大サイズのワークの切削力監視において、測定面積の拡大による質量増加と固有振動数の低下という技術的課題を解決するために、軽量化の考え方を導入し、大面積圧電多次元測力計を開発し、体系的な理論解析と実験検証を行った。構造機能分析によって軽量化の設計制約および最適化方向を明確化し、トポロジー最適化を用いて初期構造を取得し、重要な寸法パラメータを決定した。実験計画と応答曲面法を組み合わせて、パラメータと最適化目標の代理モデルを構築した。次に、多目的最適化アルゴリズムを適用してパラメータ探索を行い、最終設計案を確定し、測力計の試作を完成させた。最後に、静的および動的較正と実際のフライス加工実験により軽量化測力計の性能を検証した。実験結果は、測力計の全体質量が8.3％減少し、一階固有振動数が33.2％向上し、各方向の線形性・再現性はいずれも0.5％未満、方向間カップリング誤差は3％未満、三軸固有振動数は1.9kHz以上であることを示した。フライス加工力実験は作業領域内での測定安定性を検証し、異なる作業条件に対する敏感な反応を明確に示し、軽量化後の測力計が優れた性能を維持していることを証明した。本研究は後続の測力計構造設計および固有振動数向上に理論的な指針を提供し、明確な工学的応用価値を有する。

測定面積;切削力測定;応答曲面解析;軽量化