随着新能源、新材料和新技术的快速发展,新型工业化的升级浪潮正在颠覆传统制造方式。切削加工是现代制造业中一种广泛应用的机械加工方法,加工过程中刀具的实时状态直接影响零件加工精度、加工效率和表面质量等。因此,应用现代传感技术、计算机技术和信号处理等技术开发刀具状态参量监测的新方法、新装置、新技术和新系统具有重要的理论意义与实用价值。本文针对智能加工对刀具状态实时监测和监测精度的需求,以车刀为对象,设计了一种融压电陶瓷感知系统和刀具于一体的切削力自感知智能刀具,通过对智能刀具的设计和误差补偿等相关研究,使刀具系统在执行加工的同时具有感知切削力的能力,实现了反映刀具状态的切削力参量的实时在线监测。相关研究成果对自适应智能加工技术的快速发展具有重要的参考价值。论文的主要研究内容如下:提出一种全新的切削力自感知智能车刀整体结构设计方案,设计了一种新的切削力感知元件并对切削力感知元件的静态性能进行了试验测试。通过对不同型号压电陶瓷材料的性能分析,确定了嵌入刀垫的压电陶瓷材料型号;通过应力分析,确定了压电陶瓷片的形状;通过理论计算,确定了压电陶瓷片的尺寸参数;压电陶瓷片的形状和尺寸参数确定后,对刀垫凹槽的尺寸设计、信号传输导线的焊接以及绝缘等工作进行了研究;最后完成了切削力感知元件的相应制作和装配工作。为了对所设计切削力感知元件的性能进行测试和评估,分析了压电陶瓷传感器的测量原理,搭建了信号采集系统,对切削力感知元件的线性度、灵敏度、重复性、迟滞性等静态性能指标进行了标定研究。从压电陶瓷的铁电效应微观极化机理出发,分析解释了切削力感知元件在外力作用下产生迟滞非线性现象的原因。为了测试和评估本文设计的切削力感知式智能切削车刀的综合性能,首先对智能车刀的力学、热学特性开展分析研究;然后通过设计搭建的模态分析试验平台,采用锤击激振的方法对所设计的刀具进行试验模态分析,综合仿真和试验结果得到智能车刀的固有频率;之后采用直接耦合法对所设计的刀具进行灵敏度标定,建立感知元件输出电压与切削力之间的关系;最后通过对比切削试验验证智能车刀的切削力感知能力和设计的可行性。通过以上研究得到如下结论:1)力学性能研究结果表明,与普通车刀相比,智能车刀各部件的最大应力有所增加,但是在满足设计目标的切削力范围内各部件的最大应力均低于材料的抗压强度,强度满足要求。2)热学性能研究结果表明,刀-屑接触面最高温度在400℃以下时,嵌入刀垫的压电陶瓷片最高温度不会超过其居里温度。3)智能车刀的一阶固有频率远大于系统频率的4倍,加工过程中刀具不会由于共振而损坏,满足应用要求。4)所设计的切削力自感知智能车刀具有良好的切削力感知能力,切削力较小时刀具的工作性能稳定,随着切削力增加,切削热对刀具的性能有一定影响。为了补偿切削力感知元件的迟滞非线性误差,提高检测精度,在研究压电陶瓷迟滞非线性建模方法的基础上,针对经典Bouc-Wen模型无法表征非对称迟滞特性的问题,提出了一种可以反映切削力感知元件非对称迟滞特性的改进Bouc-Wen模型,并对模型参数以及输入信号的幅值和频率对迟滞曲线的大小、形状及平稳性影响关系进行了讨论,在此基础上给出了逆模型的求取以及模型参数的辨识方法;利用改进Bouc-Wen逆模型作为补偿器补偿智能刀具切削力感知元件的迟滞非线性,通过对比试验验证了误差控制的有效性。相关结论为非对称迟滞误差的控制提供了一种新的途径。为了补偿切削力感知元件的灵敏度温漂误差,提出了一种基于改进Elman神经网络的切削力感知元件灵敏度温漂补偿方案。对比试验结果表明:利用本文建立的基于改进Elman神经网路灵敏度温漂补偿模型补偿后,补偿模型的预测力和切削力感知元件的实际加载力具有较好的吻合度,误差明显降低,有效保证了检测精度。该研究成果为所设计智能刀具提供了一种有效的灵敏度温漂补偿方法,并对具有灵敏度温漂特性的其它器件的研究具有重要的参考价值。