[发明专利]一种基于微结构光纤传感的车削温度测量系统

说明书

本发明公开了一种基于微结构光纤传感的车削温度测量系统，属于温度测量技术领域，通过刀具、刀杆、光纤夹具与传导光纤的配合，实现微结构光纤探头在刀具微孔内的固定和调节，使微结构光纤探头与传导光纤将切削刀具在高温下自发产生的热辐射收集并传导至光学与光电转换单元中；光学与光电转换单元将光信号分束、滤波并进行光电转换生成电压信号，数据采集单元采集电压信号并转换为温度信号。如此，该测温系统在未对机床系统进行大规模改装的情况下实现了车削刀具切削温度的原位在线测量，应用方便，结构稳定，实用性强。同时，微结构光纤探头可以增强对热辐射光信号的收集，由此增强了测温系统信噪比，提升了温度测量准确度。

技术领域

本发明属于温度测量技术领域，更具体地，涉及一种基于微结构光纤传感的车削温度测量系统。

背景技术

在全球新一轮科技革命和产业变革加速兴起的今天，智能制造已成为制造业的重要发展趋势。智能制造旨在将新一代信息传感技术和制造业深度融合，赋予产品制造在线感知和自我监督的能力，实现高品质制造。刀具是工业的牙齿，科学的机械加工切削是提高切削加工效率、降低成本、提升质量和管理水平的一种有效措施，是现代制造技术的基础。在机械加工切削过程中，切削热直接影响刀具的磨损和寿命，同时也是影响和制约工件加工精度和质量的重要障碍。切削温度在线监测对于研究切削热对刀具磨损和加工质量的影响规律具有重要意义。通常，刀具硬切削加工时切削区域具有极端恶劣的高温、大应变/应力热冲击环境。因此，如何解决强干扰、热冲击、结构约束等复杂工况下狭小切削区域的刀具温度原位在线测量，是刀具在线测温技术首要解决的问题。

为解决上述问题，传统测量方法有自然热电偶法、红外热成像法、多光谱辐射测温法、薄膜热电偶法等。传统热电偶方法绝缘条件要求苛刻，温度测量准确度差，难以应用于实际生产。红外热成像法成本极高，且容易受切屑及外界环境干扰。薄膜热电偶以其较小的热接点尺寸和较高的测量分辨率优点正逐渐被引入切削温度监控领域，但薄膜热电偶温度传感器测点很靠近切削刃，距离刀尖较远，不能准确测量切削刀尖温度，且受薄膜工艺限制在大切削用量下易失效，制备成本高，同样无法大规模应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于微结构光纤传感的车削温度测量系统，其目的在于解决现有刀具温度原位在线测量系统温度测量准确度差，且容易受切屑及外界环境干扰的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于微结构光纤传感的车削温度测量系统，包括：刀具、刀杆、光纤夹具、传导光纤、微结构光纤探头、车削工件，光学与光电转换单元，数据采集单元；

所述刀具与所述光纤夹具均固定在所述刀杆上；所述微结构光纤探头固定于所述刀具的微孔内，所述微孔靠近所述刀具的刀尖位置；所述传导光纤穿过所述光纤夹具与所述刀杆的微槽到达所述微孔内，与所述微结构光纤探头连接；

所述光纤夹具用于调整所述微结构光纤探头的位置；所述微结构光纤探头用于收集所述刀具加工所述车削工件过程中产生的热辐射，并通过所述传导光纤传导至所述光学与光电转换单元；所述光学与光电转换单元用于将光信号进行分束、滤波处理，并将处理后的光信号转换为电压信号；所述数据采集单元用于采集所述电压信号并转换为温度信号。

进一步地，所述刀具与所述刀杆通过压块与双头螺柱固定；所述光纤夹具与所述刀杆通过螺栓固定，且所述光纤夹具固定在所述刀杆下方。

进一步地，所述微结构光纤探头为球形、椭球形、半球形、或圆柱形；所述微结构光纤探头通过电弧放电制备，所述微结构光纤探头的形状与电弧放电强度、推进距离和熔接时间有关。

进一步地，所述微结构光纤探头与传导光纤的纤芯材料为二氧化硅、二氧化硅掺杂物、硫化物、或氟化物。

进一步地，所述光学与光电转换单元包括第一平凸透镜、分束镜、第一滤光片、第二滤光片、第二平凸透镜、第三平凸透镜、第一红外光电探测器和第二红外光电探测器；