CN107000151A - 测量装置和选择去屑加工刀具的运行参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于去屑机床的测量装置，以及获得去屑加工刀具的频率响应函数、获得去屑加工刀具的稳定性图以及选择去屑加工刀具的运行参数的方法。所述装置(1)具有前端(10)和后端(11)。中心轴线(x)在所述前端和所述后端之间延伸。所述装置包括处于所述后端的接合部(2)，以接合机床，以及处于所述前端的、在所述接合部的远端的测量部(5)，所述测量部不带刀头。所述测量部包括垂直于所述中心轴线的平面的前端表面(6)。所述前端表面包括用于接收机械激励的、与所述中心轴线对齐的联接点(8)。所述前端表面还包括多个底座(9、9'、9"、9"')，它们中的每一个都用于接收一个加速计，所述加速计用于测量所接收的机械激励的响应。每个底座都包括用于所述加速计的三个接触表面，使得当加速计被接纳在所述多个底座中的一个底座内并且抵靠所述三个接触表面时，所述加速计在空间上以三维方式并且绕关于所述联接点的三条旋转轴线定位和定向。

Description

测量装置和选择去屑加工刀具的运行参数的方法

技术领域

本发明涉及一种用于切屑成型切削机床的测量装置和获得去屑加工刀具的频率响应函数、获得去屑加工刀具的稳定性图以及选择去屑加工刀具的运行参数的方法。

背景技术

制造行业内的强烈竞争已经导致对高效切削操作的持续寻找，以降低成本。更高生产率需要更快的加工和较低循环时间。为了满足这些要求，期望的是工艺参数，诸如切削速度、进刀速度和切削深度达到下一水平。由于工艺参数改进，所以随之而来的是切削力以及切削区的温度的增加。工艺温度和切削力的增加加速了刀具磨损，并且可能使得工件扭曲。增加的切削力也使得加工工艺更易于再生振动。这种现象被称为颤振。

颤振振动影响被加工工件表面的质量，可能使切削刀具破损，并且在极端情况下，它可能导致机床刀具损伤。颤振振动能够发生在所有金属切削工艺中，并且是金属加工中的一个最普遍的生产率限制因素。颤振的一个原因是由于切削期间的切屑厚度变化而导致的动态力反馈。切屑厚度变化可能源自两次连续的切削之间在加工表面上留下的振动痕记的相移。因此，这种相移可能取决于机床刀具/切削刀具组件的动力学特性。主轴速度n和切削齿的数量z确定了切削之间的周期时间。由于主轴转速是将由操作者选择的工艺参数，所以能够选择该参数，使得来自前一次切削的振动痕记与当前的切削同相。如果切削之间的振动痕记同相，则至少相当大地减小了力反馈，因此也相当大地减小了再生振动。

为了使得能够预测切削刀具的动态行为，可以绘制稳定性叶图。在图6中示出了这种图的一个示例。应按下文阅读该图。如果主轴速度(转速n)与切削深度(d)组合处于线下方，则切削工艺应是稳定的。另一方面，如果切削参数组合位于线上方，则工艺可能是不稳定的。

无论为了预测切削工艺的稳定性边界而选择的方法如何，有利的是已知处于安装在机床刀具中的切削刀具的刀头处的频率响应函数(FRF)。现有技术通过物理测试多个机床刀具/切削刀具组合而获得处于刀头的FRF。这种方法的缺点不仅在于需要获得针对所有关注的切削刀具的FRF，因为动态特性随着不同切削刀具的几何形状特性的变化而改变，而且还需要机床刀具在测量期间仍停机。这导致相当大的宝贵的生产时间损失。

另一方面，由于完整系统的机械复杂性，将难以对完整机床刀具的结构(即机床刀具与安装的切削刀具的组合系统)模型化。因此，问题是简化对于完整机床刀具系统的动态行为的预测。

发明内容

因此，本发明的目标在于提供安装在机床内的切削刀具的子结构的动态响应的测量。进一步目标在于提供一种测量装置，其可以被用于提供将与各种刀头的模型组合的测量，以便以成本有效的方式，以切削机床中的各种切削刀具的稳定性图的形式预测动态行为。目标也在于提供对刀具子结构的动态响应的精确和可重复的测量。

因此，本发明涉及一种用于去屑机床的测量装置，该装置具有前端和后端。中心轴线在前端和后端之间延伸。该装置包括接合部和测量部，所述接合部处于后端，以与机床接合，所述测量部处于前端，位于该接合部的远端，所述测量部不带刀头。测量部包括垂直于中心轴线的平面的前端表面。前端表面包括用于接收机械激励的联接点。联接点与中心轴线对齐。前端表面还包括多个底座，所述多个底座中的每个底座都用于接纳一个加速计，每个加速计都用于测量所接收的机械激励的响应。每个底座都包括用于加速计的三个接触表面，使得当加速计被接纳在其中一个底座内并且抵靠三个接触表面时，加速计在空间上以三维方式并且绕关于联接点的三条旋转轴线定位和定向。

通常，用于被安装在去屑机床中的切削刀具包括本体，本体具有后联接部、中间部以及从中间部延伸的刀头形式的前部。刀头是刀具在切削操作中起作用的部分，并且能够包括切削刃、容屑槽、切削刀片、刀座和刀片保持/夹紧组件。通常，在用于机床的许多切削刀具中，切削刀具仅在刀头的设计中彼此不同。根据本发明的测量装置的基体能够被视为对应于由切削刀具的后联接部和中间部组成的单元。换言之，不带刀头的切削刀具，或者机床内的一定范围下的多个切削刀具的公共部分)。作为示例，图5(a)示出可旋转铣刀形式的切削刀具，并且图5(b)示出安装在机床(I)中的刀头(II)和测量装置。

由于加速计相对于彼此和相对于联接点的明确限定的位置和定向，所以测量装置的构造允许刀具子结构(即由具有联接的测量装置的机床组成的子结构)的动态响应的精确和可重复的测量。除此之外，促进加速计相对于彼此和向相对于机械激励方向的安装和对齐。可以使用刀具子结构的动态响应的测量与各种刀头的模型化数据一起预测切削机床中的各种切削刀具的振动性能。在这些计算中，具有联接的测量装置的机床能够被视为第一子结构，并且每个刀头都被视为第二子结构。

本发明装置的平面的前端表面促进子结构的频率响应函数的耦合。联接点是如下的点，即：其中在计算对应于具有安装的切削刀具的机床的组合结构的频率响应函数时，被定义为刀头的子结构能够联接至被定义为与切削机床一起的测量装置的子结构。

由于三个接触表面，所以明确限定了每个加速计的位置和定向。因此，已知加速计相对于彼此以及相对于联接点的位置和定向。

三个接触表面中的一个接触表面可以是垂直于中心轴线延伸的轴向接触表面。因此，轴向支撑表面能够限定加速计在轴向方向上的位置。当加速计被置于凹部中并且抵靠在轴向支撑表面上时，加速计将被相对于中心轴线的方向并且也相对于联接点处的激励方向正确地支撑。中心轴线限定了笛卡尔坐标系的x方向。这种坐标系的y和z轴线被限定在前端表面的平面中。

三个接触表面中的一个接触表面可以为径向接触表面，因此在从周界朝着中心轴线的方向上提供支撑。每个底座的径向接触表面都可以被定位在距联接点相同的距离处。因此，加速计可以绕联接点分布，并且被定位在距联接点的相同的径向距离处，以简化和改进关于动态响应的测量和计算。因此，加速计也可以被布置成尽可能得接近联接点，同时允许联接点处或者接近联接点的装置的机械激励。

三个接触表面中的一个接触表面可以是切向接触表面。因此，加速计可以具有切向位置定义，以限定每个加速计绕联接点的位置。切向方向被定义为垂直于径向方向，即：在绕中心轴线的周向方向上。径向接触表面可以被布置有处于正y或者负y方向，或者正z或者负z方向，或者与y方向或者z方向成一定角度，例如相对于y方向或者z方向成30、45、60度的法向向量。

测量装置可以具有四个底座，以绕联接点接纳和定位四个加速计。因此，加速计可以在联接点的相对侧上成对地布置，因此在两个正交方向上两两对齐，从而能够测量联接点处的平移运动以及旋转运动。底座可以如此布置，即：使得加速计可以同向，或者成对地共线。因此，可以与一对加速计的对齐轴线一致地并且正交于另一对加速计的对齐轴线地产生激励。因此，降低违反被动性准则的风险(T.McKelvey和S.O.R.Moheimani的“应用于具有混合并置和非并置致动器与传感器的相位约束多输入多输入传递函数的评价”(“Estimation of phase constrained mimo transfer functions with application toflexible structures with mixed collocated and non-collocated actuators andsensors”),世界大会，2005，第16卷，第36页)。

作为替选，测量装置可以具有用于绕联接点接纳和定位三个加速计的三个底座，并且作为进一步替选，测量装置可以具有用于绕联接点接纳和定位两个加速计的两个底座。优选地，两个底座被布置在联接点的相对侧上。

底座可以绕联接点旋转对称地布置。因此，促进了频率响应函数的计算。旋转对称是有利的，因为底座可以被定位成尽可能得接近联接点。取决于底座的数目，旋转对称可以例如为双重的、三重的或者四重的。对于双重旋转对称，两个底座彼此成180度就位，并且对于三重旋转对称，三个底座彼此成120度就位。对于四重旋转对称，四个底座彼此成90度就位。在四重对称中，接纳在底座内的加速计在两个正交方向上被成对地布置在联接点的相对侧上，从而能够测量联接点处的平移运动以及旋转运动。

底座可以形成为前端表面中的凹部。因此，接纳在底座内的加速计可以被至少部分地嵌入测量部的前端表面中。加速计的另外质量可以至少部分地通过从凹部移除材料补偿。因此，测量装置与不带刀头的实际刀具的相似性将提高，这将改进对动态响应的测量。同样地，加速计可以被定位成使得加速计的实际测量相位可以接近前端表面的平面，以改进测量精确性。此外，底座可以通过简单方式形成在前端表面中。作为替选，底座可以通过从前端表面突出来形成，从而形成三个接触表面。支撑表面被布置和定位成对应于加速计的形状。

每个底座都可以形成为基本长方体的凹部，以接纳具有长方体形状的加速计。因此，可以简化加速计的安装，并且可以最小化测量部中的材料移除，以降低对测量的任何影响。也能够设想其它形状的凹部，诸如具有椭圆或者多边形横截面的凹部。凹部具有对应于加速计的形状的形状。通常，前端表面的平面中的长方体凹部的矩形横截面的边可以在10-15mm范围内，优选地为约12mm，并且其中凹部的深度可以约为0.5-3mm。

每个底座都可为单个、公共的凹部的一部分，或者换言之，每个凹部都可以通过凹部连接至相邻的底座，由此简化加工并且提供直的径向接触表面，而不存在来自对凹部加工的凹角，从而提高加速计的定位精确性。

在具有用于四个加速计的四个凹部的实施例中，这种单个、公共的凹部可以具有十字的形式，其中正方形材料片留在中心轴线处。联接点能够被布置在正方形的中心上。在这些实施例中，正方形的径向面向外的表面在相应的底座中形成径向支撑表面。

测量装置可以被构造有旋转轴线，以便与机床的可旋转主轴接合，并且其中当装置与主轴接合时，装置的中心轴线与旋转轴线共线。因此，前端表面可以垂直于旋转轴线，并且可以在对切削刀具的动态特性模型化期间在第一子结构和第二子结构之间形成自然接口。

接合部可以包括后端表面和具有圆化的多边形横截面的渐缩的阳型联接部，该阳型联接部从后端表面向后突出，其中后端表面径向地处于阳型联接部之外，并且形成接触表面。因此，可以简化并且使用例如Sandvik联接件来实现测量装置在机床中的安装。因此，机床中的测量装置几乎与机床中安装的切削刀具相同，但是不带刀头。可以可替选地使用其它联接件，诸如HSK和7/24ISO渐缩的标准联接件。

测量部可以具有连接至处于前端的平面的前端表面的圆柱形包络表面，其中用于联接机械激励源的两个平面的激励表面形成在包络表面中，该机械激励源与相应的激励表面正交。两个平面的激励表面彼此垂直，并且垂直于前端表面，它们的法线轴线与中心轴线交叉。因此，两个激励表面与联接点一起确保了可在三个方向上施加激励，这三个方向彼此垂直，并且朝向或者与中心轴线对齐。两个激励表面可被布置有处于y，z方向上的法向向量，从而接收沿y，z方向的机械激励。

用于刀具更换的接合爪槽可以形成在包络表面中，以简化测量装置的安装/拆卸。

测量装置可以包括接纳在每个底座内的一个加速计。加速计可以为能够测量彼此垂直的三条轴线上的加速度的三轴加速计。可替选地，一个或者更多个三轴加速计可以被例如多个一轴加速计或者两轴加速计代替。

加速计可以具有长方体形状，该形状具有底部表面和向前表面，其中每个底座都形成为前端表面中的凹部，其中每个底座的三个接触表面中的一个接触表面为垂直于中心轴线延伸的轴向接触表面，其中底座的三个接触表面中的另一个接触表面是用于在朝着中心轴线的方向上提供支撑的径向接触表面，并且其中底部表面接触底座的轴向接触表面，并且其中向前表面的至少一部分接触底座的径向接触表面。只要可以确定加速计的方向，就能够设想其它形状的加速计，诸如具有椭圆形或者多边形横截面形状的加速计。然后，底座的支撑表面将具有对应于不同形状的加速计的形状和位置。

每个底座可以包括径向地处于加速计之外的第二径向表面，其中在加速计和第二径向表面之间形成间隙。因此，可以简化加速计的安装，并且可以通过将加速计插入底座内并且将其朝着在朝着中心轴线的方向上提供支撑的径向表面推动而实现加速计的定位。可替选地，底座可朝着外部径向方向敞开。

加速计可以具有高度，并且每个凹部都可以具有远小于加速计的高度的深度，使得加速计的大部分从前端表面延伸出来。因此，加速计的安装可以是精确的，并且同时，加速计从前表面延伸，足以允许连接用于测量的电缆。可替选地，加速计可被嵌入前端表面以及电缆可以被垂直于前端表面进行连接。

加速计可以被粘合剂附接至底座。可替选地，加速计可以被机械紧固，例如通过螺钉或者通过压配合或者通过磁体紧固。

本发明还涉及一种获得机床中的去屑加工刀具的频率响应函数的方法，包括：

限定两个子结构，第一子结构由具有安装的刀具的机床组成，刀具不带刀头，并且第二子结构由刀具的刀头组成，

安装如本文公开的测量装置，并且该测量装置对应于机床中的不带刀头的刀具，

在每个底座中安装一个加速计，

以机械能激励测量装置，

通过加速计测量激励的响应，并且从所测量的激励响应计算安装在机床内的测量装置的频率响应函数，

将第一子结构的频率响应函数与安装在机床内的测量装置的频率响应函数相关联，

计算(或者测量)第二子结构的频率响应函数，以及

耦合第一子结构和第二子结构的频率响应函数，以获得包括第一子结构和第二子结构的装配系统的频率响应函数。

因此，可以通过高效方式获得安装在机床内的多个切削刀具的频率响应函数，而不需要测量每个机床的每个切削刀具。当被安装在机床中时，可以通过测量该测量装置的响应而获得频率响应函数，因此获得机床以及刀具的直到限定第一子结构和第二子结构的接口之间的前端表面的频率响应函数。例如，可以通过有限元方法(FEM)和频率响应函数的组合计算第二子结构，即多个切削刀具的各种刀头的频率响应函数，以获得安装在机床中的每种切削刀具的频率响应函数。

以机械能激励测量装置可以包括在彼此垂直的三个方向上依次以机械能激励该装置。因此，在每个这种垂直方向上的机械激励都可以被用作频率响应函数测量中的输入。

可替选地，以机械能激励测量装置可以包括在彼此垂直的三个方向上以机械能同时地激励该装置。这样做的优点在于：系统不会在随后的激励步骤之间改变。

可以通过提供振动的致动器(振动器致动器(shaker actuator))或者提供一种或者更多脉冲的致动器(例如脉冲锤)执行激励。

装置的激励方向优选地为轴向方向以及处于前端表面的平面内的两个方向，两个方向中的每个方向都与一对加速计的对齐方向对齐。因此，违反动态系统的被动性准则的风险降低。

该方法可以包括获得机床中的去屑加工刀具的稳定性图，包括：获得机床中的刀具的组合的频率响应函数，并且基于组合的频率响应函数计算组合结构的稳定性图。因此，可以获得机床中的多个切削刀具的稳定性标准，该稳定性标准可以被用于确定加工的稳定运行参数。

该方法可以包括选择机床中的去屑加工刀具的稳定运行参数，包括：获得机床中的去屑加工刀具的稳定性图，以及选择落入稳定性图内的运行参数。

附图说明

下面将参考附图详细地描述本发明的各种实施例，其中：

图1示出根据第一实施例的处于不同定向(a)-(d)的测量装置。

图2示出平移和旋转响应的测量，以及参考坐标系。

图3示出根据另一实施例的测量装置。

图4示出根据进一步实施例的测量装置。

图5示出切削刀具的子结构。

图6示出切削刀具的稳定性图的示例。

具体实施方式

图1(a)示出从前部观察的用于去屑机床的测量装置1的透视图，图1(b)示出从装置的后部观察的对应的视图，并且在图1(c)中示出装置的侧视图。装置包括具有前端10和后端11的本体，并且中心轴线x在这两端之间延伸。装置包括处于后端的接合部2，以接合机床的可旋转主轴，其中当被安装在机床中时，旋转轴线对应于中心轴线x。

在接合部的远端，在装置的前端处，测量装置包括具有平面的前端表面6的测量部5。前端表面垂直于x轴。测量部大致为圆柱形的，并且具有连接至前端处的平面的前端表面的圆柱形包络表面。包络表面设置有接合爪槽7，以拆卸和更换装置。

在平面的前端表面中心，在旋转轴线处限定联接点8。在联接点处存在用于附接机械激励装置(振动器致动器)的螺纹孔，用于沿x轴机械激励测量装置。

绕联接点8，在前端表面6中形成四个底座9、9'、9"、9"'，所述四个底座9、9'、9"、9"'中的每个底座都用于接纳一个加速计。这些底座绕联接点以90度间隔旋转对称地布置。每个底座都通过在前端表面中加工出凹部而形成，并且包括用于加速计的三个接触表面。加速计具有可以被接纳在形成底座的凹部内的长方体形状。当加速计被接纳在一个底座内并且抵靠三个接触表面时，加速计在空间上以三维方式并且绕关于联接点的三条旋转轴线定位和定向。接触表面中的一个接触表面为平暖的并且平行于前端表面的凹部的底部接触表面，且因此被定向为垂直于中心轴线的方向。底座的三个接触表面中的另一个接触表面是在朝着中心轴线的方向上提供支撑的径向表面。底座的径向表面形成绕联接点的具有基本为正方形形状的支撑结构的表面，并且其中每个这种径向支撑表面距联接点的距离都相同。如图所示，每个底座都被凹部连接至相邻的底座，由此简化了加工并且提供直的径向接触表面，而没有来自对凹部进行加工的凹角，从而提高了加速计的定位精确性。第三接触表面为侧向(或者侧)接触表面，从而在垂直于轴向和径向方向的方向上向加速计提供侧向支撑。

两个平面的激励表面12、13形成在测量部的包络表面上，以联接机械激励源，该机械激励源与相应的激励表面正交。激励表面12和13彼此垂直并且垂直于前端表面6。它们的相应法向轴线被定向为使得它们与中心轴线交叉，即：激励表面为相对于中心轴线的径向表面。

参考图1(b)，示出装置的后端。接合部包括后端表面4和渐缩的阳型联接部3，该阳型联接部3具有圆化的多边形横截面，并且阳型联接部3从后端表面向后突出。后端表面径向地处于阳型联接部之外，从而形成接触表面。示例中示出的接合部基于SandvikCoromant 系统。

在图1(d)中示出沿旋转轴线(X)的前端表面的视图，其中装置中接纳了四个加速计。4个PCB压电356A24三轴加速计14、14'、14"、14"'被接纳(它们每个都处于其中一个底座9、9'、9"、9"'内)。每个加速计都为长方体的形式，具有正方形底部表面和通常远小于底部表面的一边的长度的高度。加速计被接纳在相应的凹部内，该加速计的前侧被朝着每个底座的内部径向接触表面15推动，因此将每个加速计都绕联接点8定位，距联接点相同距离。每个底座也形成例如在切向方向或者在y方向或者z方向上向加速计提供侧向支撑的侧接触表面16。因此，接纳在底座内的每个加速计都被在空间上以三维方式并且绕关于联接点的三条旋转轴线定位和定向。

每个底座都在径向方向(即，底座的长度)上具有大于底座的宽度的延伸部。在凹部的径向外端处形成第二径向表面。第二径向表面被径向地定位在加速计之外，并且因此在加速计和第二径向表面之间形成间隙16。这允许了每个加速计被接纳在凹部内，并且被朝着底座的内部径向接触表面15挤压。

凹部的深度相对于加速计的高度小。因此，加速计可以通过凹部的接触表面正确地定位和定向，同时加速计的大部分从前端表面延伸出来，因此提供用于将电线连接至加速计的空间，以传导测量信号。

加速计通过薄粘合剂层附接在形成底座的凹部内。可替选地，加速计可以通过机械紧固，例如螺钉或者通过压配合紧固。

使用响应耦合(receptance coupling)技术，以合成刀头处的动态响应。响应耦合技术的优点在于：机械系统(在该情况下为具有安装的切削刀具的机床)可以被视为子系统构成的组件。这种方法允许从在测量的混合基础上的子结构化，取决于最适合所述的子结构的模型化和分析来获得频率响应。

在测量装置的运行期间，一个加速计被安装在装置的每个底座内。装置被安装在将被使用的机床，例如铣床内。之后，通过连接振动器致动器形式的激励装置，依次由三个垂直方向上的机械能激励装置。因此，振动器致动器在激励位置F_x、F_y和F_z之间移动(参考图2b)。为了获得描述联接点处的六个自由度(DOF)的所有的频率响应函数(FRF)，人们将必须测量四种不同类型的FRF，即：分别对平移力和旋转动量的平移和旋转响应。联接点处的响应基于下文将描述的计算，并且基于联接点两侧上的配对的加速计之间的平均值和差值，从而基于平移激励得出平移和旋转响应。

为了例示这种计算，人们可以通过对加速计的响应取平均值(参见等式1和图2a)而得出z方向上的直接频率响应H_zz，并且通过加速计A和B在y方向上的平移响应的差(参见图2a)而得出绕x轴的旋转响应参见等式2。

通过采用这种方法，并且之后为了简化而根据图2b改变标记，可以测量等式3的FRF矩阵中的一半所需的元素。

采用麦克斯韦-贝蒂互换定理(Maxwell-Betti’s reciprocity principle)并且应用于系统识别状态空间模型(参见4.2)，从而填充等式3的FRF矩阵中的缺失的元素。为了产生子结构的系统模型，并且耦合这些子结构，使用并且开发了被称为状态空间分量合成的方法。这种方法依赖于线性时间不变量系统的连续时间状态空间描述，以下列方式写出外部力输入u和位移输出y：

其中x为状态向量和恒定系数矩阵{A,B,C,D}，其中A为状态矩阵，B为输入矩阵，C为输出矩阵，并且D为馈通矩阵。

在使用自动化模型阶数评价算法的子系统I按经验获得的FRF上执行系统识别。该算法使用拔靴法和统计学评价结合MATLAB的实施的状态空间子空间系统识别算法n4sid，具有产生下列形式等式5的MIMO(多输入多输出)状态空间FRF的加强的模型稳定性。

H(ω)＝C(jωI-A)B (等式5)

线性系统的互换原理(使用图2a作为参考)表明在方向1上的耦合节点处激励的系统，如果在方向2上施加相同激励力，则在方向2的相同位置处的被测量到的响与方向1上的响应相同。因此，满足下列数学关系：

H_ij＝H_ji (等式6)

为了建立全FRF矩阵，第一步骤是使用下列变形式，等式7，使用左特征向量V_left和右特征向量V_right，使状态空间模型采取块对角形式。

与B矩阵相关联的下标指示平移和动量输入，其中B_M从测量中缺失，而与C矩阵相关联的T和指示全部从测量得出的平移和旋转输出。通过结合等式5、6、7，人们可以得出下列互换关系等式8。

其中

并且基于第n模型贡献，人们可以将每个模型的互换关系写成

该等式给出

为了得出B_M的缺失的输入条目，系统变回其原始形式等式12。

并且通过(等式12)，人们现在可将全FRF矩阵建立为

在上述物理约束上，也解释稳定性和互换性。

作为可替选的加速计构造，图3和图4分别示出两个和三个加速计的示例。对于图3中所示的替选，两个加速计14和14'被成对地布置在联接点8的相对侧上。两个加速计相对于y轴和z轴分别成角度α和β，其中α和β优选地相同，例如为45度。通过已知角度α和β以及加速计的位置L₁、L₂、L₃和L₄，可以计算x、y和z方向上的激励响应，并且因此计算频率响应函数。图4示出三个加速计14、14'和14”绕联接点布置的相应的可替选构造。通过已知每个加速计的位置和旋转，可以计算x、y和z方向的激励响应，并且因此计算频率响应函数。

为了获得机床中的任意去屑加工刀具的频率响应函数，方法如下。首先，定义两个子结构，其中第一子结构由具有安装刀具、但是不带刀头的机床组成。第二子结构被定义为仅由刀具的刀头组成。

之后，对应于不带刀头的刀具的测量装置被安装在机床内，加速计被接纳在底座内，并且如上所述地进行测量。通过测量的结果计算安装在机床内的测量装置的频率响应函数。在图5中，在图5(a)中示出带有刀头的切削刀具的示例。在图5(b)中示出对应的子结构，其中示出作为第二子结构II的切削刀具的刀头。第一子结构I，即安装在机床内，但不带刀头的的切削刀具被示出为测量设置，其中具有一系列加速计14的测量装置1被安装在机床内。

通过有限元方法(FEM)计算第二子结构，即：切削刀具的特定刀头的频率响应函数。之后耦合第一子结构和第二子结构的频率响应函数，以获得包括第一子结构和第二子结构的装配系统的频率响应函数，因此对应于安装在机床内的刀具。例如，在P.的“振动传递路径的分量的识别与合成分析”(“Identification and synthesis ofcomponents for vibration transfer path analysis”)(2007年瑞典哥德堡查尔姆斯理工大学博士论文)中描述了频率响应函数的耦合。

使用组合结构的频率响应函数计算安装在机床内的刀具的稳定性图。在图6中示出稳定性图的一个示例。在该图中示出转速(水平轴)的稳定性与切削刀具的切削深度(竖轴)的关系。在实线下方，加工操作被视为是稳定的，即：颤振振动的风险低。在实线上方存在大的颤振振动的风险，这可能是引言中所讨论的加工期间的一个问题。因此，通过稳定性图可以选择运行参数，以提供良好的切削性能(例如，标以O)，并且因此可以避免其中可能发生颤振振动的运行参数(例如，标以X)。因此，可以选择由稳定性图指示的稳定区域内的运行参数。

Claims (20)

1.一种用于去屑机床的测量装置(1)，所述装置具有前端(10)和后端(11)，中心轴线(x)在所述前端和所述后端之间延伸，所述装置包括：

接合部(2)，所述接合部(2)处于所述后端，以接合所述机床；和

测量部(5)，所述测量部(5)处于所述前端，在所述接合部的远端，

其特征在于，所述测量部没有刀头，其中所述测量部包括：

平面的前端表面(6)，所述平面的前端表面(6)垂直于所述中心轴线，所述前端表面(6)包括用于接收机械激励的联接点(8)，其中所述联接点与所述中心轴线对齐，并且其中所述前端表面还包括多个底座(9、9'、9"、9"')，所述多个底座(9、9'、9"、9"')中的每个底座都用于接纳一个加速计，所述加速计用于测量所接收的机械激励的响应，

其中每个底座都包括用于所述加速计的三个接触表面，使得当加速计被接纳在所述多个底座中的一个底座内并且抵靠所述三个接触表面时，所述加速计在空间上以三维方式并且绕关于所述联接点的三条旋转轴线定位和定向。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其中所述三个接触表面中的一个接触表面是垂直于所述中心轴线延伸的轴向接触表面。

3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其中所述三个接触表面中的一个接触表面为径向接触表面(15、15'、15"、15"')。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其中每个底座的所述径向接触表面都被定位在距所述联接点相同的距离处。

5.根据上述权利要求任一项所述的测量装置，包括四个底座，用以绕所述联接点接纳和定位四个加速计。

6.根据权利要求5所述的测量装置，其中所述底座绕所述联接点旋转对称地布置。

7.根据上述权利要求任一项所述的测量装置，其中所述底座形成为所述前端表面中的凹部。

8.根据权利要求7所述的测量装置，其中每个底座都形成为长方体的凹部，以接纳具有长方体形状的加速计。

9.根据权利要求7或8所述的测量装置，其中每个底座都通过凹部连接至相邻的底座。

10.根据上述权利要求任一项所述的测量装置，其中所述接合部包括后端表面(4)和具有圆化的多边形横截面的渐缩的阳型联接部(3)，所述阳型联接部(3)从所述后端表面向后突出，其中所述后端表面径向地处于所述阳型联接部之外，从而形成接触表面。

11.根据上述权利要求任一项所述的测量装置，其中所述测量部具有圆柱形包络表面，所述包络表面连接至处于所述前端的所述平面的前端表面，其中用于联接机械激励源的两个平面的激励表面(12、13)在所述包络表面中形成，所述两个平面的激励表面(12、13)彼此垂直，并且垂直于所述前端表面，并且所述两个平面的激励表面(12、13)的法向轴线与中心轴线交叉，其中所述机械激励源与相应的所述激励表面正交。

12.根据上述权利要求任一项所述的测量装置，包括被接纳在每个底座(9、9'、9"、9"')内的一个加速计(14、14'、14"、14"')。

13.根据权利要求12所述的测量装置，其中所述加速计具有长方体形状，所述长方体形状具有底部表面和向前表面，其中每个底座都形成为所述前端表面中的凹部，其中每个底座的所述三个接触表面中的一个接触表面为垂直于所述中心轴线延伸的轴向接触表面，其中所述底座的所述三个接触表面中的另一个接触表面是用于在朝着所述中心轴线的方向上提供支撑的径向表面，并且其中所述底部表面接触所述底座的所述轴向表面，并且其中所述向前表面的至少一部分接触所述底座的所述径向表面。

14.根据权利要求13所述的测量装置，其中每个底座都包括第二径向表面，所述第二径向表面径向地处于所述加速计之外，并且其中在所述加速计和所述第二径向表面之间形成间隙(17、17'、17"、17"')。

15.根据权利要求13或14所述的测量装置，其中所述加速计具有高度，并且其中每个凹部都具有远小于所述加速计的高度的深度，使得所述加速计的大部分从前端表面延伸出来。

16.根据权利要求12至15任一项所述的测量装置，其中所述加速计通过粘合剂附接至所述底座。

17.一种获得机床中的去屑加工刀具的频率响应函数的方法，包括：

限定两个子结构，第一子结构由具有安装的刀具的机床组成，所述刀具不带刀头，并且第二子结构由刀具的刀头组成，

在所述机床中安装根据权利要求1至16任一项所述的测量装置(1)，所述测量装置对应于不带刀头的所述刀具，

在每个底座(9、9'、9"、9"')中都安装一个加速计(14、14'、14"、14"')，

以机械能激励所述测量装置，

通过所述加速计测量所述激励的响应，并且从所测量的激励响应计算安装在所述机床内的所述测量装置的频率响应函数，

将所述第一子结构的频率响应函数与安装在所述机床内的所述测量装置的频率响应函数相关联，

计算所述第二子结构的频率响应函数，以及

耦合所述第一子结构和第二子结构的所述频率响应函数，以获得针对包括所述第一子结构和所述第二子结构的装配系统的频率响应函数。

18.根据权利要求17所述的方法，其中以机械能激励所述测量装置包括在三个垂直方向上依次以机械能激励所述装置。

19.一种获得机床中的去屑加工刀具的稳定性图的方法，包括：根据权利要求17或18获得所述机床中的所述刀具的组合的频率响应函数，以及基于所述组合的频率响应函数计算针对该组合结构的所述稳定性图。

20.一种选择机床中的去屑加工刀具的运行参数的方法，包括：根据权利要求19获得机床中的去屑加工刀具的稳定性图，以及选择落入由所述稳定性图指示的稳定区域内的运行参数。