基于光纤布拉格光栅的机床主轴应变测量

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目前,随着科学技术的发展,机床作为工业领域内最基本的生产设备,高转速、高精度必将成为其主要的发展方向。而主轴作为机床的最重要组成部分之一,它性能的好坏直接影响了机床的加工精度和加工稳定性。高速运转的主轴经常会出现疲劳损伤现象,由于主轴的可靠性主要取决于承受应变的大小,因此对主轴的设计、状态检测、损伤评估都非常重要的。旋转是主轴的最主要、最明显的特点,同时机床主轴系统结构紧凑、空间狭小、环境恶劣等等,也都是测量主轴应变时需要考虑的因素。传统的电阻应变片测量方法解决这类问题时比较复杂,容易受到外界环境的影响,甚至可能无法解决。而运用光纤布拉格光栅传感器测量主轴应变,很好的解决了这一类问题,并且具有非常高的测量精度,适用于各种复杂恶劣的环境,为以后的主轴状态检测、损伤评估提供了一定的技术和数据支持。运用光纤布拉格光栅传感器测量主轴应变主要过程是包括:宽带光源产生的光信号经过隔离器及耦合器传输至由光纤准直器构成的光纤旋转连接器,最终到达封装在主轴内侧表面的布拉格光栅传感器中,满足布拉格传感器谐振条件的光信号被传感器反射,当主轴表面的应变大小发生改变时,反射光信号的中心波长将发生漂移。之后,包含应变信息的反射光信号又经过光纤旋转连接器进入非平衡M-Z干涉解调仪中,将中心波长漂移信息转化为光信号的相位差变化,三路光信号经过光信号接收模块之后,变成了适用于采集卡采集的电信号,最后通过高速数据采集模块将三路电信号数据采集到计算机中,并且在Lab VIEW中对传感信号进行解调处理,便可得到待测主轴应变的大小。在实现光纤布拉格光栅传感器测量主轴应变的过程中,主要难点在于宽带光信号如何传输进入旋转的主轴表面、反射光信号的接收以及信号采集解调等工作。为了克服这些问题,本文设计了满足一定精度的光纤旋转连接器机械结构,顺利解决了信号的传输问题;同时设计了光信号接收电路和基于Lab VIEW的传感信号采集和解调系统,完成了反射光信号的接收采集和解调工作。本文所做的工作为主轴应变的测量提拱了一种新的方法思路,提高了主轴应变测量的精度和准确性,对主轴的应变检测具有一定的指导意义。
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