一種考慮剛度時(shí)變的大切除率銑削顫振監(jiān)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)械加工領(lǐng)域，涉及一種顫振監(jiān)測(cè)方法，具體涉及一種考慮剛度時(shí)變 的大切除率銑削顫振監(jiān)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 加工顫振是影響工件精度的重要因素，建立銑削顫振穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)模型是進(jìn)行顫 振監(jiān)測(cè)的第一步。穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)建模最早由TobiaS、Tlusty在直角車(chē)削范圍內(nèi)建立，隨后， 研究者擴(kuò)展了該模型的適用范圍，如在銑削、磨削中的應(yīng)用。該動(dòng)力學(xué)模型經(jīng)歷了從單自由 度建模到多自由度建模、從低速加工到高速加工、建模從時(shí)域到頻域和時(shí)頻域、切削影響因 素維度從二維到三維的發(fā)展。需要注意的是，在大材料去除率銑削至薄壁后，工件剛度呈時(shí) 變減小趨勢(shì)，刀具一工件系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性變差并導(dǎo)致顫振的加劇，傳統(tǒng)的銑削顫振監(jiān)測(cè)會(huì) 出現(xiàn)誤差，特別是高速及去除率達(dá)90%的加工過(guò)程，這種誤差將不可忽略。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明針對(duì)上述問(wèn)題提供一種考慮剛度時(shí)變的大切除率銑削顫振監(jiān)測(cè)方法，從考 慮剛度時(shí)變的影響因素出發(fā)，建立刀具一工件耦合系統(tǒng)時(shí)變傳遞函數(shù)模型，進(jìn)而搭建在線 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)變耦合傳遞函數(shù)的測(cè)量，然后將在線測(cè)量的時(shí)變傳遞函數(shù)代入建立的銑削 顫振穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)模型，最終基于模型計(jì)算結(jié)果提出顫振優(yōu)化加工參數(shù)控制指導(dǎo)方案。
[0004] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的一種考慮剛度時(shí)變的大切除率銑削顫振監(jiān)測(cè)方 法，包括以下步驟： S10 :建立刀具一工件耦合系統(tǒng)時(shí)變傳遞函數(shù)模型； S20 :搭建基于時(shí)變耦合傳遞函數(shù)測(cè)量的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)； S30 :建立銑削顫振穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)模型； S40 :提出顫振優(yōu)化加工參數(shù)控制指導(dǎo)方案。
[0005] 特別的，所述刀具一工件耦合系統(tǒng)時(shí)變傳遞函數(shù)模型根據(jù)如下公式建立：
其中，Hx為刀具一工具耦合系統(tǒng)X向傳遞函數(shù)，m/N;Hy為刀具一工具耦合系統(tǒng)y向傳 遞函數(shù)，m/N ;Hwx為工件X向傳遞函數(shù)，m/N ;Hwy為工件y向傳遞函數(shù)，m/N ;Htx為刀具X 向傳遞函數(shù)，m/N ;Hty為刀具y向傳遞函數(shù)，m/N ;Xwx為工件X軸方向上的位移，m ;Xwy為 工件y軸方向上的位移，m ;Fx為X方向上的切削力，N ;Fy為y方向上的切削力，N。
[0006] 特別的，所述步驟S20具體包括以下步驟： S201 :將主軸的緩慢升速作為步進(jìn)掃描的正弦激勵(lì)，采用位移傳感器測(cè)量工件子系統(tǒng) x、y向的振動(dòng)位移信號(hào)Xwx、Xwy，測(cè)力儀測(cè)量刀具子系統(tǒng)x、y向的切削力信號(hào)Fx、Fy，代入 公式（1 )，獲得Htx、Hty。
[0007] S202:忽略刀具安裝誤差及切削過(guò)程中的微量破損，銑削過(guò)程中的刀具子系統(tǒng)為 剛性時(shí)不變系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的力錘敲擊法或正弦掃頻實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法獲得傳遞函數(shù)Hwx、 Hwy〇
[0008] S203 :將所述步驟S201和S202代入公式（1 )，獲得刀具一工件耦合系統(tǒng)時(shí)變傳遞 函數(shù)值。
[0009] 特別的，所述銑削顫振穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)模型根據(jù)如下公式建立：
其中，aplim為軸向切深；Z為銑刀齒數(shù)；A0為動(dòng)態(tài)銑削力系數(shù)，無(wú)量綱；Kt為切向銑削 力系數(shù)，N/m ;n為主軸轉(zhuǎn)速；coc為顫振頻率，HZ ; Jr為刀齒在周期T內(nèi)留在切削表面全部 振紋的整波數(shù)；Re [H(j ω) r]為刀具工件耦合系統(tǒng)第r階傳遞函數(shù)實(shí)部，m/N ;Im[H(j ω) r] 為刀具工件耦合系統(tǒng)第r階傳遞函數(shù)虛部，m/N。
[0010] 特別的，所述步驟S40具體包括以下步驟： S401 :根據(jù)所述的公式（2)、（3)，繪制加工參數(shù)穩(wěn)定性圖，即可在穩(wěn)定性圖中的穩(wěn)定性 區(qū)域內(nèi)選擇加工參數(shù)，提出顫振優(yōu)化加工參數(shù)控制指導(dǎo)方案。
[0011]
【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1為本發(fā)明一種考慮剛度時(shí)變的大切除率銑削顫振監(jiān)測(cè)方法實(shí)施例的順銑位 移關(guān)系意圖； 圖2為本發(fā)明一種考慮剛度時(shí)變的大切除率銑削顫振監(jiān)測(cè)方法實(shí)施例的逆銑位移關(guān) 系意圖； 圖3為本發(fā)明一種考慮剛度時(shí)變的大切除率銑削顫振監(jiān)測(cè)方法實(shí)施例的傳遞函數(shù)在 線監(jiān)測(cè)平臺(tái)安裝示意圖； 圖4為本發(fā)明一種考慮剛度時(shí)變的大切除率銑削顫振監(jiān)測(cè)方法實(shí)施例的多自由度穩(wěn) 定性圖； 圖5為本發(fā)明一種考慮剛度時(shí)變的大切除率銑削顫振監(jiān)測(cè)方法的流程圖。
[0013]
【具體實(shí)施方式】
[0014] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn) 一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0015] 將刀具一工件耦合系統(tǒng)簡(jiǎn)化為以切削力為激勵(lì)信號(hào)，以刀具和工件耦合系統(tǒng)為頻 率響應(yīng)對(duì)象的傳遞函數(shù)模型，建立切削過(guò)程的刀具、工件位移幾何關(guān)系，進(jìn)行傳遞函數(shù)耦 合。
[0016] 由傳遞函數(shù)的物理意義知，工件X、y方向的傳遞函數(shù)Hwx、Hwy表示為
其中，Re[Hwx]、Re[Hwy]和Im[Hwx]、Im[Hwy]為工件在x、y方向上傳遞函數(shù)矩陣的實(shí) 部和虛部，m/N ;Xwx、Xwy為X、y軸方向上工件的位移，m ;Fx、Fy為X、y方向上的切削力大 小，N〇
[0017] 對(duì)于刀具傳遞函數(shù)Htx、Hty,采用相同的表示方法 X軸
其中，Re[Htx]、Re[Hty]和Im[Htx]、Im[Hty]為刀具在X、y方向上的傳遞函數(shù)的實(shí)部 和虛部，m/N ;Xtx、Xty為X、y軸方向上刀具的位移，m。
[0018] 在忽略刀具一工件間刀具磨損、銑削熱效應(yīng)等非線性因素的影響下，根據(jù)圖1和 圖2建立順銑和逆銑位移方程。
[0019] 順銑時(shí)，刀具和工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可表示為刀具和工件的位移和，在切削力作用 下，兩子系統(tǒng)具有相反方向的振動(dòng)，其相對(duì)位移可表示為
逆銑時(shí)，兩子系統(tǒng)具有相同方向的振動(dòng)，故
其中，X順、X逆表示順纟先和逆纟先時(shí)的位移，m ;X順相對(duì)、X逆相對(duì)表示順纟先和逆纟先時(shí)的 相對(duì)位移，m ;X0表示初始位移，m。
[0020] 即順銑和逆銑的相對(duì)振動(dòng)量相同，由傳遞函數(shù)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的關(guān)系得系統(tǒng)耦合后的 傳遞函數(shù)值：
其中，Hx為刀具一工具耦合系統(tǒng)X向傳遞函數(shù)，m/N ;Hy為刀具一工具耦合系統(tǒng)y向 傳遞函數(shù)，m/N ;Hwx為工件X向傳遞函數(shù)，m/N ;Hwy為工件y向傳遞函數(shù)，m/N ;Htx為刀具X 向傳遞函數(shù)，m/N ;Hty為刀具y向傳遞函數(shù)，m/N ;Xwx為工件X軸方向上的位移，m ;Xwy為 工件y軸方向上的位移，m ;Fx為X方向上的切削力，N ;Fy為y方向上的切削力，N。
[0021] 搭建如圖2所示的基于時(shí)變耦合傳遞函數(shù)測(cè)量的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在工件底座安裝 測(cè)力儀測(cè)量切削力，保證不影響切削在工件上安裝加速度傳感器，采用信號(hào)采集分析系統(tǒng) 進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及傳遞函數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算。
[0022] 將實(shí)時(shí)獲取的傳遞函數(shù)值代入銑削再生顫振動(dòng)力學(xué)模型，獲得穩(wěn)定性極限aplim 和轉(zhuǎn)速η與傳遞函數(shù)的關(guān)系表示如下：
式中，aplim為軸向切深；Ζ為銑刀齒數(shù)；Α0為動(dòng)態(tài)銑削力系數(shù)，無(wú)量綱；Kt為切向銑削 力系數(shù)，N/m ;n為主軸轉(zhuǎn)速；ω c為顫振頻率，HZ ;Jr為刀齒在周期T內(nèi)留在切削表面全部 振紋的整波數(shù)；Re [H(j ω) r]為刀具工件耦合系統(tǒng)第r階傳遞函數(shù)實(shí)部，m/N ;Im[H(j ω) r] 為刀具工件耦合系統(tǒng)第r階傳遞函數(shù)虛部，m/N。
[0023] 通過(guò)矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory,以下簡(jiǎn)稱(chēng)MATLAB)繪制多自由度穩(wěn)定性圖 (每個(gè)自由度下獲得一階曲線)，其中實(shí)線、虛線和點(diǎn)劃線分別表示第1、2和3階lobe曲線， 考慮多自由度下的穩(wěn)定性曲線由三階lobe曲線的包絡(luò)線構(gòu)成，總lobe曲線以粗實(shí)線表示， 所示穩(wěn)定性lobe曲線上方區(qū)域?yàn)椴环€(wěn)定區(qū)，曲線下方至穩(wěn)定性極限切深線之間的區(qū)域?yàn)?相對(duì)穩(wěn)定區(qū)，穩(wěn)定性極限切深線下方區(qū)域?yàn)榻^對(duì)穩(wěn)定區(qū)。
[0024] 需要說(shuō)明的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)上述說(shuō)明加以改進(jìn)或變換， 而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種考慮剛度時(shí)變的大切除率銑削顫振監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)，其特征在于，包括以下步 驟： S10 :刀具一工件耦合系統(tǒng)時(shí)變傳遞函數(shù)模型的建立； S20 :基于時(shí)變耦合傳遞函數(shù)測(cè)量的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)搭建； S30 :銑削顫振穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)模型的建立； S40 :顫振優(yōu)化加工參數(shù)控制指導(dǎo)方案的提出。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的銑削加工顫振在線尋優(yōu)方法，其特征在于，所述刀具一工件 耦合系統(tǒng)時(shí)變傳遞函數(shù)模型根據(jù)如下公式建立：其中，化為刀具一工具耦合系統(tǒng)X向傳遞函數(shù)，m/N 為刀具一工具耦合系統(tǒng)r向傳 遞函數(shù)，m/N為工件X向傳遞函數(shù)，m/N &為工件向傳遞函數(shù)，m/N 為刀具X向 傳遞函數(shù)，m/N 為刀具向傳遞函數(shù),m/N 為工件X軸方向上的位移,m 為工件 軸方向上的位移，m 為刀具X軸方向上的位移，m 為刀具r軸方向上的位移，m A為 X方向上的切削力，N 為r方向上的切削力，N。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮剛度時(shí)變的大切除率銑削顫振監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)，其 特征在于，所述步驟S20具體包括以下步驟： 5201 :將主軸的緩慢升速作為步進(jìn)掃描的正弦激勵(lì)，采用位移傳感器測(cè)量工件子系統(tǒng) x、_r向的振動(dòng)位移信號(hào)總、及，測(cè)力儀測(cè)量刀具子系統(tǒng)x、r向的切削力信號(hào)/^；、/；，代入公 式（1)，獲得凡 5202 :忽略刀具安裝誤差及切削過(guò)程中的微量破損，銑削過(guò)程中的刀具子系統(tǒng)為剛性 時(shí)不變系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的力錘敲擊法或正弦掃頻實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法獲得傳遞函數(shù) 5203 :將所述步驟S201和S202代入公式（1)，獲得刀具一工件耦合系統(tǒng)時(shí)變傳遞函數(shù) 值。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的銑削加工顫振在線尋優(yōu)方法，其特征在于，所述銑削顫振穩(wěn) 定性動(dòng)力學(xué)模型根據(jù)如下公式建立：其中，aplini為軸向切深；Z為銑刀齒數(shù);A。為動(dòng)態(tài)銑削力系數(shù)，無(wú)量綱;為切向銑削力 系數(shù)，N/m 為主軸轉(zhuǎn)速；6^為顫振頻率，HZ .Jr為刀齒在周期r內(nèi)留在切削表面全部振紋 的整波數(shù)；Re["C/^)J為刀具工件耦合系統(tǒng)第r階傳遞函數(shù)實(shí)部，為刀 具工件耦合系統(tǒng)第r階傳遞函數(shù)虛部，m/N。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銑削加工顫振在線尋優(yōu)方法，其特征在于，所述步驟S40具體 包括以下步驟： S401 :根據(jù)所述的公式（2)、（3)，繪制加工參數(shù)穩(wěn)定性圖，即可在穩(wěn)定性圖中的穩(wěn)定性 區(qū)域內(nèi)選擇加工參數(shù)，提出顫振優(yōu)化加工參數(shù)控制指導(dǎo)方案。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種考慮剛度時(shí)變的大切除率銑削顫振監(jiān)測(cè)方法，用于材料切除率達(dá)80%以上的大切除率高精制造領(lǐng)域。監(jiān)控方法包括以下步驟，S10，刀具—工件耦合系統(tǒng)時(shí)變傳遞函數(shù)建模，將傳遞函數(shù)與切削力及位移的關(guān)系代入建立的位移方程，獲得所述的刀具—工件耦合系統(tǒng)時(shí)變傳遞函數(shù)模型；S20，時(shí)變耦合傳遞函數(shù)的在線監(jiān)測(cè)測(cè)量系統(tǒng)搭建，進(jìn)行傳遞函數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；S30，建立銑削顫振穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)模型，將所述步驟S20測(cè)量的傳遞函數(shù)值代入步驟S30的動(dòng)力學(xué)模型，監(jiān)測(cè)顫振的發(fā)生并獲得無(wú)顫振加工參數(shù)范圍；S40，根據(jù)所述步驟S30，提出顫振優(yōu)化加工參數(shù)控制指導(dǎo)方案。
【IPC分類(lèi)】B23Q17/12, B23Q15/12, G06F19/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105678043
【申請(qǐng)?zhí)枴?br>【發(fā)明人】蔣永翔, 馬駿, 李秋, 朱娜, 張子淼
【申請(qǐng)人】天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年6月15日
【申請(qǐng)日】2014年11月17日