專利名稱：：一種大型數控機床工藝可靠性的評估方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及數控裝備工藝可靠性評估
技術領域：
，具體是一種面向大型數控機床工藝可靠性的評估方法。
背景技術：
：數控機床工藝可靠性是指在要求規(guī)定期限內和規(guī)定的生產率下保持加工質量和實現(xiàn)機床用途所決定的工藝過程的性能。也就是說，不僅要保證數控機床初始的高精度，而且要在規(guī)定的使用期限內保持其精度、效率和成本，數控機床工藝可靠性關注的是數控機床在加工過程中功能和技術性能的保持性。數控機床工藝可靠性評估技術是一種對數控機床工藝可靠性進行定量化控制的必要手段之一，其主要目的是衡量數控機床是否達到預期的設計目標及使用要求，指出數控機床加工過程中的薄弱環(huán)節(jié)，為改進數控機床的設計、制造、工藝與維護等指明方向。數控機床的可靠性研究最早起源于上世紀70年代的前蘇聯(lián)，前蘇聯(lián)的學者在參數故障模型、工藝可靠性以及用蒙特卡羅法(Monte-Carlo)進行參數可靠性預測等方面，根據數控機床在功能、結構、外載荷等方面的特殊性，建立了數控機床可靠性技術的一些基本理論。當前國內外數控機床可靠性研究的一般思路是現(xiàn)場故障數據的采集和分析，從數控機床的故障診斷分析入手，根據數控機床工作和功能特點，尋找故障模式和原因，提出可靠性改進措施。研究的對象大多數是數量較大的普及類數控機床，現(xiàn)場故障數據采集的途徑是長時間同時跟蹤幾十臺數控機床，為同類數控機床的群體提供了一般的評估方法，基本上屬于基于事件的傳統(tǒng)可靠性方法。這些傳統(tǒng)的可靠性方法對那些大批量生產的機床制造企業(yè)有效，但對數控機床的終端用戶則價值不大。而且，自身重量大、能實現(xiàn)高速高精的復雜形面加工的大型數控機床的數量非常少，且在實際使用時大都是采取保守使用的方式，并沒有按設計時的性能要求使用。因此，大型數控機床的故障并不能在有限時間內充分發(fā)現(xiàn)，大型數控機床可靠性數據相當匱乏，普及類數控機床可靠性評估技術不能完全適用于大型數控機床。由于大型數控機床本身的結構以及復雜的操作環(huán)境，機床失效的發(fā)生一般是很難被預測的，而各功能部件之間的失效影響，特征的失效概率特性，特征的失效增長以及變化的操作環(huán)境和變化的工藝參數都增加了可靠性數據的復雜性。同時，與中、小型數控機床相比，大型數控機床不僅自身和被加工工件復雜龐大，而且加工負載變化大、加工行程大。隨著用戶對加工精度、加工效率和可靠性的要求越來越高，加工精度、進給速度、加速度、可靠性等加工參數也在不斷提高，進而導致在傳統(tǒng)加工條件下對加工精度影響不大的動態(tài)特性方面的因素，在高速度、高加速度和大變載的加工條件下對加工精度產生了顯著的影響。實際上，大型數控機床工作時，大量機械的、液壓的、氣動的、電氣的和電子的機構與元件相互影響，由于工藝系統(tǒng)(包括數控機床、刀具、夾具和毛坯)受到內部因素(切削力及其力矩、摩擦力、振動、工藝系統(tǒng)元件發(fā)熱等)和外部因素(環(huán)境溫度、鄰近設備的振動、電壓波動、空氣濕度與污染、操作者的干預等)的影響，工藝系統(tǒng)元件會發(fā)生彈性變形、磨損、振動、熱變形，工藝系統(tǒng)的性能參數(如幾何精度、運動精度、剛度等)發(fā)生變化，加工精度降低，導致加工質量惡化，換而言之，數控機床的工藝可靠性降低。而現(xiàn)有的數控機床可靠性評估技術沒有考慮工藝系統(tǒng)的性能變化而引起的工藝可靠性變化情況，導致終端用戶多采用保守使用方式來操作數控機床，從而降低了數控機床的生產效率和加工質量。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種大型數控機床工藝可靠性的評估方法，綜合考慮機床加工過程中各種因素對大型數控機床的功能和性能的影響，提高了工藝可靠性的精確性。一種大型數控機床工藝可靠性的評估方法，具體包括如下步驟(1)將數控機床被簡化為一個單自由度有阻尼系統(tǒng)，建立系統(tǒng)的頻率響應函數<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>其中，ω為激勵頻率，ωη為固有頻率，ξ為阻尼比，k為剛度系數。通過數控機床的結構綜合動剛度實驗，測量得到數控機床的頻響函數曲線。采用非線性最小二乘法經曲線擬合計算后辨識出動力學參數固有頻率ωη，阻尼比ξ和剛度系數k。(2)根據Taylor經驗公式法，建立切削加工的切削力AF(t)模型<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>其中，F(xiàn)1W表示瞬時切削厚度引起的總的瞬時切削力，F(xiàn)2(t)表示名義切削厚度引起的平均切削力，F(xiàn)3(t)表示工件材料對刀刃切入的抗力。D和μ為系數，由切削力實驗確定；ap為切削深度，f為切削進給量，s(t)為瞬時切削厚度，S0(t)為名義切削厚度，c為切入率系數，N為主軸轉速，ζ為銑刀齒數。(3)建立數控機床切削加工過程的非線性動力學模型<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>其中，x(t)為切削的刀刃與工件之間在切削表面法線方向上的相對運動軌跡，ξ為阻尼比，ωη為固有頻率，k為剛度系數，AF(t)為切削力的動態(tài)變化部分。采用四階龍格-庫塔法(Rimge-Kutta)來求解，得到切削表面法線方向上的相對運動仿真曲線，當仿真曲線與在相同的條件下實測曲線基本上吻合，表明建立的非線性動力學模型是可信的。(4)設在某切削工藝條件下，利用步驟3的非線性動力學模型，仿真切削的刀刃與工件之間在切削表面法線方向上的相對運動軌跡x(t)，利用隨機抽樣法選取N個點，并給定該段加工周期內加工失效域Dg，計算出失效點數目nf，則求得數控機床在上述工藝條件和加工周期內的工藝可靠度R=nf/N。本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在大型數控機床在加工過程中受到各種不同的內/外部隨機因素的影響，從而影響了大型數控機床的工藝可靠性。與現(xiàn)有的技術相比，本發(fā)明具有下列區(qū)別于傳統(tǒng)方法的顯著優(yōu)勢1)綜合考慮大型數控機床當前的結構特性、加工工藝特性和加工工況等主要因素，直接得到大型數控機床當前的工藝可靠性，而不需要收集和統(tǒng)計數控機床長期運行的故障數據，提高了工藝可靠性評估的效率。2)通過實驗獲取大型數控機床的結構特性和加工工藝特性，建立數控機床切削加工過程的非線性動力學模型，經過切削過程的仿真，就可以得到機床加工的精度，較好地解決了機床動態(tài)特性獲取的問題，從而提高了工藝可靠性評估的準確性。圖1本發(fā)明的評估流程示意2結構綜合動剛度實驗原理圖3銑削力實驗原理圖4加工工藝可靠性評估具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步說明。本發(fā)明的具體實施步驟如下(參照圖1)(1)動力學參數的識別。由于數控機床的工藝可靠性受到機床的機械結構和加工工藝系統(tǒng)的影響，本發(fā)明首先需要識別機床機械結構的動力學參數，即固有頻率ωη，阻尼比ξ和剛度系數k。采用頻響函數法來辨識裝備動力學參數，即根據激勵頻率與響應幅值之間的關系曲線，采用參數識別方法，推斷出機床的動力學參數。將數控機床被簡化為一個單自由度有阻尼系統(tǒng)，該系統(tǒng)的頻率響應函數為,HkΗ{ω)=、2w,,、\-{ω!ωη)+ι2ξ{ω!ωη)其中，ω為激勵頻率，ωη為固有頻率，ξ為阻尼比，k為剛度系數。從而得到系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性，即‘2IH(ω)I=^,ω"<V“7νb7..、2ξωωφ(ω)=arctan—~ωη-ω通過數控機床的結構綜合動剛度實驗，測量得到數控機床沿刀具進給方向在刀尖點激勵且在刀尖點測試所得的頻響函數曲線。從頻響函數曲線中截取一系列幅頻值，采用非線性最小二乘法經曲線擬合計算后辨識出動力學參數固有頻率ωη，阻尼比ξ和剛度系數k。(2)切削力動態(tài)模型參數的識別。數控機床加工過程由于受到各種干擾因素的影響，產生了瞬時切削力波動，使得瞬時切削力是由靜態(tài)切削力和各種干擾因素造成的波動切削力疊加而成。根據切削力建模的Taylor經驗公式法，切削力是以切削深度和切削進給量為變量的指數函數，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，F(xiàn)為切削力，ap為切削深度，f為切削進給量，D和u為系數。ap和f為可以選擇的工藝參數。D和u則需要通過切削力實驗得到。將公式F=Dapfu的兩邊取對數，有IgF=lgD+lgap+μIgf。令y=IgF,X1=Igap,X2=lgf，β。=lgD，=μ，則得到式y(tǒng)=β0+Χι+βιΧ2Ο通過切削力實驗，得到一系列數據集(y，X1,χ2)，經線性最小二乘法辨識得到系數βC1和β工，從而計算出系數D和u。則建立切削力動態(tài)模型ΔF(t)，即<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，F(xiàn)1U)表示瞬時切削厚度引起的總的瞬時切削力，F(xiàn)2(t)表示名義切削厚度引起的平均切削力，F(xiàn)3(t)表示工件材料對刀刃切入的抗力。ap為切削深度，S(t)為瞬時切削厚度，Stl(t)為名義切削厚度，c為切入率系數，N為主軸轉速，ζ為銑刀齒數。瞬時切削厚度s(t)計算公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，y(t)為工件表面的波紋深度，χ(t)為切削的刀刃與工件之間在切削表面法線方向上的相對運動軌跡。當切削過程中刀刃超出工件表面之外時，瞬時切削厚度為零，此時工件材料的切入抗力為零，即c=0。(3)加工過程動力學模型的建立。建立數控機床加工過程的非線性動力學模型<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>其中，x(t)為切削的刀刃與工件之間在切削表面法線方向上的相對運動軌跡，ξ為阻尼比，ωη為固有頻率，k為剛度系數，AF(t)為切削力的動態(tài)變化部分(見公式1)。采用四階龍格-庫塔法(Rimge-Kutta)來求解，得到切削刀刃與工件之間在切削表面法線方向上的相對運動仿真曲線，仿真曲線與在相同的條件下實測曲線基本上吻合，表明建立的非線性動力學模型是可信的。(4)工藝可靠性概率計算。設在切削工藝條件下，利用公式(2)的模型，仿真切削的刀刃與工件之間在切削表面法線方向上的相對運動軌跡X(t)，利用隨機抽樣法選取x(t)上任一段上的N個點(N為自然數)，并給定該段加工周期內加工失效域Dg，S卩加工表面粗糙度Ra超過L時的加工失效域，L為給定的失效閥值。計算出Ra值小于L的數目nf，從而求得數控機床在上述工藝條件和加工周期內的工藝可靠度為R=nf/N，失效概率為Fe=l-nf/N，即得到數控機床在上述工藝條件和加工周期內所得加工工件表面粗糙度小于L的概率或者工藝可靠性。下面結合一個具體的實例進行說明首先通過綜合動剛度實驗來識別動力學參數。參照圖2，綜合動剛度實驗是采用敲擊法對銑刀刀尖部分進行多點激勵單點測量的力錘沖擊實驗，通過固定在刀具上的加速度計測量系統(tǒng)結構的響應，經過信號分析后獲得頻率響應實驗數據，通過參數辨識方法計算出系統(tǒng)的固有頻率ωη、阻尼比ξ、剛度系數k等動力學模型參數。以某車銑復合數控機床為例，其可動部件為滑枕、標準銑頭等?；砜裳豖軸移動(左右移動)，同時可沿ζ軸移動(上下移動)，標準銑頭可沿C軸旋轉，刀具可沿B軸旋轉。在機床坐標系下，各軸的移動范圍為X軸為(-3.53，-0.53)，Z軸為(-0.16，-1.85)，C軸可360°回轉，B軸為(-90°，90°)。在試驗時為了得到數控機床的空間剛度場，將以上各軸等分為三段，各取四個測點，共有256種情況，在每種情況下對機床進行測試，從而得到機床的空間剛度場(參照表1)。表IC軸和B軸固定位置時，機床在各測點的剛度分布<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>通過銑削力實驗來選取加工工藝參數。如圖3所示，銑削力實驗原理是將試件安裝在壓電式測力儀上，然后銑削試件，實時測量的力信號經過電荷放大器和數據采集卡后，傳送到計算機。采集的數據經編程處理后得到X、Y和Z三個方向的平均銑削力。根據表2所示的銑削力實驗條件開展銑削力實驗，得到銑削力實驗實測數據。根據銑削力實驗數據，當銑削深度為3mm時，采用線性最小二乘法擬合出系數D=1462.3和μ=0.6598，從而建立銑削力模型F=Dapfu=2727.7apf°_6892。表2銑削力實驗條件主軸轉速(r/min)|~400<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>實驗表明銑削力模型的預測值與實測值之間的平均偏差為5.4623(N)，吻合較好。由此得出結論該銑削力模型基本上是合理的，滿足實際應用的要求。通過上面在該車銑復合數控機床上進行的結構綜合動剛度實驗和銑削力實驗，計算得到銑削力模型參數D=1462.3和μ=0.6598，動力學參數如表1所示。此外，刀具齒數為ζ=10、主軸轉速為N=400rpm、切入率系數為c=0.012。將這些參數代入到式2中，從而建立該車銑復合數控機床銑削加工過程的非線性動力學模型，并采用四階龍格_庫塔法(Runge-Kutta)來求解式。為了驗證所建立的非線性動力學模型的正確性，進行銑削加工實驗。數控裝備以銑削深度為1.2mm和每齒進給量為0.0625mm的加工工況下銑削工件，實測得到銑削刀刃與工件之間在銑削表面法線方向上的相對運動軌跡。同時，在相同的條件下用建立的非線性動力學模型進行仿真，得到銑削刀刃與工件之間在銑削表面法線方向上的相對運動仿真曲線，仿真曲線與實測曲線基本上吻合，表明建立的非線性動力學模型是可信的。最后進行加工工藝可靠性評估，即通過分析機床輸出終端的精度變化，實時地評定與預測機床工藝可靠性。加工工藝可靠性評估過程如圖4所示。本發(fā)明以加工螺旋槳葉片為例，來研究加工工藝可靠性評估。假定該車銑復合數控機床在一個加工周期內的結構綜合動剛度參數及其刀具參數是不變的，基于數控裝備銑削加工過程非線性動力學模型的仿真數據分析了數控裝備在某一個加工周期內不同加工工藝條件(參照表3)對數控裝備可靠性的影響。表3—個加工周期內的工藝條件<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>由表3可知，數控裝備在該加工周期內有4X8X7=224個工藝組合。從中提取最具代表性的20個工藝條件，并將它們輸入到已建立的數控裝備加工過程非線性動力學模型中進行仿真分析，計算出數控裝備的輸入性能指標_表面粗糙度Ra，如表4所示。表4加工工藝條件與表面粗糙度<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>根據表3給出的加工工藝條件進行取值，采用隨機抽樣法生成N個隨機抽樣點，將隨機抽樣所得的工藝條件輸入到非線性動力學模型中，得到NfRa值。取N=1000，并給定該段加工周期內加工失效域仏=llum)，即加工表面粗糙度Ra超過Ilum時加工失效。由MATLAB程序自動計算出Ra值小于L的數目nf=543，從而求得數控裝備在上述工藝條件和加工周期內的工藝可靠度為R=nf/N=0.543，失效概率為FK=l-nf/N=0.457。該結果表明數控裝備在上述工藝條件和加工周期內所得加工工件表面粗糙度小于Ilum的概率為54.3%ο權利要求一種數控機床工藝可靠性的評估方法，具體包括如下步驟(1)識別數控機床的動力學參數，包括固有頻率ωn，阻尼比ξ和剛度系數k；(2)根據Taylor經驗公式法，建立切削加工的切削力ΔF(t)模型其中，F(xiàn)1(t)表示瞬時切削厚度引起的總的瞬時切削力，F(xiàn)2(t)表示名義切削厚度引起的平均切削力，F(xiàn)3(t)表示工件材料對刀刃切入的抗力，D和μ為系數，由切削力實驗確定，ap為切削深度，s(t)為瞬時切削厚度，s0為名義切削厚度，c為切入率系數，N為主軸轉速，z為銑刀齒數；(3)建立數控機床切削加工過程的非線性動力學模型其中，x(t)為切削的刀刃與工件之間在切削表面法線方向上的相對運動軌跡；(4)工藝可靠性概率計算，利用步驟(3)的非線性動力學模型，仿真所述相對運動軌跡x(t)，選取x(t)任一段上的任意N個點，并給定該段加工周期內的加工失效域Dg，計算出失效點數目nf，即求得所述數控機床在上述工藝條件和加工周期內的工藝可靠度R＝nf/N，從而失效概率為FR＝1-nf/N。FDA0000020232490000011.tif,FDA0000020232490000012.tif2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的動力學參數通過如下過程求得首先，將數控機床簡化為一個單自由度有阻尼系統(tǒng)，并建立系統(tǒng)的頻率響應函數<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中，ω為激勵頻率，ωη為固有頻率，ξ為阻尼比，k為剛度系數；再通過數控機床的結構綜合動剛度實驗，測量得到數控機床的頻響函數曲線；最后利用非線性最小二乘法經曲線擬合計算后即可辨識出所述動力學參數。3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，步驟(2)中所說的瞬時切削厚度s(t)通過如下計算公式得出<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>其中，y(t)為工件表面的波紋深度。4.根據權利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，所述的加工失效域Dg指加工表面粗糙度Ra超過預定的失效閥值L時形成的加工失效域。全文摘要本發(fā)明提供了一種大型數控機床工藝可靠性的評估方法，通過結構綜合動剛度實驗獲得大型數控機床的頻響函數曲線，采用非線性最小二乘法經曲線擬合辨識出動力學參數，通過切削力實驗識別切削力動態(tài)模型的加工工藝參數，建立數控機床切削加工過程的非線性動力學模型，進而利用隨機抽樣法仿真刀具加工運動軌跡并計算失效點數目，求解工藝可靠性概率。本發(fā)明能夠根據大型數控機床當前的結構特性、加工工藝特性和加工工況準確評估數控機床的工藝可靠性，提高了工藝可靠性評估的準確性和高效性，為解決大型數控機床在線可靠性評估提供了一種新的方法。文檔編號B23Q15/00GK101804580SQ20101013405公開日2010年8月18日申請日期2010年3月29日優(yōu)先權日2010年3月29日發(fā)明者吳軍,毛寬民,鄧超,邵新宇申請人:華中科技大學