一种测量刀尖点振动位移的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于切削加工领域，更具体地，涉及一种在线测量铣削加工过程中刀尖点 振动位移的方法。
【背景技术】
[0002] 加工过程中的振动会导致工件的形状精度和表面精度降低，刀具寿命和生产率下 降。刀尖点振动位移是切削振动最直接的表征量，在线获取刀尖点振动位移对于切削力控 制，颤振抑制具有重要意义。
[0003] 申请号为200910198798. 4的中国专利公开了同济大学刘晓东的一种铣削刀具振 动测量仪器，其将振动加速度传感器安装在刀柄上，用于测量加工过程中刀具振动加速度， 传感器的供电系统采用感应供电方式，信号传输方式为无线传输方式。这种方法有效解决 了测量旋转刀具时传感器的供电以及信号的传输难题，但是存在以下问题：需要改变刀柄 的结构，安装传感器后会导致刀柄不平衡，测量的振动并非刀尖点的振动，整个测量系统太 复杂。
[0004] 韩国首尔大学的 Jin-Hyun Kim(Chang H, Kim J, Kim I H, et al. In-process surface roughness prediction using displacement signals from spindle motion[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2007, 47 (6):1021-1026.) 设计了一种圆筒形电容式位移传感器，用于测量主轴振动位移，传感器安装在主轴上，通过 建立的刀具-主轴悬臂梁结构模型以获得刀具的振动位移，该方法传感器安装方便，但是 建立的刀具-主轴悬臂梁结构模型太简单，获得的刀具振动位移与真实刀具振动位移相比 会有较大误差。
[0005] 上海交通大学的江浩（江浩.铣削加工振动主动控制[D].上海交通大学，2009.) 设计了一套直接测量刀具振动位移的装置，该装置利用涡流位移传感器直接测量刀杆的振 动，测量结果可靠，但是测量装置会严重影响加工过程，而且切肩、切削液会对传感器的测 量结果造成干扰，测量的也并非是刀尖点的振动位移。
[0006] 瑞典吕勒奥理工大学的 Per Gren(Tatar K, Gren P. Measurement of milling tool vibrations during cutting using laser vibrometry[J] · International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2008, 48 (3) : 380-387.)设计了一种刀具振动位移的 测量装置，在刀具上安装了一个表面高度光学光滑的套筒，利用激光干涉仪测量套筒的振 动位移并将其作为刀具的振动位移。该方法可以准确可靠测得刀具的振动位移，但是每次 更换刀具时都必须重新安装套筒，而且切肩、切削液会对传感器的测量结果造成干扰，测量 的也并非是刀尖点的振动位移。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种测量刀尖点振动位移的 方法，其目的在于在机床主轴上挑选出最佳位置点，以该最佳位置点与刀尖点之间的振动 位移传导函数为最佳振动位移传导函数，并以最佳振动位移传导函数和最佳位置点的振动 位移计算获得刀尖点的振动位移，由此解决现有技术中无法真正测量刀尖点振动位移或者 测量系统过于复杂的技术问题。
[0008] 为实现上述目的，本发明提供了一种测量刀尖点振动位移的方法，其特征在于，包 括如下步骤：
[0009] Sl :给机床上刀具刀尖点施加激励以使其振动，同时采集刀尖点和机床主轴上多 个位置点的振动信号以用于计算获得刀尖点和机床主轴上多个位置点的振动加速度频响 函数曲线；
[0010] S2 :根据步骤Sl的振动加速度频响函数曲线计算获得机床主轴上所述多个位置 点分别与所述刀尖点之间的振动位移传导函数；
[0011] S3:测量获得所述刀尖点和所述多个位置点在持续振动时候的实际振动位移，并 根据多个位置点的振动位移以及步骤S2中所述振动位移传导函数，计算获得刀尖点的多 个振动位移计算值，以用于挑选出与所述刀尖点实际振动位移最接近的最佳计算值，进而 选择获得与该最佳计算值对应的最佳振动位移传导函数，以及与该最佳振动位移传导函数 所对应的机床主轴上的最佳位置点；
[0012] S4:测量实际加工过程中所述最佳位置点的振动位移，根据该振动位移和最佳振 动位移传导函数计算获得实际加工过程中刀尖点的振动位移。
[0013] 进一步的，步骤S2具体过程包括：
[0014] 首先，根据步骤Sl的刀尖点和机床主轴上多个位置点的振动加速度频响函数曲 线分别拟合得到刀尖点和主轴上多个位置点的振动加速度频响函数的数学表达式；
[0015] 再次，根据振动加速度频响函数和振动位移频响函数的数学关系，由所述刀尖点 和主轴上多个位置点的振动加速度频响函数的数学表达式计算得到所述刀尖点和主轴上 多个位置点的振动位移频响函数；
[0016] 最后，将主轴上多个位置点的振动位移频响函数分别除刀尖点的振动位移频响函 数就可获得所述主轴上多个位置点分别与所述刀尖点之间的多个振动位移传导函数。
[0017] 进一步的，步骤S3,采用多个振动位移传导函数乘以各自对应的主轴位置点的振 动位移从而计算获得刀尖点振动位移的多个计算值；
[0018] 步骤S4中，由实际加工过程中最佳位置点的振动位移与最佳振动位移传导函数 计算获得实际加工过程中刀尖点的振动位移。
[0019] 进一步的，步骤Sl中所述多个主轴位置点位于机床主轴的X，Y方向上，且沿机床 主轴轴向等间距分布。
[0020] 进一步的，步骤S3中采用激振器持续激励刀尖点以使所述刀尖点和所述机床主 轴上多个位置点产生持续振动。
[0021] 进一步的，步骤S3,采用激光位移传感器测量所述刀尖点和所述主轴上多个位置 点的振动位移。
[0022] 进一步的，步骤Sl中，采用力锤敲击刀尖点，并采集力锤的力信号，用于计算获得 刀尖点和主轴上多个位置点的振动加速度频响函数曲线时使用。
[0023] 进一步的，步骤Sl中，在刀尖点和机床主轴上多个位置点处安装振动加速度传感 器采集振动加速度信号，用于计算获得刀尖点和主轴上多个位置点的振动加速度频响函数 曲线时使用。
[0024] 本发明中，通过测量机床主轴上最佳位置点S的振动位移来间接得到刀尖点T的 振动位移，具体原理是：当切削力F作用于刀尖点时，刀尖点T和主轴上点S的位移响应分 别为DT(co)和D s(O)，那么刀尖点T和主轴上点S的频响函数分别为Gtt(O) = DT(co)/ F(〇)，Gts (ω) = Ds (〇)/F(〇)，进而可以得到刀尖点T和主轴上点S位移响应的关系为 DT(〇)/Ds(〇) = GTT(〇)/GTS(〇)，所以刀尖点T的位移响应可以由主轴上点S的位移响应 表示为D T(〇) =Ds(〇)*GTT(〇)/GTS(〇)。由于Gtt(Q)和G TS(〇)均只取决于系统本身的 特性而与外部输入无关，因此刀尖点T和主轴上点S振动位移的关系只取决于系统本身的 特性而与外部输入无关，以上从理论上证明了通过主轴上一点来间接测量获得刀尖点振动 位移的可行性。
[0025] 总体而言，本发明所构思的以上技术方案具有以下有益效果：
[0026] 1、本发明方法测量的是加工过程中真正的刀尖点的振动位移，而不是通过模型获 得仿真的刀尖点振动位移，也不是以刀杆位移或者是整个刀具的振动位移来代替刀尖点的 振动位移，因此，本发明方法相比现有的其他方法更为准确。
[0027] 2、本发明方法中，刀尖点与机床主轴上最佳位置点的振动位移传导函数是通过力 锤敲击实验获得的，该方法避免了复杂的有限元建模，简单方便，结果可靠。
[0028] 3、通过在机床主轴上多个位置点中择优选择出最佳位置点，可保证刀尖点与最佳 位置点间的振动位移传导函数的准确性，最终保证了刀尖点振动位移的准确性。
[0029] 4、已有的获得刀尖点振动位移的方法需要改变主轴、刀柄或者传感