金属切削加工被广泛应用于现代机械制造业中。加工过程中,刀具的实时磨损情况以及工件表面的形成过程总能通过测量切削力的变化来直接或间接反应。能否精确检测切削力、实时感知切削状态直接影响着机床切削过程的加工精度、加工效率以及加工可靠性。因此,设计一套集微型压电陶瓷传感器与机床车刀于一体的智能切削力测量系统是解决这一问题的关键所在。本文根据实际测量切削力的需要,对应用于切削力检测的压电陶瓷传感器的关键技术进行研究并提出了解决方案,为实现切削力的实时精确检测提供了理论基础和技术支持。本论文主要做了以下几方面的研究:(1)设计并制作了嵌入车刀刀垫的压电陶瓷传感器。根据实际的车床加工条件,从压电陶瓷材料的选型、尺寸设计、工艺结构等方面考虑,制作了可实时监测切削力的刀垫式压电陶瓷传感器。传感器跟随车刀运动,实时感知切削力的变化,实现了加工检测的一体化,提高了测量系统的检测精度和实时性。(2)搭建了一套完整的数据采集系统。结合可灵活配置的NI Compact RIO软硬件平台与功能强大的Lab VIEW上位机平台,构建了基于压电陶瓷传感器的数据信号实时采集系统。基于实际采集需要,编写了一套应用于Compact RIO仪器的采集系统软件程序,实现了数据信号的采集、存储、显示和处理。(3)完成了压电陶瓷传感器的静动态标定。利用所搭建的采集系统,采用砝码加载卸载实验的方法,对传感器静态特性的各项指标进行标定。标定结果表明传感器具有较高的灵敏度和重复性,但输入输出之间有明显的迟滞。搭建了动态标定测试系统,并完成对新型智能车刀的固有频率标定。标定结果显示该车刀的固有频率较高,在1827Hz左右。(4)完成了对压电陶瓷传感器的迟滞建模和补偿。基于传感器的迟滞原理,建立了基于Duhem的压电陶瓷传感器迟滞模型。根据传感器的输入输出数据,采用改进的基于学习速率的梯度下降法辨识模型参数。求取逆模型,并利用逆模型串联后置补偿的方法,补偿了传感器的迟滞非线性。(5)在实际切削加工实验中,利用搭建的采集系统,将刀垫嵌入式新型智能车刀安装在车床CA6140上,测得3组正交实验的输出电压。将采集到的电压数据导入逆模型,得到切削加工实验的切削力。