CN107976326B - 一种大螺距螺纹加工系统动柔度的获取方法 - Google Patents

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Abstract

一种大螺距螺纹加工系统动柔度的获取方法，切削过程中，所采集的刀尖点振动信号是综合机床‑工件‑刀具相互作用和时变切削力引起的振动即系统振动信号，在刀具处采集的力信号是由于系统振动所造成切削层参数变化引起的时变力信号即系统的力信号；传感器设置在接近刀尖点附近，刀具装夹在测力仪上，同时间采集振动加速度信号和力信号；根据大螺距螺纹高频振动特点，利用Matlab小波包分析对于加速度信号进行去低频和降噪处理；通时Matlab曲线拟合对处理后的数据进行拟合后两次积分可得到振动位移函数；对采集的力数据进行Matlab曲线拟合可得切削力函数；两函数相除即为系统动柔度；该方法易于实现，操作简单，可以快速获取不同转速、进给量等参数下的动柔度。

Description

一种大螺距螺纹加工系统动柔度的获取方法
技术领域
本发明涉及机械工程领域中系统动柔度的获取方法，具体的是涉及一种大螺距螺纹加工系统动柔度的获取方法。
背景技术
大螺距螺纹(螺距大于4mm)是大型设备零部件的重要组成部分，由于大螺距螺纹在加工中螺距大、长径比大，切削速度大，这些大螺距螺纹特点导致加工困难，加工系统稳定性差、产品质量不好，同时，对于系统的稳定性，系统动柔度是重要的衡量标准之一。目前对大螺距螺纹还缺乏快速有效的获取方法，一般在获取动柔度方法大多采用仿真及动刚度求取间接获取动柔度，缺乏有效直接获得动柔度的方法，本发明方法可快速直接获取系统动柔度，进一步来确定系统稳定，以此来优化加工中的切削参数。
在大螺距螺纹车削过程中，刀具的振动包含了机床、刀具与工件两两相互作用造成的振动和时变切削力引起的振动，由此在刀具刀尖点处采集的振动信号作为系统的振动信号；在工件切削过程中，系统振动造成切削层参数的变化引起时变力即系统力，由此可通过在刀具采集的力信号作为系统的力信号。
发明内容
本发明提供了一种大螺距螺纹加工系统动柔度的获取方法，其是实测数据和数据处理来获取系统动柔度，据此建立大螺距螺纹系统稳定域更加准确，同时，为进一步研究车削过程动态特性奠定基础。
本发明的一种大螺距螺纹加工系统动柔度的获取方法为实现上述目的所采用包括以下步骤。
步骤一、根据大螺距螺纹工件的结构来确定加工工艺及切削方式，根据加工工艺选取加工设备及其参数，同时设置信号采集器。
步骤二、根据切削方案对工件进行在不同参数下的车削加工，同时采集刀具振动加速度信号和刀具力信号。
步骤三、对不同切削参数下采集的数据，带入Matlab中进行处理以此获取振动位移函数和切削力函数。
步骤四、两函数相除即可获得不同切削参数下的系统动柔度，以此来估测系统稳定性。
进一步地，步骤一所选机床为CA6140为例，切削方式为车削加工。
进一步地，步骤二所选参数为主轴转速、轴向切深、径向切深、螺距和进给方向，采集振动信号和力信号时间一致。
进一步地，步骤三是对于采集的振动信号进行数据点提取利用Matlab小波包分解进行去除数据中的低频点保留高频点，结合小波降噪以获取更准确的加速度信号，经过调试发现三阶Symmlet小波母函数及软阈值去噪效果较好，其中阈值选取采用已有的方法通用阈值法(VisuShrink)最佳阈值T：
其中，w为信号长度；
位移函数形式如下：
其中，A、b、c为常数且由Matlab曲线拟合获得；i＝1,2,...,m1且m1≤8。
对于采集的力信号根据已有的切削力经验公式，考虑到大螺距螺纹的特点，加入参数轴向去除量，给出一般的力函数形式，公式形式如下：
其中，d1、d2、d3、ω、θ为常数且由Matlab曲线拟合获得；j＝1,3,...,m2且 m2≤8，z为单次轴向去除量，v为瞬时的切削速度，参数z、v为给定参数；处理后的数据采用Matlab曲线拟合的方法来获取最终的位移函数和切削力函数。
本方法的有益效果是：本发明是一种获取切削过程中大螺距螺纹系统的动柔度，利用实测数据经过低频和降噪处理使结果更加准确，这种方法获取的动柔度可使在加工中确定加工的稳定性有了有利根据，同时，该方法易于实现，操作简单，可以快速获取不同转速、进给量等参数下的动柔度。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为实验设备图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。包括以下步骤。
步骤一、选取实验所需的实验设备，选取有：CA6140机床、大螺距螺纹工件、刀具白钢刀、加速度传感器、测力仪、信号采集器、电荷放大器、计算机等设备。
步骤二、实验设备根据图2进行安装，并进行车床运行检测设备状态是否良好，若出现信号不稳定，则检查实验设备必要时可更换实验设备，若良好可根据实验方案进行下一步骤。
步骤三、机床开始运转对工件进行切削，其中根据以下列表进行实验。
步骤四、通过信号采集器及计算机获得实测数据。
步骤五、对于实验所测的加速度信号和力信号，分别导入到Matlab进行数据处理，以下分两部进行处理。
加速度信号处理：
(1)把加速度信号导入，利用Matlab中的小波包分解，其中根据大螺距螺纹特性去除信号中的低频信号保留高频信号；
(2)提取出高频信号，进行小波降噪去除切削过程中的噪声对信号的影响，经过调试发现三阶Symmlet小波母函数及软阈值去噪效果较好，其中阈值选取采用已有的方法通用阈值法(VisuShrink)最佳阈值T：
其中，w为信号长度；
(3)提取降噪后的数据，进行Matlab曲线拟合，其中拟合函数形式如下：
其中，a、b、c为常数且由Matlab曲线拟合获得；i＝1,2,...,m1且m1≤8；
(4)对以上函数进行两次积分即为振动位移函数：
其中，A、b、c为常数且由Matlab曲线拟合获得；i＝1,2,...,m1且m1≤8。
力信号处理：
根据已有的切削力经验公式，考虑到大螺距螺纹的特点，加入参数轴向去除量，则力函数形式如下：
其中，d1、d2、d3、ω、θ为常数且由Matlab曲线拟合获得；j＝1,3,...,m2且 m2≤8，z为单次轴向去除量，v为瞬时的切削速度，参数z、v为给定参数；把力信号导入Matlab，进行曲线拟合即可求出各参数，即切削力函数。
系统动柔度即为位移函数与切削力函数相除，函数关系如下：

Claims (4)

1.一种大螺距螺纹加工系统动柔度的获取方法，其技术特征在于，包括以下步骤：
步骤一、信号采集；采用加速度传感器和测力仪，采集靠近刀尖处的振动信号和力信号，以此获取切削过程中的原始数据；
步骤二、数据预处理；对于采集的振动信号进行数据点提取使用Matlab小波包分解进行去除数据中的低频点保留高频点，结合小波降噪以获取更准确的振动加速度信号；
步骤三、预处理后的数据再经过Matlab编程处理可获得以时间为自变量的位移函数和切削力函数关系，所述位移函数为：
其中，A、b、c为常数且由Matlab曲线拟合获得；i＝1,2,...,m1且m1≤8；
所述切削力函数为：
其中，d1、d2、d3、ω、θ为常数且由Matlab曲线拟合获得；j＝1,3,...,m2且m2≤8，z为单次轴向去除量，v为瞬时的切削速度；
步骤四、这两者的相除即为动柔度函数关系，以此方法可获取不同转速、进给量等参数下的动柔度为：
2.根据权利要求1所述的一种大螺距螺纹加工系统动柔度的获取方法，其技术特征在于采用多通道数据采集器对加速度传感器和测力仪进行同步采集，以便为后续数据处理做准备。
3.根据权利要求1所述的一种大螺距螺纹加工系统动柔度的获取方法，其技术特征在于Matlab小波包对原始数据的处理，获取原始数据后导入Matlab进行小波包分阶，根据在切削过程中大螺距螺纹系统高频振动特点去除低频信号保留高频信号，再对高频信号进行小波包阈值降噪。
4.根据权利要求1所述的一种大螺距螺纹加工系统动柔度的获取方法，其技术特征在于处理后的数据采用Matlab曲线拟合的方法来获取最终的振动位移函数和切削力函数且时间为自变量，两函数时间保持一致。
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