CN107097101B - 基于机床主轴‑刀柄‑刀具模态耦合技术的切削力测量方法 - Google Patents

基于机床主轴‑刀柄‑刀具模态耦合技术的切削力测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于机床主轴‑刀柄‑刀具模态耦合技术的切削力测量方法，用于解决现有切削力测量方法测量精度低的技术问题。技术方案是首先沿刀杆竖直方向选取位移传感器测量点，将位移传感器固定安装在选定位置处。然后分别采集空转和加工过程中刀杆测量点的变形位移，将二者相减，即可得到刀杆测量点处的实际变形位移。最后，利用结构模态耦合技术确定刀具刚度，结合得到的位移，即可计算获得切削力。本发明分别在空转和加工过程中采集刀杆测量点P的位移变形信号，确定出刀杆测量点P的实际位移变形信号δc‑δac，然后利用结构模态耦合技术确定刀杆测量点P处的刚度Kδ，最后将Kδ与δc‑δac相乘得到切削力。与背景技术相比，获得的切削力更加准确。

Description

基于机床主轴-刀柄-刀具模态耦合技术的切削力测量方法
技术领域
本发明涉及一种切削力测量方法，特别涉及一种基于机床主轴-刀柄-刀具模态耦合技术的切削力测量方法。
背景技术
文献1“朱坚民，王健，张统超等。基于刀具振动位移的动态铣削力测量方法。仪器仪表学报，2014，35(12)：2772–2782。”公开了一种基于刀具变形的切削力测量方法，该方法通过测量加工过程中的刀具单点变形量，并且利用悬臂梁理论确定相对应的刀具刚度，从而间接获取切削力。但该方法提出的确定刀具刚度的方法忽略了主轴-刀柄部分的变形，当刀具材料杨氏模量很大时，该方法确定的刀具刚度将严重偏离真实值，使得间接测得切削力不准确。
文献2“Albrecht A,Park S S,Altintas Y,et al.High frequency bandwidthcutting force measurement in milling using capacitance displacementsensors.International Journal of Machine Tools and Manufacture,2005,45:993–1008.”公开了一种基于主轴变形的切削力测量方法，该方法通过电容位移传感器测量加工过程中的主轴变形间接获取切削力。但该方法确定刀具刚度时，存在刀尖点到主轴的变形位移传递率较低以及主轴自身的振动影响测量准确度，导致测量力偏差大。
以上文献的典型特点是：在使用测量位移信号间接获得切削力的方法时，由于现有确定刀具刚度的方法误差大，导致材料杨氏模量很大的刀具或主轴振动影响大时，测量精度偏低。
发明内容
为了克服现有切削力测量方法测量精度低的不足，本发明提供一种基于机床主轴-刀柄-刀具模态耦合技术的切削力测量方法。该方法首先沿刀杆竖直方向选取位移传感器测量点，将位移传感器固定安装在选定位置处。然后分别采集空转和加工过程中刀杆测量点的变形位移，将二者相减，即可得到刀杆测量点处的实际变形位移。最后，利用结构模态耦合技术确定刀具刚度，结合得到的位移，即可计算获得切削力。本发明分别在空转和加工过程中采集刀杆测量点P的位移变形信号，确定出刀杆测量点P的实际位移变形信号δc-δac，然后利用结构模态耦合技术确定刀杆测量点P处的刚度Kδ，最后将Kδ与δc-δac相乘得到切削力。与背景技术相比，获得的切削力更加准确。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于机床主轴-刀柄-刀具模态耦合技术的切削力测量方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、将刀具装夹在机床上，在刀杆上选取测量点P；过测量点P所测位移在切削进给方向，测得切削力为进给方向切削力；在切削进给法向，测得切削力为进给法向切削力；
步骤二、将电容式位移传感器固定在刀杆的测量点P处，调节电容式位移传感器探头与测量点P之间的距离，使之达到传感器的测量范围，并将电容位移传感器与其配套驱动器、数据采集设备以及计算机连接好；
步骤三、采集机床空转时的刀杆测量点P的变形位移信号δac；
步骤四、采集机床加工过程中的刀杆测量点P的变形位移信号δc；
步骤五、计算刀杆测量点P的实际变形位移信号δc-δac；
步骤六、将机床-刀具系统划分为机床主轴-刀柄、刀柄与刀具接合面、刀具柄部和刀具刃部四个子结构，并对四个子结构建立有限元模型；
步骤七、机床主轴-刀柄的动力学方程为Zs(ω)Qs(ω)＝Fs-a(ω)；其中，Zs(ω)表示机床主轴-刀柄的刚度矩阵，Qs(ω)表示机床主轴-刀柄的位移向量，Fs-a(ω)表示刀柄-刀具接合面对机床主轴-刀柄的力向量。
步骤八、刀柄-刀具接合面的动力学方程为其中，Qa(t)表示刀柄-刀具接合面的位移向量，Fa-s(t)表示机床主轴-刀柄对刀柄-刀具接合面的力向量，Fa-k(t)表示刀具柄部对刀柄-刀具接合面的力向量，Ca表示刀柄-刀具接合面的阻尼矩阵，Ka表示刀柄-刀具接合面的刚度矩阵。
步骤九、刀具柄部的动力学方程为其中，Qk(t)表示刀具柄部的位移向量，Fk-a(t)表示刀柄-刀具接合面对刀具柄部的力向量，Fk-e(t)表示刀具刃部对刀具柄部的力向量，Mk表示刀具柄部的质量矩阵，Ck表示刀具柄部的阻尼矩阵，Kk表示刀具柄部的刚度矩阵；
步骤十、刀具刃部的动力学方程为其中，Qe(t)表示刀具刃部的位移向量，Fe-k(t)表示刀具柄部对刀具刃部的力向量，FA(t)表示施加在刀尖点的外力向量，Me表示刀具刃部的质量矩阵，Ce表示刀具刃部的阻尼矩阵，Ke表示刀具刃部的刚度矩阵；
步骤十一、将步骤八、步骤九和步骤十的方程进行傅里叶变换，结合步骤七的方程，机床-刀具系统的动态刚度矩阵通过下式计算：
其中，U为转换矩阵；
步骤十二、机床-刀具系统的频率响应函数矩阵，通过公式H(ω)＝Z-1(ω)计算；
步骤十三、从步骤十二得到的机床-刀具系统的频率响应函数矩阵H(ω)中提取刀具柄部测量点P处的频率响应函数；
步骤十四、选取步骤十三的频率响应函数幅值平稳段的频率响应函数，计算所述平稳段内频率响应函数的平均值Φ；
步骤十五、用公式计算刀杆测量点P的刚度；
步骤十六、由步骤五确定的δc-δac和步骤十五确定的Kδ，用公式F＝Kδ(δac-δc)计算得到切削力。
本发明的有益效果是：该方法首先沿刀杆竖直方向选取位移传感器测量点，将位移传感器固定安装在选定位置处。然后分别采集空转和加工过程中刀杆测量点的变形位移，将二者相减，即可得到刀杆测量点处的实际变形位移。最后，利用结构模态耦合技术确定刀具刚度，结合得到的位移，即可计算获得切削力。本发明分别在空转和加工过程中采集刀杆测量点P的位移变形信号，确定出刀杆测量点P的实际位移变形信号δc-δac，然后利用结构模态耦合技术确定刀杆测量点P处的刚度Kδ，最后将Kδ与δc-δac相乘得到切削力。与背景技术相比，获得的切削力更加准确。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明基于机床主轴-刀柄-刀具模态耦合技术的切削力测量方法实施例的切削力结果图。
具体实施方式
参照图1。本发明基于机床主轴-刀柄-刀具模态耦合技术的切削力测量方法具体步骤如下：
步骤一、将刀具装夹在刀柄上，并一起安装于机床之后，在刀杆上选取测量点P。
步骤二、电容位移传感器安装在切削力进给方向上的刀杆测量点P，调节电容式位移传感器探头与刀杆测量点之间的距离，使之达到传感器的测量范围，并将电容位移传感器与其配套驱动器、数据采集设备、计算机连接好，进行切削力的测量。加工工件材料为铝合金7050，使用刀具为4刃硬质合金铣刀，刀具直径为12mm，加工参数为：主轴转速为1000rpm，轴向切深2mm，径向切深3mm，进给速度320mm/min，切削力方向为进给方向；
步骤三、采集机床空转时的刀杆测量点P的变形位移信号δac；
步骤四、采集机床加工过程中的刀杆测量点P的变形位移信号δc；
步骤五、计算刀杆测量点P的实际变形位移信号δc-δac；
步骤六、首先将机床-刀具系统划分为机床主轴-刀柄、刀柄与刀具接合面、刀具柄部和刀具刃部四个子结构，并对四个子结构建立有限元模型；
步骤七、对机床主轴-刀柄子结构，机床主轴-刀柄的动力学方程为：
Zs(ω)Qs(ω)＝Fs-a(ω)
其中，Zs(ω)表示机床主轴-刀柄的刚度矩阵，Qs(ω)表示机床主轴-刀柄的位移向量，Fs-a(ω)表示刀柄-刀具接合面对机床主轴-刀柄的力向量。
步骤八、对刀柄-刀具接合面子结构，刀柄-刀具接合面动力学方程为：
其中，Qa(t)表示刀柄-刀具接合面的位移向量，Fa-s(t)表示机床主轴-刀柄对刀柄-刀具接合面的力向量，Fa-k(t)表示刀具柄部对刀柄-刀具接合面的力向量，Ca表示刀柄-刀具接合面的阻尼矩阵，Ka表示刀柄-刀具接合面的刚度矩阵。
步骤九、对刀具柄部子结构，刀具柄部的动力学方程为：
其中，Qk(t)表示刀具柄部的位移向量，Fk-a(t)表示刀柄-刀具接合面对刀具柄部的力向量，Fk-e(t)表示刀具刃部对刀具柄部的力向量，Mk表示刀具柄部的质量矩阵，Ck表示刀具柄部的阻尼矩阵，Kk表示刀具柄部的刚度矩阵；
步骤十、对刀具刃部子结构，刀具刃部的动力学方程为：
其中，Qe(t)表示刀具刃部的位移向量，Fe-k(t)表示刀具柄部对刀具刃部的力向量，FA(t)表示施加在刀尖点的外力向量，Me表示刀具刃部的质量矩阵，Ce表示刀具刃部的阻尼矩阵，Ke表示刀具刃部的刚度矩阵；
步骤十一、将步骤八、步骤九和步骤十得到的方程进行傅里叶变换，结合步骤七的方程，机床-刀具系统的动态刚度矩阵通过下式计算：
其中，U为转换矩阵；
步骤十二、机床-刀具系统的频率响应函数矩阵，通过下式计算：H(ω)＝Z-1(ω)
步骤十三、从步骤十二得到的机床-刀具系统的频率响应函数矩阵H(ω)中提取刀具柄部测量点P处的频率响应函数；
步骤十四、选取切削稳定段，求得该段内频率响应函数幅值的平均值Φ＝1.110μm/N；
步骤十五、求得刀杆测量点P的刚度Kδ＝9.010N/μm；
步骤十六、将确定的Kδ与δc-δac相乘，得到切削力。
从图1可以看到本方法最终得到的切削力。

Claims (1)

1.一种基于机床主轴-刀柄-刀具模态耦合技术的切削力测量方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、将刀具装夹在机床上，在刀杆上选取测量点P；过测量点P所测位移在切削进给方向，测得切削力为进给方向切削力；在切削进给法向，测得切削力为进给法向切削力；
步骤二、将电容式位移传感器固定在刀杆的测量点P处，调节电容式位移传感器探头与测量点P之间的距离，使之达到传感器的测量范围，并将电容式位移传感器与其配套驱动器、数据采集设备以及计算机连接好；
步骤三、采集机床空转时的刀杆测量点P的变形位移信号δac；
步骤四、采集机床加工过程中的刀杆测量点P的变形位移信号δc；
步骤五、计算刀杆测量点P的实际变形位移信号δc-δac；
步骤六、将机床-刀具系统划分为机床主轴-刀柄、刀柄与刀具接合面、刀具柄部和刀具刃部四个子结构，并对四个子结构建立有限元模型；
步骤七、机床主轴-刀柄的动力学方程为Zs(ω)Qs(ω)＝Fs-a(ω)；其中，Zs(ω)表示机床主轴-刀柄的刚度矩阵，Qs(ω)表示机床主轴-刀柄的位移向量，Fs-a(ω)表示刀柄-刀具接合面对机床主轴-刀柄的力向量；
步骤八、刀柄-刀具接合面的动力学方程为其中，Qa(t)表示刀柄-刀具接合面的位移向量，Fa-s(t)表示机床主轴-刀柄对刀柄-刀具接合面的力向量，Fa-k(t)表示刀具柄部对刀柄-刀具接合面的力向量，Ca表示刀柄-刀具接合面的阻尼矩阵，Ka表示刀柄-刀具接合面的刚度矩阵；
步骤九、刀具柄部的动力学方程为其中，Qk(t)表示刀具柄部的位移向量，Fk-a(t)表示刀柄-刀具接合面对刀具柄部的力向量，Fk-e(t)表示刀具刃部对刀具柄部的力向量，Mk表示刀具柄部的质量矩阵，Ck表示刀具柄部的阻尼矩阵，Kk表示刀具柄部的刚度矩阵；
步骤十、刀具刃部的动力学方程为其中，Qe(t)表示刀具刃部的位移向量，Fe-k(t)表示刀具柄部对刀具刃部的力向量，FA(t)表示施加在刀尖点的外力向量，Me表示刀具刃部的质量矩阵，Ce表示刀具刃部的阻尼矩阵，Ke表示刀具刃部的刚度矩阵；
步骤十一、将步骤八、步骤九和步骤十的方程进行傅里叶变换，结合步骤七的方程，机床-刀具系统的动态刚度矩阵通过下式计算：其中，U为转换矩阵；
步骤十二、机床-刀具系统的频率响应函数矩阵，通过公式H(ω)＝Z-1(ω)计算；
步骤十三、从步骤十二得到的机床-刀具系统的频率响应函数矩阵H(ω)中提取刀具柄部测量点P处的频率响应函数；
步骤十四、选取步骤十三的频率响应函数幅值平稳段的频率响应函数，计算所述平稳段内频率响应函数的平均值Φ；
步骤十五、用公式计算刀杆测量点P的刚度；
步骤十六、由步骤五确定的δc-δac和步骤十五确定的Kδ，用公式F＝Kδ(δac-δc)计算得到切削力。
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