一种基于切削激励的数控机床频响函数获取方法

文档序号:6304781阅读:302来源:国知局
一种基于切削激励的数控机床频响函数获取方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于切削激励的数控机床频响函数获取方法,该方法包括:利用机床切削加工工程中产生的随机切削力激励机床结构;利用传感器测量所需要获得频响函数部位的振动响应信号;建立切削力模型,并且根据转速变化对切削力的影响,采用修正函数对切削力模型进行修正;确定切削力计算模型中的系数,并且根据实验拟合修正函数;根据计算得到的切削力和测量得到的振动响应,获得机床结构的频响函数,并将计算得到的频响函数进行曲线拟合,消除噪声,得到最终的频响函数。按照本发明,能够获得辨识结果更加精确可靠的机床在运行状态下的动力学特性通过得到的频响函数从而可以进行机床结构优化设计和机床状态监测等。
【专利说明】 一种基于切削激励的数控机床频响函数获取方法
【技术领域】
[0001]本发明属于数控装备结构的动力学分析领域,尤其涉及一种基于切削激励的数控机床频响函数获取方法。
【背景技术】
[0002]机床的动力学特性对于改善其加工性能和结构设计至关重要。目前获得机床结构动力学特性主要是基于强迫振动的实验模态分析法。该方法的主要特点是对机床结构施加特定的激励力,并同时测量该激励力和机床结构的振动响应以获得频响函数,用频响函数来表征机床结构的动力学特性。
[0003]然而,上述方法只能获得结构处于静止状态下的频响函数。大量研究证明,机床结构在工作状态下的动力学特性会发生变化,而在机床结构优化设计和机床状态监测等实际应用当中,人们更多关注的是机床在工作状态下的动力学特性。
[0004]近些年发展起来的工作模态分析法仅通过测量机床结构在工作状态的振动响应来辨识机床结构的模态参数,然而,在实际的工作模态分析中,由于输入力是未知的,无法直接获得机床结构的频响函数。

【发明内容】

[0005]针对现有技术的缺陷,本发明的目的在于提供一种基于切削激励的数控机床频响函数获取方法,通过利用机床切削加工时产生的切削力激励机床,根据计算得到的激励力和测量得到的振动响应,合成机床在工作状态下的频响函数。通过计算得到激励力,不仅可以节省昂贵的设备费用和测量时间,而且由于该激励力的计算中运用到了经过实际实验拟合的参数,因此实验结果可靠且具有实际的参考意义。
[0006]按照本发明的一个方面,提供了一种基于切削激励的数控机床频响函数获取方法,该方法包括如下步骤:
[0007](I)获得数控机床在切削加工中的振动响应输出信号
[0008]将传感器设置于机床目标部位,启动机床切削加工,利用机床切削加工中产生的随机切削力激励机床结构,传感器测量在切削力激励下的机床目标部位的X/Y/Z三向振动响应信号X (t);
[0009](2)获得数控机床在切削加工中的激励输入的切削力信号
[0010]采用经典瞬时刚性力模型建立切削加工过程中产生的X/Y/Z三向的以Φ为变量的随机切削力函数,其中Φ为切削刀具在时刻t的瞬时切削角;
[0011]根据步骤(I)中实际加工过程中的切削参数确定随机切削力函数中的系数;
[0012]改变机床切削加工的主轴转速,多次测量不同转速下加工工件的切削力,采用多项式数值拟合获得转速V的X/Y/Z三向的修正函数a (V);
[0013]采用转速修正函数a(v)与随机切削力函数相乘获得修正后的切削力函数,该函数为激励输入的切削力信号;[0014](3)根据步骤⑴的输出信号与步骤(2)的输入信号获得频响函数
[0015]根据步骤(2)的修正后的切削力函数计算时刻t在转速为V下对应的切削转角为Φ的X/Y/Z三向切削力,并且根据步骤(1)中测量得到的振动响应信号x(t),获得频响函数,对上述频响函数进行曲线拟合和消噪处理,得到机床切削加工中的频响函数。
[0016]本发明具有以下的优点和技术效果:
[0017]本发明可以很好的在无需外加激励条件下,利用机床切削加工工程中产生的随机切削对机床结构进行激励,然后根据计算得到的激励力和测量得到的振动响应,合成机床在工作状态下的频响函数。
【专利附图】

【附图说明】
[0018]图1为本发明中获得频响函数的流程图;
[0019]图2为本发明中切削力模型示意图;
[0020]图3为本发明中计算得到X方向切削力示意图;
[0021]图4为本发明中计算得到的频响函数曲线;
[0022]图5为本发明中优化得到的最终的频响函数曲线和实测的频响函数曲线对比图。【具体实施方式】
[0023]本实施例中优选以 XHK5140型立式加工中心为例对本发明的方法进行说明。
[0024]本实施例的工作状态下的数控机床频响函数合成方法包括以下步骤,其中图1反映了本发明频响函数的流程图:
[0025](I)获得数控机床在切削加工中的振动响应输出信号
[0026]选用合适的切削激励方案,如控制主轴随机转动切削工件、切削随机形貌的工件等,通过产生的切削力激励机床。本实施例中采用控制主轴随机转动切削窄凸台工件方式激励机床;利用加速度传感器测量机床工作台、主轴箱、主轴头或刀架等关键部位的振动响应信号x(t);
[0027](2)获得数控机床在切削加工中的激励输入的切削力信号
[0028]采用经典瞬时刚性力模型建立切削加工过程中产生的X/Y/Z三向的以Φ为变量的随机切削力函数,其中Φ为切削刀具在时刻t的瞬时切削角;
[0029]Ft ( Φ) = K tcah ( Φ) +Ktea,
[0030]Fr ( Φ) = Krcah ( Φ) +Krea,
[0031]Ρ?(Φ) = Kacah ( Φ)+Kaea (I)
[0032]Fx ( Φ) = -Ftcos Φ -Frsin,
[0033]Fy ( Φ) = Ftsin Φ-Frcos Φ,
[0034]Fz ( Φ) = Fa (2)
[0035]其中Ft((t),Fr((t),Κ(Φ),Fx((t),&(Φ),Fz((t)分别表示切向、径向、轴向、X方向、Y方向和Z方向切削分力;
[0036]Ktc, Krc, Kac分别为切向、径向和轴向的切削力系数;
[0037]Kte, Kre, Kae为切削刃系数;
[0038]φ为刀刃的瞬时切削角,其为时间t的函数;[0039]a为轴向切深;
[0040]1ι(Φ)为瞬时切削厚度。
[0041]根据图2所示的切削模型,可以得到
[0042]h ( Φ) =c sin Φ(3)
[0043]其中c为进给量(mm/转/齿)。
[0044]根据步骤(1)中的实际加工过程中的切削参数确定切削力计算模型中的系数,其中轴向切深a = 1.2mm,进给量c = 0.1mm/转/齿,切削宽度b = 4mm,刀具直径为80mm,切削齿数为1,切削厚度式⑶得到;确定切削力系数1。,1(?,1^和切削刃系数1^,1^,1^。通过典型材料切削力系数表(刀具材料为硬质合金)查得:Kt。= 1977.3N/mm2,Krc = 760N/mm2, Kac = 83N/mm2, Kte = 109.5N/mm, Kre = 167.9N/mm, Kae = 19.4N/mm ;
[0045]改变机床切削加工的主轴转速,多次测量不同转速下加工工件的切削力,采用多项式数值拟合获得转速V的X/Y/Z三向的修正函数a (V):
[0046]ΡΧ(Φ) = (-FtCos Φ -Frsin Φ) avx,
[0047]Fy ( Φ) = (Ftsin Φ-Frcos Φ) a/,
[0048]Fz (Φ) = Faavz(4)
[0049]由于av是考虑转速变化对切削力影响的修正系数,因此av是转速的函数,。通过测量不同转速下加工工件的切削力,采用多项式函数或分段函数进行数值上的拟合,可以得出这一函数关系。
[0050]通过测量不同切削速度下的切削力数据,获得X方向av对切削速度V的函数为:avx = 0.0006832v+1.074,Y/Z方向的修正函数的计算方式类似,通过式(4)计算得到三个方向的切削力,其中X方向切削力如图3所示。
[0051](3)根据步骤(1)的输出信号与步骤(2)的输入信号获得频响函数
[0052]根据计算得到的切削力和测量得到的振动响应,利用式(5)获得机床结构的频响函数如图4。
【权利要求】
1.一种基于切削激励的数控机床频响函数获取方法,其特征在于,该方法包括如下步骤: (1)获得数控机床在切削加工中的振动响应输出信号 将传感器设置于机床目标部位,启动机床切削加工,利用机床切削加工中产生的随机切削力激励机床结构,传感器测量在切削力激励下的机床目标部位的X/Y/Z三向振动响应信号x(t); (2)获得数控机床在切削加工中的激励输入的切削力信号 采用经典瞬时刚性力模型建立切削加工过程中产生的X/Y/Z三向的以Φ为变量的随机切削力函数,其中Φ为切削刀具的时刻t的瞬时切削角; 根据步骤(I)中实际加工过程中的切削参数确定随机切削力函数中的系数; 改变机床切削加工的主轴转速,多次测量不同转速下加工工件的切削力,采用多项式数值拟合获得转速V的X/Y/Z三向的修正函数a (V); 采用转速修正函数a(v)与随机切削力函数相乘获得修正后的切削力函数,该函数为激励输入的切削力信号; (3)根据步骤(I)的输出信号与步骤(2)的输入信号获得频响函数 根据步骤(2)的修正后的切削力函数计算在转速为V下,时刻t对应的切削转角为Φ的X/Y/Z三向切削力,并且根据步骤(I)中测量得到的振动响应信号x(t),获得频响函数,对上述频响函数进行曲线拟合和消噪处理,得到机床切削加工中的频响函数。
【文档编号】G05B19/18GK103970065SQ201410168213
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年4月24日 优先权日:2014年4月24日
【发明者】李斌, 毛新勇, 蔡辉, 闫睿智, 罗博, 张译寒, 刘响求, 潘大为, 彭芳瑜 申请人:华中科技大学
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