一种考虑刚度时变的大切除率铣削颤振监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机械加工领域，涉及一种颤振监测方法，具体涉及一种考虑刚度时变 的大切除率铣削颤振监测方法。
【背景技术】
[0002] 加工颤振是影响工件精度的重要因素，建立铣削颤振稳定性动力学模型是进行颤 振监测的第一步。稳定性动力学建模最早由TobiaS、Tlusty在直角车削范围内建立，随后， 研究者扩展了该模型的适用范围，如在铣削、磨削中的应用。该动力学模型经历了从单自由 度建模到多自由度建模、从低速加工到高速加工、建模从时域到频域和时频域、切削影响因 素维度从二维到三维的发展。需要注意的是，在大材料去除率铣削至薄壁后，工件刚度呈时 变减小趋势，刀具一工件系统动力学特性变差并导致颤振的加剧，传统的铣削颤振监测会 出现误差，特别是高速及去除率达90%的加工过程，这种误差将不可忽略。
【发明内容】
[0003] 本发明针对上述问题提供一种考虑刚度时变的大切除率铣削颤振监测方法，从考 虑刚度时变的影响因素出发，建立刀具一工件耦合系统时变传递函数模型，进而搭建在线 监测系统进行时变耦合传递函数的测量，然后将在线测量的时变传递函数代入建立的铣削 颤振稳定性动力学模型，最终基于模型计算结果提出颤振优化加工参数控制指导方案。
[0004] 为了达到上述目的，本发明所述的一种考虑刚度时变的大切除率铣削颤振监测方 法，包括以下步骤： S10 :建立刀具一工件耦合系统时变传递函数模型； S20 :搭建基于时变耦合传递函数测量的在线监测系统； S30 :建立铣削颤振稳定性动力学模型； S40 :提出颤振优化加工参数控制指导方案。
[0005] 特别的，所述刀具一工件耦合系统时变传递函数模型根据如下公式建立：
其中，Hx为刀具一工具耦合系统X向传递函数，m/N;Hy为刀具一工具耦合系统y向传 递函数，m/N ;Hwx为工件X向传递函数，m/N ;Hwy为工件y向传递函数，m/N ;Htx为刀具X 向传递函数，m/N ;Hty为刀具y向传递函数，m/N ;Xwx为工件X轴方向上的位移，m ;Xwy为 工件y轴方向上的位移，m ;Fx为X方向上的切削力，N ;Fy为y方向上的切削力，N。
[0006] 特别的，所述步骤S20具体包括以下步骤： S201 :将主轴的缓慢升速作为步进扫描的正弦激励，采用位移传感器测量工件子系统 x、y向的振动位移信号Xwx、Xwy，测力仪测量刀具子系统x、y向的切削力信号Fx、Fy，代入 公式（1 )，获得Htx、Hty。
[0007] S202:忽略刀具安装误差及切削过程中的微量破损，铣削过程中的刀具子系统为 刚性时不变系统，采用传统的力锤敲击法或正弦扫频实验模态分析方法获得传递函数Hwx、 Hwy〇
[0008] S203 :将所述步骤S201和S202代入公式（1 )，获得刀具一工件耦合系统时变传递 函数值。
[0009] 特别的，所述铣削颤振稳定性动力学模型根据如下公式建立：
其中，aplim为轴向切深；Z为铣刀齿数；A0为动态铣削力系数，无量纲；Kt为切向铣削 力系数，N/m ;n为主轴转速；coc为颤振频率，HZ ; Jr为刀齿在周期T内留在切削表面全部 振纹的整波数；Re [H(j ω) r]为刀具工件耦合系统第r阶传递函数实部，m/N ;Im[H(j ω) r] 为刀具工件耦合系统第r阶传递函数虚部，m/N。
[0010] 特别的，所述步骤S40具体包括以下步骤： S401 :根据所述的公式（2)、（3)，绘制加工参数稳定性图，即可在稳定性图中的稳定性 区域内选择加工参数，提出颤振优化加工参数控制指导方案。
[0011]
【附图说明】
[0012] 图1为本发明一种考虑刚度时变的大切除率铣削颤振监测方法实施例的顺铣位 移关系意图； 图2为本发明一种考虑刚度时变的大切除率铣削颤振监测方法实施例的逆铣位移关 系意图； 图3为本发明一种考虑刚度时变的大切除率铣削颤振监测方法实施例的传递函数在 线监测平台安装示意图； 图4为本发明一种考虑刚度时变的大切除率铣削颤振监测方法实施例的多自由度稳 定性图； 图5为本发明一种考虑刚度时变的大切除率铣削颤振监测方法的流程图。
[0013]
【具体实施方式】
[0014] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进 一步详细说明。
[0015] 将刀具一工件耦合系统简化为以切削力为激励信号，以刀具和工件耦合系统为频 率响应对象的传递函数模型，建立切削过程的刀具、工件位移几何关系，进行传递函数耦 合。
[0016] 由传递函数的物理意义知，工件X、y方向的传递函数Hwx、Hwy表示为
其中，Re[Hwx]、Re[Hwy]和Im[Hwx]、Im[Hwy]为工件在x、y方向上传递函数矩阵的实 部和虚部，m/N ;Xwx、Xwy为X、y轴方向上工件的位移，m ;Fx、Fy为X、y方向上的切削力大 小，N〇
[0017] 对于刀具传递函数Htx、Hty,采用相同的表示方法 X轴
其中，Re[Htx]、Re[Hty]和Im[Htx]、Im[Hty]为刀具在X、y方向上的传递函数的实部 和虚部，m/N ;Xtx、Xty为X、y轴方向上刀具的位移，m。
[0018] 在忽略刀具一工件间刀具磨损、铣削热效应等非线性因素的影响下，根据图1和 图2建立顺铣和逆铣位移方程。
[0019] 顺铣时，刀具和工件间的相对运动可表示为刀具和工件的位移和，在切削力作用 下，两子系统具有相反方向的振动，其相对位移可表示为
逆铣时，两子系统具有相同方向的振动，故
其中，X顺、X逆表示顺纟先和逆纟先时的位移，m ;X顺相对、X逆相对表示顺纟先和逆纟先时的 相对位移，m ;X0表示初始位移，m。
[0020] 即顺铣和逆铣的相对振动量相同，由传递函数和相对运动的关系得系统耦合后的 传递函数值：
其中，Hx为刀具一工具耦合系统X向传递函数，m/N ;Hy为刀具一工具耦合系统y向 传递函数，m/N ;Hwx为工件X向传递函数，m/N ;Hwy为工件y向传递函数，m/N ;Htx为刀具X 向传递函数，m/N ;Hty为刀具y向传递函数，m/N ;Xwx为工件X轴方向上的位移，m ;Xwy为 工件y轴方向上的位移，m ;Fx为X方向上的切削力，N ;Fy为y方向上的切削力，N。
[0021] 搭建如图2所示的基于时变耦合传递函数测量的在线监测系统，在工件底座安装 测力仪测量切削力，保证不影响切削在工件上安装加速度传感器，采用信号采集分析系统 进行数据的采集及传递函数的实时计算。
[0022] 将实时获取的传递函数值代入铣削再生颤振动力学模型，获得稳定性极限aplim 和转速η与传递函数的关系表示如下：
式中，aplim为轴向切深；Ζ为铣刀齿数；Α0为动态铣削力系数，无量纲；Kt为切向铣削 力系数，N/m ;n为主轴转速；ω c为颤振频率，HZ ;Jr为刀齿在周期T内留在切削表面全部 振纹的整波数；Re [H(j ω) r]为刀具工件耦合系统第r阶传递函数实部，m/N ;Im[H(j ω) r] 为刀具工件耦合系统第r阶传递函数虚部，m/N。
[0023] 通过矩阵实验室（Matrix Laboratory,以下简称MATLAB)绘制多自由度稳定性图 (每个自由度下获得一阶曲线)，其中实线、虚线和点划线分别表示第1、2和3阶lobe曲线， 考虑多自由度下的稳定性曲线由三阶lobe曲线的包络线构成，总lobe曲线以粗实线表示， 所示稳定性lobe曲线上方区域为不稳定区，曲线下方至稳定性极限切深线之间的区域为 相对稳定区，稳定性极限切深线下方区域为绝对稳定区。
[0024] 需要说明的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换， 而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
【主权项】
1. 一种考虑刚度时变的大切除率铣削颤振监测方法及系统，其特征在于，包括以下步 骤： S10 :刀具一工件耦合系统时变传递函数模型的建立； S20 :基于时变耦合传递函数测量的在线监测系统搭建； S30 :铣削颤振稳定性动力学模型的建立； S40 :颤振优化加工参数控制指导方案的提出。2. 根据权利要求1所述的铣削加工颤振在线寻优方法，其特征在于，所述刀具一工件 耦合系统时变传递函数模型根据如下公式建立：其中，化为刀具一工具耦合系统X向传递函数，m/N 为刀具一工具耦合系统r向传 递函数，m/N为工件X向传递函数，m/N &为工件向传递函数，m/N 为刀具X向 传递函数，m/N 为刀具向传递函数,m/N 为工件X轴方向上的位移,m 为工件 轴方向上的位移，m 为刀具X轴方向上的位移，m 为刀具r轴方向上的位移，m A为 X方向上的切削力，N 为r方向上的切削力，N。3. 根据权利要求1所述的一种考虑刚度时变的大切除率铣削颤振监测方法及系统，其 特征在于，所述步骤S20具体包括以下步骤： 5201 :将主轴的缓慢升速作为步进扫描的正弦激励，采用位移传感器测量工件子系统 x、_r向的振动位移信号总、及，测力仪测量刀具子系统x、r向的切削力信号/^；、/；，代入公 式（1)，获得凡 5202 :忽略刀具安装误差及切削过程中的微量破损，铣削过程中的刀具子系统为刚性 时不变系统，采用传统的力锤敲击法或正弦扫频实验模态分析方法获得传递函数 5203 :将所述步骤S201和S202代入公式（1)，获得刀具一工件耦合系统时变传递函数 值。4. 根据权利要求1所述的铣削加工颤振在线寻优方法，其特征在于，所述铣削颤振稳 定性动力学模型根据如下公式建立：其中，aplini为轴向切深；Z为铣刀齿数;A。为动态铣削力系数，无量纲;为切向铣削力 系数，N/m 为主轴转速；6^为颤振频率，HZ .Jr为刀齿在周期r内留在切削表面全部振纹 的整波数；Re["C/^)J为刀具工件耦合系统第r阶传递函数实部，为刀 具工件耦合系统第r阶传递函数虚部，m/N。5.根据权利要求1所述的铣削加工颤振在线寻优方法，其特征在于，所述步骤S40具体 包括以下步骤： S401 :根据所述的公式（2)、（3)，绘制加工参数稳定性图，即可在稳定性图中的稳定性 区域内选择加工参数，提出颤振优化加工参数控制指导方案。
【专利摘要】本发明涉及一种考虑刚度时变的大切除率铣削颤振监测方法，用于材料切除率达80%以上的大切除率高精制造领域。监控方法包括以下步骤，S10，刀具—工件耦合系统时变传递函数建模，将传递函数与切削力及位移的关系代入建立的位移方程，获得所述的刀具—工件耦合系统时变传递函数模型；S20，时变耦合传递函数的在线监测测量系统搭建，进行传递函数的实时监测；S30，建立铣削颤振稳定性动力学模型，将所述步骤S20测量的传递函数值代入步骤S30的动力学模型，监测颤振的发生并获得无颤振加工参数范围；S40，根据所述步骤S30，提出颤振优化加工参数控制指导方案。
【IPC分类】B23Q17/12, B23Q15/12, G06F19/00
【公开号】CN105678043
【申请号】
【发明人】蒋永翔, 马骏, 李秋, 朱娜, 张子淼
【申请人】天津职业技术师范大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2014年11月17日