CN104199380A - 一种基于切削随机曲线凸台的机床激励方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于切削表面有随机曲线工件的机床激励方法，包括：(1)确定随机曲线工件的凸台宽度a_w；(2)确定组成所述随机曲线工件的随机曲线的各圆弧的圆心角度α和曲率半径r；(3)顺次连接具有上述参数的各圆弧，形成曲线，并以该曲线为母线以所述宽度加工出工件，其中所述曲线的长度方向与进刀方向一致；(4)根据机床主轴转速n，进给量a_f以及背吃刀量a_p，利用刀具对随机曲线工件进行切削，刀具和随机曲线凸台之间的切削力对机床结构施加脉冲激励信号，从而实现对机床的激励。本发明的方法不仅可以大大降低模态试验的激振成本，而且可以在工作状态下，根据需要和具体对象，对机床进行可控激振，获得机床在工作状态下的动力学特性。

Description

一种基于切削随机曲线凸台的机床激励方法

技术领域

本发明属于机械装备结构的动力学分析领域，尤其涉及一种机床激励方法。

背景技术

机床的动力学特性对于改善其加工性能，优化结构设计至关重要。

目前获得机床结构动力学特性主要方法是基于机床静止状态下进行人为激励的实验模态分析法。该方法的主要特点是对机床结构施加特定的激励力，激励出机床的动力学特性，即机床模态，并同时测量该激励力和机床结构的振动响应以识别出机床模态，用该模态来表征机床结构的动力学特性。然而，该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。为了获得机床在工作状态下的动力学特性，则首先需要对机床在工作状态下实现有效激励，以激励出所感兴趣频带内的所有机床模态。

目前，对所感兴趣频带内的所有机床模态的激励主要是力锤或激振器激励^[1](可以结合专利文献进行描述)，但是，机床装备每个部件质量大，若采用力锤敲击，敲击力小了难以激发出模态，敲击力大了又可能对装备造成损伤；若采用激振器激励，常规激振器的功率也难以激发出所需要的模态，特大功率激振器不仅激振频率低难以满足机床频率特性的要求，而且价格昂贵，安装复杂。而且，力锤和激振器只能用于机床静态下的激励，机床工况下进行敲击或激振器激振会导致严重的安全和机床损伤风险。因此，传统的激励方法无法满足机床在工作状态下实现有效激励的需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于切削特殊工件，表面有随机曲线凸台的工件，产生随机脉冲激励力以激励的机床方法。该方法先设计出一组半径和弧长都是随机的圆弧，然后把这些圆弧首尾相接形成随机曲线，根据该曲线加工出表面具有此曲线形貌的凸台试件，用刀具切削此凸台即可实现对机床的激励。其中，通过随机的半径和弧长控制激励力的随机性；通过设计随机曲线凸台的宽度和转速调节激励的有效激励频带和激励能量，从而实现在加工状态下对机床进行简单可控的激励。

本发明为实现上述目标所采用的具体技术方案为：

一种基于切削表面有随机曲线工件的机床激励方法，通过利用刀具对母线为随机曲线的工件进行切削，从而产生随机脉冲力序列以激励机床，其特征在于，该方法包括：

(1)确定随机曲线工件的凸台宽度a_w；

(2)确定组成所述随机曲线工件的随机曲线的各圆弧的圆心角度α和曲率半径r；

(3)顺次连接具有上述参数的各圆弧，形成曲线，并以该曲线为母线以所述宽度加工出工件，其中所述曲线的长度方向与进刀方向一致；

(4)根据机床主轴转速n，进给量a_f以及背吃刀量a_p，利用刀具对随机曲线工件进行切削，刀具和随机曲线凸台之间的切削力对机床结构施加脉冲激励信号，从而实现对机床的激励。

作为本发明的改进，所述步骤(1)具体为：

(1.1)先确定所感兴趣的机床频带BW_1st/2，即根据生产需求和机床大小，确定需要分析的频域带宽；

(1.2)确定切削刀具直径D尺寸和切削转速n；

(1.3)根据感兴趣的机床结构的频带BW_1st/2、所使用的刀具直径D，以及主轴的平均转速n确定曲线工件的宽度a_w：

$a_w=\frac{\mathrm{\πnD}}{60{\mathrm{BW}}_{1\mathrm{st}}}$

作为本发明的改进，所述步骤(2)具体为：

(2.1)生成一组随机整数，用以表示一组圆弧的半径r_i，其中上述圆弧的半径应该大于加工工件的刀具半径R_tool，同时要小于工件宽度a的四分之一，即R_tool＜r_i＜a/4；

(2.2)生成一组随机数，用以表示这组圆弧的角度α_i，并设置这些角度的上、下限，即α_min＜α_i＜α_max；

(2.3)根据上述随机圆弧半径和角度形成随机圆弧，并将所述随机圆弧首尾相连形成一条随机曲线即为该工件的母线。

本发明中，可通过同时增加切削宽度a_w和转速n的办法提高切削激励能量，但要保持两者之比不变。

本发明中，随机曲线凸台的高度a_p可根据激励次数和加工工艺规定的用量确定。

本发明中，所述对机床进行随机脉冲切削力激励是指机床刀具和随机曲线凸台之间的切削力对机床结构实施的随机脉冲激励信号。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明可以在无需外加激励条件下，通过切削随机曲线凸台产生随机脉冲切削力即可完成对机床结构的激振，不仅可以大大降低模态试验的激振成本，而且可以在工作状态下，根据需要和具体对象，对机床进行可控激振，获得机床在工作状态下的动力学特性。

附图说明

图1为随机曲线凸台试件示意图；

图2为切削单随机曲线凸台产生随机脉冲切削力示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例中优选以立式加工中心为例对本发明的方法进行说明。

本实施例的基于切削随机曲线凸台工件的机床激励方法包括以下步骤：

(1)设计工件随机曲线凸台的宽度a_w：为了满足激励能量，不能太窄，同时为了抑制切削过程的影响，不能太宽；

(1-1)确定机床结构所感兴趣的频带范围BW_1st/2，例如本实施例中优选为250Hz；

(1-2)采用的刀具为可转位毂形刀盘和硬质合金刀片，查产品手册得刀具直径D优选为80mm；

(1-3)机床常用转速范围为200～1000rpm，因此本实施例中优选选取切削转速n为400rpm；

(1-4)根据公式(1)计算得到a_w为3.35mm，本实施例中优选选取宽度a_w为4mm；

(2)设计工件随机曲线凸台的角度α和曲率半径r；

(2-1)通过例如Matlab生成圆弧的半径r_i的一组随机整数。优选选取加工工件的刀具为直径的立铣刀，则半径R_tool为3毫米；选取工件宽度优选为100毫米，长度为200毫米，即3＜r_i＜25；

(2-2)通过例如Matlab生成圆弧的角度α_i的一组随机数，并设置这些角度的上限优选为300°，下限优选为60°，即60°＜α_i＜300°；确定进给量a_f为1200mm/min；

(2-3)将这些随机圆弧首尾相连形成一条随机曲线，如图1；

(2-4)由于用镶齿盘铣刀，刀齿可方便拆卸，故采用单齿切削以减少操作，即N＝1；

(3)为了能够进行多次激励尝试，随机曲线凸台的高度a_p可优选为5mm；

(4)以上确定的参数有：转速为400rpm，进给为1200mm/min，随机曲线凸台宽度为4mm，高度都为5mm，工件示意图如图2；

(5)通过切削该随机曲线凸台产生随机脉冲切削力激励机床。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于切削表面有随机曲线工件的机床激励方法，通过利用刀具对母线为随机曲线的工件进行切削，从而产生随机脉冲力序列以激励机床，其特征在于，该方法包括：

(1)确定随机曲线工件的凸台宽度a_w；

(2)确定组成所述随机曲线工件的随机曲线的各圆弧的圆心角度α和曲率半径r；

(3)顺次连接具有上述参数的各圆弧，形成曲线，并以该曲线为母线以所述宽度加工出工件，其中所述曲线的长度方向与进刀方向一致；

(4)根据机床主轴转速n，进给量a_f以及背吃刀量a_p，利用刀具对随机曲线工件进行切削，刀具和随机曲线凸台之间的切削力对机床结构施加脉冲激励信号，从而实现对机床的激励。

2.根据权利要求1所述的一种基于切削表面有随机曲线工件的机床激励方法，其中，所述步骤(1)具体为：

(1.1)先确定所感兴趣的机床频带BW_1st/2，即根据生产需求和机床大小，确定需要分析的频域带宽；

(1.2)确定切削刀具直径D尺寸和切削转速n；

(1.3)根据感兴趣的机床结构的频带BW_1st/2、所使用的刀具直径D，以及主轴的平均转速n确定曲线工件的宽度a_w：

$a_w=\frac{\mathrm{\πnD}}{60{\mathrm{BW}}_{1\mathrm{st}}}$

3.根据权利要求1和2所述的一种基于切削表面有随机曲线工件的机床激励方法，其中所述步骤(2)具体为：

(2.1)生成一组随机整数，用以表示一组圆弧的半径r_i，其中上述圆弧的半径应该大于加工工件的刀具半径R_tool，同时要小于工件宽度a的四分之一，即R_tool＜r_i＜a/4；

(2.2)生成一组随机数，用以表示这组圆弧的角度α_i，并设置这些角度的上、下限，即α_min＜α_i＜α_max；

(2.3)根据上述随机圆弧半径和角度形成随机圆弧，并将所述随机圆弧首尾相连形成一条随机曲线即为该工件的母线。