专利名称：主轴-刀柄结合面非线性动态特性参数识别方法
技术领域：
本发明属于机械结构的结合面技术领域，尤其涉及一种主轴-刀柄结合面非线性动态特性参数识别方法。
背景技术：
主轴-刀柄系统是数控机床的核心部件之一，其动力学特性直接影响切削稳定性、加工精度、表面粗糙度和生产效率。在主轴-刀柄系统动力学分析中，通常是通过测试及参数辨识以识别结合面动力学参数，进而进行主轴-刀柄系统动态特性分析。主轴-刀柄结合面对主轴系统动力学特性有着非常显著的影响，目前普遍采用线性分析模型进行近似模拟。随着机床性能向高转速、高精度方向发展，这种近似模拟的方法存在较大的分析误差，难以满足高速高性能主轴-刀柄系统动力学分析要求。主轴与刀柄的设计通常采用了非对称结构，比如HSKA型刀柄锥柄端面设有两个深度不一致的驱动键槽、拉杆机构中的螺纹联接结构、单刃刀片结构、侧边紧固螺钉结构等，以及制造、装配过程产生的加工误差，主轴-刀柄系统中存在不可避免的偏心质量。当主轴高速旋转时，偏心质量成为主要的激振源，使整个主轴-刀柄系统产生振动，从而导致主轴和刀柄的弹性结合面处呈现出非常复杂的非线性特性。主轴-刀柄结合面等弹性连接导致的非线性特性是高速切削时产生颤振的一个主要来源，为了准确分析主轴-刀柄系统的动态性能，尽量避免颤振的产生，需要建立主轴-刀柄系统的动力学模型,而主轴-刀柄结合面的参数识别是主轴-刀柄系统动力学精确建模的关键问题。现有的技术中，只提出了适用于识别问题主轴与刀柄结合面的线性动态特性参数的解决办法，例如中国专利申请号为:201110061668.3，发明名称为:主轴与刀柄结合面静动态特性试验装置及试验方法，该专利申请提出了一种主轴与刀柄结合面静动态特性的试验方法，该方法可识别主轴与刀柄结合面的线性刚度及线性阻尼，但该发明仅适用于识别主轴与刀柄结合面的线性动态特性参数；中国专利申请号为:201010298969.3，发明名称为:滚动导轨结合面动态特性参数识别系统及识别方法，该专利申请提出了一种滚动导轨结合面动态特性参数识别系统及控制方法，可完成法向和切向结合面参数的识别，该发明也仅适用于识别结合面的线性动态特性参数。以上的方案都未能有效的解决由于主轴-刀柄系统的非线性问题所造成的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可识别主轴-刀柄结合面非线性动态特性参数的方法。为达到上述目的，本发明的解决方案是:一种主轴-刀柄结合面非线性动态特性参数识别方法，包括以下步骤，(I)建立主轴-刀柄的有限元分析模型；(2)检验主轴-刀柄有限元分析模型是否正确，若确认无误，转入步骤(4)，若确认存在差异，转入步骤(3);(3)修正所述主轴-刀柄有限元分析模型，并转入步骤(2)继续检测；(4)对检验后的主轴-刀柄系统有限元模型进行非线性瞬态响应分析处理，以获取主轴-刀柄结合面处的相对瞬态位移、相对瞬态速度以及径向非线性接触力/( )、切向非线性接触力/O，j>)的历程数据的样本数据；(5)依据非线性振动系统中/(Xj)、/CF汐)一般表达式，采用非参数化方法对所述样本数据进行回归分析，建立主轴-刀柄结合面非线性接触力/Ovt)、/(.V，彡，)的解析表达模型。所述步骤(2)中，包括以下步骤，(a)对所述主轴-刀柄的有限元分析模型进行自由模态分析，计算有限元分析模型的固有频率；(b)将有限元分析模型的固有频率与自由模态实验得到主轴-刀柄系统的固有频率进行对比，如存在差异转入步骤(3 );若确认无误，转入步骤(4 )。所述步骤(b)中，采用弹性绳悬挂主轴-刀柄的实验模型，使用锤击法进行自由模态实验，以获取自由模态实验下的主轴-刀柄系统的固有频率。步骤(3)中，通过调整有限元模型网格大小和结合面的摩擦系数参数修正所述有限元模型。步骤(4)中，所述历程数据的取得包括以下步骤，( I )对修正后的主轴-刀柄系统有限元模型进行非线性瞬态响应分析，得到主轴-刀柄结合面相对瞬态位移、相对瞬态速度及相对瞬态加速度的时间历程数据；(II)结合相对瞬态加速度的历程数据分析主轴-刀柄简化非线性振动系统中刀柄的运动方程，以获得和/(>，，j)的时间历程数据。所述步骤(II )中，取刀柄质量块M1为受力分析对象，根据牛顿第二运动定律，所述主轴-刀柄简化非线性振动系统中刀柄的运动方程变形为
权利要求
1.一种主轴-刀柄结合面非线性动态特性参数识别方法，其特征在于:包括以下步骤， (1)建立主轴-刀柄的有限元分析模型； (2)检验主轴-刀柄有限元分析模型是否正确，若确认无误，转入步骤(4)，若确认存在差异，转入步骤(3); (3)修正所述主轴-刀柄有限元分析模型，并转入步骤(2)继续检测； (4)对检验后的主轴-刀柄系统有限元模型进行非线性瞬态响应分析处理，以获取主轴-刀柄结合面处的相对瞬态位移、相对瞬态速度以及径向非线性接触力/U，x)、切向非线性接触力/0，Λ的历程数据的样本数据； (5)依据非线性振动系统中/(x，x)、/(兄另一般表达式，采用非参数化方法对所述样本数据进行回归分析，建立主轴-刀柄结合面非线性接触力f 、/O，J;)的解析表达模型。
2.根据权利要求1主轴-刀柄结合面非线性动态特性参数识别方法，其特征在于:所述步骤(2)中，包括以下步骤， Ca)对所述主轴-刀柄的有限元分析模型进行自由模态分析，计算有限元分析模型的固有频率； (b)将有限元分析模型的固有频率与自由模态实验得到主轴-刀柄系统的固有频率进行对比，如存在差异转入步骤(3 );若确认无误，转入步骤(4 )。
3.根据权利要求2主轴-刀柄结合面非线性动态特性参数识别方法，其特征在于:所述步骤(b)中，采用弹性绳悬挂主轴-刀柄的实验模型，使用锤击法进行自由模态实验，以获取自由模态实验下的主轴-刀柄系统的固有频率。
4.根据权利要求1主轴-刀柄结合面非线性动态特性参数识别方法，其特征在于:步骤(3)中，通过调整有限元模型网格大小和结合面的摩擦系数参数修正所述有限元模型。
5.根据权利要求1主轴-刀柄结合面非线性动态特性参数识别方法，其特征在于:步骤(4)中，所述历程数据的取得包括以下步骤， (I )对修正后的主轴-刀柄系统有限元模型进行非线性瞬态响应分析，得到主轴-刀柄结合面相对瞬态位移、相对瞬态速度及相对瞬态加速度的时间历程数据； (II)结合相对瞬态加速度的历程数据分析主轴-刀柄简化非线性振动系统中刀柄的运动方程，以获得/仁句和/Cf,>)的时间历程数据。
6.根据权利要求5主轴-刀柄结合面非线性动态特性参数识别方法，其特征在于:所述步骤(II)中，取刀柄质量块M1为受力分析对象，根据牛顿第二运动定律，所述主轴-刀柄简化非线性振动系统中刀柄的运动方程变形为
7.根据权利要求1主轴-刀柄结合面非线性动态特性参数识别方法，其特征在于:所述步骤(4)中，以一定的时间间距从所述相对瞬态位移、相对瞬态速度、/(U)以及/(Jj)的时间历程数据中取出一定数量的样本数据，即 Xt = X、tk), Xt = x(ik), fk (X,.t) = f(x(tk), x(ik)) Λ = y(h )，yk = Kh), fk (v, y) = f(y(tk )，y(tk)) 其中，tk为时间间距，Xk、yk为位移样本点，xk,yk为速度样本点，y；(x，.t) 、fk{y,y)为非线性接触力样本点。
8.根据权利要求1主轴-刀柄结合面非线性动态特性参数识别方法，其特征在于:所述步骤(5)中，非线性振动系统中/(λ 、/0.，j)一般表达式为，
9.根据权利要求1主轴-刀柄结合面非线性动态特性参数识别方法，其特征在于:步骤(5)中，依据/(x，i)、/(7，j)一般表达式，基于最小二乘法及切比雪夫多项式的非参数化方法分析所述样本数据，建立主轴-刀柄结合面非线性接触力/仁幻及/iv，j)的解析表达模型，即
10.根据权利要求1主轴-刀柄结合面非线性动态特性参数识别方法，其特征在于:所述步骤(I)中采用Hyper Works有限元分析软件建立所述主轴-刀柄的有限元分析模型。
全文摘要
一种主轴-刀柄结合面动态特性参数识别方法，基于非参数化方法结合有限元分析技术识别主轴-刀柄结合面非线性动态特性参数。具体的，首先建立主轴-刀柄系统的有限元分析模型，对该模型进行非线性瞬态响应分析，得到结合面处位移、速度、加速度的瞬态响应，再根据牛顿第二运动定律推导得出结合面处非线性接触力的时间历程数据，基于非参数化方法利用最小二乘法及切比雪夫多项式对样本数据进行回归分析，最终得到主轴-刀柄结合面之间径向和切向非线性接触力的解析表达模型。此非线性接触力模型可直接应用于主轴-HSK刀柄系统的动力学建模中，为进一步研究主轴-HSK刀柄系统的整体动态特性提供了必要条件。
文档编号G01M7/02GK103196643SQ201310068050
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月4日 优先权日2013年3月4日
发明者刘雪梅, 李爱平, 张正旺, 罗建伟 申请人:同济大学