长变化达到一定值（FBG1 和FBG3的波长变化为10pm，FBG2波长变化为300pm)后停止微调过程。对光纤24和光栅 25进行预紧而使光栅25预先产生应变，可以防止光纤24和光栅25处于松弛状态，也可用 于在外载荷作用下两节点之间相对位移为负值的情况。4个圆环共有16个微调装置（图 6)，每一个圆环上安装于D点、E点和G点（图2)的微调装置（图6)均需如上述所示完成 光纤光栅传感器5 (图13)的预紧。
[0080] 完成FBG的预紧之后，将上安装板（图16)放在四个圆环的上面且使上安装板（图 16)的无 T型槽面与圆环相接触，然后分别用螺钉穿过上安装板的螺栓孔28(图18)与每个 圆环的第一固定圆环的螺纹孔7分别相连，完成测力仪的组装。在安装过程中，应使上安装 板（图16)的T型槽27 (图17)与机床工作平面的T型槽平行或垂直。
[0081] (5)由圆环式光纤光栅测力装置组成的测力仪的标定：
[0082] 该测力装置在外载荷作用下，光纤因圆环上两应变节点之间的相对位移而产生拉 伸或压缩进而使光纤产生应变。在环境温度稳定条件下，光纤光栅传感器反射中心波长变 化与应变成正比，采用光纤解调仪及配套软件可以查看反射波长的变化量，通过应变一波 长之间的映射关系即可得知应变大小。因测力装置结构为非理想圆环，其反射波长与外加 载荷的函数关系并不与理论推导完全一致，故需在完成圆环式光纤光栅测力装置的组装后 对测力装置进行标定。在空间笛卡尔坐标系中利用标定仪器对测力装置进行三向力（F x、Fy、 Fz)的标定，即可得到外加载荷与每一个光纤光栅传感器反射波长之间的对应关系。
[0083] (6)由圆环式光纤光栅测力装置组成的测力仪的加载试验：
[0084] 标定成功后，安装于数控机床的工作台上的测力装置可用于数控机床加工过程中 切削力、铣削力等的试验。数控机床对测力装置施加的力经过"外力一相对位移一应变一光 波长"的转化而最终以txt格式保存，通过对试验数据的处理可以验证测力装置的整体性 能。
[0085] 经过上述步骤后，可实现以圆环式光纤光栅测力装置为测力单元的测力仪对数控 机床实际加工过程中切削力、铣削力等的在线动态测量。
[0086] 表1.圆环式与八角环式弹性变形体灵敏度对比
[0087]

【权利要求】
1. 一种圆环式光纤光栅测力装置，其特征是由圆环式弹性变形体（4)、光纤光栅传感 器（5)和微调装置组成，其中：所述的圆环式弹性变形体，其圆环上、下两端通过螺钉分别 固定在上安装板、下安装板上，该圆环设有多个螺纹孔、多个键槽和多个通孔，每个螺纹孔 内安装一个微调装置，每个键槽用于安装微调装置中卡环上的键，每个通孔用于安装光纤。
2. 根据权利要求1所述的圆环式光纤光栅测力装置，其特征是所述的微调装置由滑块 (1)、微调螺母（2)和卡环（3)组成，其中：微调螺母（2)上的细牙螺纹与圆环上的螺纹孔相 连；卡环（3)上的键与圆环上的键槽相互配合。
3. 根据权利要求2所述的圆环式光纤光栅测力装置，其特征是所述的滑块（1)先后穿 过微调螺母（2)的微调螺母内孔和卡环（3)的卡环内孔，并使滑块（1)的凸台（23)与微调 螺母（2)的沉孔配合以使微调螺母（2)带动滑块（1)移动，滑块（1)与微调螺母内孔之间 为间隙配合；滑块（1)与卡环内孔之间为过盈连接。
4. 根据权利要求2所述的圆环式光纤光栅测力装置，其特征是所述的卡环（3)与滑块 ⑴之间无相对位移，卡环⑶上的键使卡环⑶与滑块⑴只有沿键槽的直线位移而无沿 轴线的转动位移，可以防止在微调过程中光纤因扭转而损坏。
5. 根据权利要求1所述的圆环式光纤光栅测力装置，其特征是所述的光纤光栅传感器 (5)通过光纤粘贴专用胶装在圆环上的固定光纤的通孔内。
6. 权利要求1至5中任一权利要求所述圆环式光纤光栅测力装置的应用，其特征是在 对数控机床实际加工过程中的切削力、铣削力等的在线动态测量中的应用。
7. 根据权利要求6所述的应用，其特征是应用时，是以圆环式光纤光栅测力装置为测 力单元的测力仪进行的，包括以下步骤： 1) 微调装置的安装： 将微调装置安装在圆环的螺纹孔内； 2) 圆环式弹性变形体（4)的安装： 首先，将四个圆环式变形体（4)放到下安装板的正面，然后分别用螺钉先后穿过下安 装板的螺栓孔及圆环式变形体的螺纹孔以将圆环连接并固定到下安装板上，安装过程中应 保证4个圆环两两垂直且使圆环的两个侧面分别与安装板的侧面相互平行或垂直，最后用 机床装夹具将下安装板安装到机床工作台上，安装时与机床工作台接触的为下安装板的反 面； 3) 光栅光纤传感器（5)的固定及焊接： 首先，选用3个反射中心波长不同的光纤光栅传感器（5)，并分别编号为FBG1、FBG2、 FBG3;其次，将FBG1、FBG2、FBG3分别穿过圆环上对应的通孔或滑块（1)中用于固定光纤的 通孔；然后，分别把光纤光栅传感器（5)两端的光纤与通孔之间的缝隙用光栅粘贴专用胶 填充以实现光纤光栅传感器（5)两端的固定； 4) 光纤光栅传感器（5)的预紧： 预紧之前，需将光纤跳线连接到光纤解调仪，并将光纤解调仪与计算机相连，通过光纤 解调仪的上位机查看同一条光纤跳线上的三个不同光纤光栅传感器的反射波长；预紧时， 轻微旋钮微调螺母（2)使光纤和光栅被拉伸而产生应变并时刻查看波长变化，当光线反射 波长变化达到预定值后停止微调过程； 5) 由圆环式光纤光栅测力装置组成的测力仪的标定： 在完成圆环式光纤光栅测力装置的组装后对测力装置进行标定；在空间笛卡尔坐标系 中利用标定仪器对测力装置进行三向力（Fx、Fy、Fz)的标定，即可得到外加载荷与每一个光 纤光栅传感器反射波长之间的对应关系； 6)由圆环式光纤光栅测力装置组成的测力仪的加载试验： 标定成功后，安装于数控机床的工作台上的测力装置可用于数控机床加工过程中切削 力、铣削力等的试验；数控机床对测力装置施加的力经过"外力一相对位移一应变一光波 长"的转化而最终以txt格式保存，通过对试验数据的处理可以验证测力装置的整体性能。
8. 根据权利要求7所述的应用，其特征是步骤3)中，在对光纤光栅传感器（5) -端的 固定前，应使光栅的中心到圆环内圈的距离约等于内径r ;对于FBGUFBG2和FBG3,应首先 固定光纤光栅传感器（5)对应的固定点；在固定过程中，应待光栅的一端完全固定后，再将 光栅的另一端的光纤固定；固定完成后，用光纤烙接机将FBG1侧的光纤的一端与FBG2和 FBG3的光纤侧的光纤先后焊接起来，最后将FBG1侧的光纤的另一端与光纤跳线焊接起来， 以实现将光纤光栅传感器与光纤解调仪相连。
9. 根据权利要求7所述的应用，其特征是步骤4)中，所述光线反射波长变化达到预定 值是：FBG1和FBG3的波长变化为10pm，FBG2波长变化为300pm。
10. 根据权利要求7所述的应用，其特征是步骤4)中，完成预紧之后，将上安装板放在 四个圆环的上面且使上安装板的无 T型槽面与圆环相接触，然后分别用4个螺钉先后穿过 上安装板的螺栓孔和与螺纹孔相对应的圆环的第一固定圆环的螺纹孔以实现上安装板与 圆环的连接，完成测力仪的组装。
【文档编号】G01L1/24GK104280169SQ201410555168
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年10月17日 优先权日:2014年10月17日
【发明者】刘明尧, 张志建, 谭跃刚, 周祖德, 彭霜 申请人:武汉理工大学