專利名稱：基于響應(yīng)耦合的刀尖點頻響函數(shù)獲取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)控機床動態(tài)特性測試領(lǐng)域，具體是ー種獲取刀尖點頻響函數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
隨著裝備制造業(yè)的不斷發(fā)展，機床以及主軸性能的不斷提升，高速加工在制造業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，特別是在航空制造領(lǐng)域。在高速切削過程中，為了提高加工效率而盡量増大材料去除率，這樣同時也帶來了加工過程中不穩(wěn)定的危險。這種不穩(wěn)定的發(fā)生將會直接導(dǎo)致差的表面質(zhì)量并且加速刀具、主軸以及機床部件的磨損。避免不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生的最有效方法之ー是借助穩(wěn)定性葉瓣圖來確定穩(wěn)定切削參數(shù)。穩(wěn)定性葉瓣圖是主軸轉(zhuǎn)速和加エ參數(shù)的函數(shù)，穩(wěn)定和非穩(wěn)定區(qū)域取決于選擇的主軸轉(zhuǎn)速和軸向切深。繪制穩(wěn)定性葉瓣圖的先決條件是要獲取機床刀尖點的動態(tài)特性，也就是刀尖點的頻響函數(shù)(FRF)。通常，在特定的加工中心上，要對不同的刀具/刀柄/主軸的組合分別測量其刀尖點的頻率響應(yīng)函數(shù)。這樣對每種組合進(jìn)行實驗測量是非常耗時的，而且占用大量的機床加エ時間，即繁瑣也不經(jīng)濟。為了解決這個問題，Schmitz和Donaldson首先提出并發(fā)展了用響應(yīng)耦合技術(shù)(RCSA)來預(yù)測刀尖點頻響函數(shù)(FRF)的方法。并且用單個線性和扭轉(zhuǎn)的彈簧對刀具-刀柄的結(jié)合部進(jìn)行建摸。這種方法通過在頻域里耦合刀柄-主軸-機床動態(tài)特性和刀具的動態(tài)特性來預(yù)測刀尖點的動態(tài)特性。但刀具的直徑或者是刀柄刀具的夾持長度發(fā)生變化時，刀具刀柄結(jié)合部的參數(shù)就必須得重新進(jìn)行辨識，從而増加了實驗次數(shù)。后來，Duncan和Schmitz將RCSA方法擴展到稱合刀柄和主軸,對不同的刀具和刀柄組合可以預(yù)測刀尖點的頻響函數(shù)，但是要對刀柄與主軸的錐面結(jié)合部進(jìn)行建模，過程繁瑣，參數(shù)辨識復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種適用于不同刀具和刀柄組合的基于響應(yīng)耦合的刀尖點頻響函數(shù)獲取方法，解決了獲取刀尖點頻響函數(shù)過程中因刀具直徑或刀柄刀具的夾持長度變化而需要重新辨識刀具刀柄結(jié)合部參數(shù)的問題。實現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的具體技術(shù)方案如下一種刀尖點頻響函數(shù)獲取的方法，包括如下步驟(—)將整個機床加工系統(tǒng)劃分子結(jié)構(gòu)。具體的說就是將刀柄夾持端和刀具作為ー個子結(jié)構(gòu)，稱為子結(jié)構(gòu)A ;把刀柄法蘭和錐柄、主軸和機床其他部件作為另ー個子結(jié)構(gòu)，稱為子結(jié)構(gòu)B ;將刀柄夾持端單獨作為子結(jié)構(gòu)C。(ニ)確定子結(jié)構(gòu)B在刀柄法蘭端(位置u)的頻響函數(shù)矩陣，即剛性聯(lián)接處的頻響函數(shù)矩陣Ruu。
權(quán)利要求
1.一種基于響應(yīng)耦合的刀尖點頻響函數(shù)獲取方法，用于獲取機床上刀尖點的頻響函數(shù)，其中所述機床上的刀柄由錐柄、法蘭以及夾持端組成，該刀柄夾持端夾持刀具并通過錐柄安裝在機床主軸上，其特征在于，該方法具體包括以下步驟 (一)將整個機床進(jìn)行子結(jié)構(gòu)劃分，即將刀柄夾持端和刀具的組合作為第一子結(jié)構(gòu)，將所述刀柄法蘭和錐柄、主軸和機床其余部件的組合作為第ニ子結(jié)構(gòu)，將所述刀柄夾持端作為第三子結(jié)構(gòu)；其中第一子結(jié)構(gòu)和第二子結(jié)構(gòu)在刀柄法蘭處剛性的聯(lián)接在一起，且用均勻分布的彈簧阻尼模擬刀具和刀柄的聯(lián)接； (ニ)確定所述第二子結(jié)構(gòu)在刀柄法蘭端的頻響函數(shù)矩陣，即剛性聯(lián)接處的頻響函數(shù)矩陣； (三)辨識所述第一子結(jié)構(gòu)中刀具和刀柄聯(lián)接處的彈簧阻尼參數(shù)，包括彈簧阻尼剛度k和阻尼系數(shù)c ; (四)將辨識得到的彈簧阻尼剛度k和阻尼系數(shù)c代入第一子結(jié)構(gòu)的有限元模型中，計算得到該第一子結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)； (五)將所述子第一子結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)與第二子結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)耦合，即得到刀尖點頻響函數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述的步驟(ニ)中，所述第二子結(jié)構(gòu)在刀柄法蘭端的頻響函數(shù)矩陣的確定步驟如下 (1)測量所述第二子結(jié)構(gòu)和第三子結(jié)構(gòu)組成的組合結(jié)構(gòu)的三個頻響函數(shù)H胃、Hwv和Hvv，其中H胃、Hwv和Hvv分別是頻響函數(shù)矩陣G 、GWV和Gvv的第一個元素，所述頻響函數(shù)矩陣G 、Gwv和Gvv分別是該組合結(jié)構(gòu)在刀柄末端、刀柄末端和刀柄法蘭之間、以及刀柄法蘭的頻響函數(shù)矩陣； (2)計算所述第三子結(jié)構(gòu)的各個頻響函數(shù)矩陣R 、Rwv和Rvv，其中R 、Rwv和Rvv分別是該第三子結(jié)構(gòu)在刀柄末端、刀柄末端和刀柄法蘭之間、以及刀柄法蘭的頻響函數(shù)矩陣； (3)根據(jù)所述組合結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)與第三子結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)，即可獲得所述第二子結(jié)構(gòu)在刀柄法蘭處的頻響函數(shù)矩陣Ruu。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟(I)中，所述頻響函數(shù)H胃、HWV、HVV通過對所述組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)錘擊實驗測量得到，具體為 在所述組合結(jié)構(gòu)的刀柄末端錘擊，并在該處采集振動位移響應(yīng)，得到整體結(jié)構(gòu)的ー個頻響函數(shù)Hw ;在組合結(jié)構(gòu)的刀柄法蘭處錘擊，在刀柄末端采集振動位移響應(yīng)，得到第二個頻響函數(shù)Hwv ;在組合結(jié)構(gòu)的刀柄法蘭處錘擊并在該刀柄法蘭處采集響應(yīng)，得到整體結(jié)構(gòu)的第三個頻響函數(shù)Hvv。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中，所述第三子結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)矩陣R 、Rwv和R胃分別為； 上述頻響函數(shù)矩陣R胃、Rwv和Rvv分別通過有限元計算得到，具體為 在該第三子結(jié)構(gòu)的刀柄末端施加単位カ并輸出該位置的平動位移響應(yīng)和轉(zhuǎn)角響應(yīng)分別得到頻響函數(shù)h 和η胃，在該位置施加単位轉(zhuǎn)矩并輸出該位置的轉(zhuǎn)角響應(yīng)得到頻響函數(shù)Pww ;根據(jù)互易性定理，有I胃=η ，從而得到第三子結(jié)構(gòu)在刀柄末端的頻響矩陣Rww ； 在該第三子結(jié)構(gòu)的刀柄法蘭處施加単位力并輸出在刀柄末端的平動位移響應(yīng)和轉(zhuǎn)角響應(yīng)分別得到頻響函數(shù)hwv和nwv，在刀柄法蘭處施加單位轉(zhuǎn)矩并輸出該刀柄末端的轉(zhuǎn)角響應(yīng)得到頻響函數(shù)Pwv，根據(jù)互易性定理，有nwv = Iwv,從而得到第三子結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)矩陣Rwv ；在該第三子結(jié)構(gòu)的刀柄法蘭處施加単位カ并輸出該位置的平動位移響應(yīng)和轉(zhuǎn)角響應(yīng)分別得到頻響函數(shù)hvv和nvv，在該刀柄法蘭處施加単位轉(zhuǎn)矩并輸出該位置的轉(zhuǎn)角響應(yīng)得到頻響函數(shù)Pvv，根據(jù)互易性定理，有l(wèi)vv=nvv，從而得到第三子結(jié)構(gòu)在刀柄末端的頻響矩陣Rvv。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中，所述組合結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)與第三子結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)的關(guān)系如下Gww = Rww-Rwv (RUu+Rvv) 1rvw(1)Gwv = Rvw_Rvv (Ruu+Rvv) 1Rvw(2) Gvv = Rvv-Rvv (Ruu+Rvv) 1Rw⑶ 利用上述關(guān)系，獲得頻響函數(shù)矩陣Ruu的具體過程為 首先，根據(jù)上述組合結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)與第三子結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)的關(guān)系得到如下公式
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，所述的步驟(三)中，所述辨識第一子結(jié)構(gòu)中刀具和刀柄聯(lián)接處的彈簧阻尼參數(shù)具體過程為 (1)將刀具刀柄裝配結(jié)構(gòu)劃分子結(jié)構(gòu)，即將刀柄作為第四子結(jié)構(gòu)D，將刀具作為第五子結(jié)構(gòu)E ; (2)計算該第四子結(jié)構(gòu)D的頻響函數(shù)矩陣[HJd、[HJd,[HJd和[HjD，以及第五子結(jié)構(gòu)E的頻響函數(shù)矩陣[Hbb]E，其中， [HJd表示第四子結(jié)構(gòu)D的非結(jié)合部區(qū)域e上的各測點之間的頻響函數(shù)矩陣；[HJd、[HJd分別表示第四子結(jié)構(gòu)D的非結(jié)合部區(qū)域e上測點與結(jié)合部區(qū)域a上測點之間的頻響函數(shù)矩陣；[HJd表示第四子結(jié)構(gòu)D在結(jié)合部區(qū)域a上的各測點之間的頻響函數(shù)矩陣；[Hbb]E表示第四子結(jié)構(gòu)E結(jié)合部區(qū)域b上各測點之間的頻響函數(shù)矩陣； (3)測量刀具刀柄裝配結(jié)構(gòu)在自由狀態(tài)下的頻響函數(shù)矩陣[HJ； (4)利用矩陣的F-范數(shù)建立參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，其中該目標(biāo)函數(shù)為Obj=min { I [Hj 實測-[Hj | し}利用該目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，即找到使耦合的頻響函數(shù)與實測頻響函數(shù)的差別最小化時合適的結(jié)合部參數(shù)，即得到刀具和刀柄聯(lián)接處的彈簧阻尼參數(shù)k和C ; 其中，[HJ是耦合后刀具刀柄裝配結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)矩陣，且[HJ = [HJ D-[HJ D [HbF1 [HJ D 式中，[Hb] = [HJD+[Hbb]E+[Hj], [Hj]為刀具刀柄結(jié)合部的頻響矩陣，
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述頻響函數(shù)矩陣[HJ通過如下方式測得 將刀具刀柄裝配結(jié)構(gòu)自由懸掛，對刀柄上的非結(jié)合部區(qū)域e上的各測點分別進(jìn)行激勵，并采集各測點的響應(yīng)信號，根據(jù)采集的響應(yīng)信號即可獲得頻響函數(shù)矩陣[HJ
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7之一所述的方法，其特征在于，所述第一子結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)包括Rss、Rst、Rts和Rtt，均通過有限元計算得到，其中，Rss是該第一子結(jié)構(gòu)在刀柄法蘭處的頻響函數(shù)矩陣，Rst和Rts分別是其在刀柄法蘭處和刀尖點之間的頻響函數(shù)矩陣，Rtt是其在刀尖點的頻響函數(shù)矩陣。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述步驟(五)中，耦合關(guān)系如下 Gtt = Rtt-Rts (Rss+Ruu) 1Rst 式中，Gtt是耦合后的刀尖點頻響函數(shù)矩陣，刀尖點頻響函數(shù)Htt是其第一個分量，根據(jù)Gtt即可確定該刀尖點頻響函數(shù)Htt。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于響應(yīng)耦合的刀尖點頻響函數(shù)獲取方法，包括(一)將刀柄夾持端和刀具作為第一子結(jié)構(gòu)，將刀柄法蘭和錐柄、主軸和機床其他部件作為第二子結(jié)構(gòu)，將刀柄夾持端作為第三子結(jié)構(gòu)；(二)確定第二子結(jié)構(gòu)在刀柄法蘭端的頻響函數(shù)矩陣，即剛性聯(lián)接處的頻響函數(shù)矩陣；(三)辨識第一子結(jié)構(gòu)中刀具和刀柄聯(lián)接處的彈簧阻尼；(四)將辨識得到的彈簧阻尼代入第一子結(jié)構(gòu)的有限元模型中，計算得到該第一子結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)；(五)將子第一子結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)與第二子結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)耦合，即得到刀尖點頻響函數(shù)。本發(fā)明可以準(zhǔn)確方便地預(yù)測不同刀具和刀柄組合時的刀尖點的頻響函數(shù)。
文檔編號B23Q17/09GK102689229SQ20121013711
公開日2012年9月26日 申請日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月4日
發(fā)明者彭芳瑜, 李斌, 汪勇, 潘文斌, 蔡飛飛, 邱鋒, 閆蓉 申請人:華中科技大學(xué)