CN108871822A - 一种数控机床静刚度评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数控机床静刚度评价方法，首先将机床刚度测量值指数化处理，以刚度指数评价不同规格机床相对刚度；然后将机床连续测量刚度值线性化处理，考察刚度一致性，观察并记录弱刚度环节的影响情况；再比较机床三个坐标方向刚度，考察机床弱刚度方向与弱刚度环影响度，该方法通过对机床连续施加负载力，对测量获得的刚度值曲线能够更准确分析机床刚度情况，发现机床刚度链的薄弱环节；通过指数化比较评价，能够直观、简捷的得出机床刚度实际情况，便于比较评价相对值；根据机床的刚度一致性，合理的以刚度指数值评价机床性能质量。

Description

一种数控机床静刚度评价方法

技术领域

本发明涉及机床性能检测领域，具体为一种数控机床静刚度评价方法。

背景技术

对于金属切削机床，切削过程中存在外力(切削力、重力、惯性力等)是不可避免的，在外力的作用下，机床的加工工艺系统(机床、刀具、工件)会发生变形，这种变形的直接后果是加工件的精度降低。因此，机床抵抗外力变形的性能是反映机床加工性能的重要指标，一般用机床静刚度来表示。测试和评估机床静刚度是保证机床高质量加工的重要一环，也是提高加工系统性能的基本前提。

然而，在传统的静刚度检测方法中，一般将进给轴方向的刚度(X轴，Y轴、Z轴等)作为机床的刚度，并且只对进给轴方向的刚度进行检测。在测试时需要对主轴(或工作台)进行逐渐加载，同时记录主轴的所受载荷的大小和指定方向的位移，得到力和变形的滞回曲线，从而得到机床在该进给方向的静刚度。

作为承受切削力进行加工的机床，刚度是衡量机床性能的重要参数，通过影响加工效率、精度等间接反映机床质。本发明通过一种连续力作用下刚度值和刚度一致性以及与平均机床刚度比较的指数评价方法，不仅可以系统、合理、简捷有效的评价机床刚度，也是评价机床质量的一个组成部分，刚度是反映机床性能的指标，对切削效率、加工精度影响很大。目前的刚度测量值是在额定力作用下一个点的机床弹性变形量作为静刚度值，k＝F/δ(N/μ)。刚度值只是考察机床的一个参考，不作为评价机床的一个硬性指标。存在的问题为：

(1)不能有效的反映机床整体负载范围实际刚度情况，特别是对于不同负载力作用下刚度值变化比较大，存在明显非线性；

(2)由于机床是由多环节形成刚度链。在不同负载力作用下，没有反映各环节刚度值不一致情况；

(3)不同规格的机床，无法相对比较刚度值；

(4)没有对比方法，不能通过刚度评价机床质量。

发明内容

为了克服现有技术方案的不足,本发明提供一种数控机床静刚度评价方法，通过对机床连续施加负载力，对测量获得的刚度值曲线能够更准确分析机床刚度情况，发现机床刚度链的薄弱环节；通过指数化比较评价，能够直观、简捷的得出机床刚度实际情况，便于比较评价相对值；根据机床的刚度一致性，合理的以刚度指数值评价机床性能质量，能有效的解决背景技术提出的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种数控机床静刚度评价方法，包括如下步骤：

步骤100、机床刚度测量值指数化：将机床刚度测量值指数化处理，以刚度指数评价不同规格机床相对刚度；

步骤200、机床静刚度线性度评价：将机床连续测量刚度值线性化处理，考察刚度一致性，观察并记录弱刚度环节的影响情况；

步骤300、机床坐标刚度一致性与弱刚度评价：比较机床三个坐标方向刚度，考察机床弱刚度方向与弱刚度环影响度。

作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤100中机床刚度测量值指数化的方法包括：

步骤101、定义和计算静刚度系数，静刚度指数f为评价机床刚度与平均机床刚度差值的间接参数；

步骤102、根据计算公式对刚度指数化进行处理。

作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤101包括：

设静刚度k，k＝F/δ；

设x为机床一坐标方向刚度系数，机床主功率w(KW)；

刚度系数为刚度值k和机床主功率w的比值，即为：

x＝k/w。

作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤102包括：

设指数常数a，计算公式为：

其中，指数常数a为机床统计刚度系数均值；

设静刚度评价平均指数f₀均值为1；

待评价机床刚度指数为：f_j＝k/aw＝x/a。

作为本发明一种优选的技术方案，所述机床静刚度指数大于或小于1即为评价机床静刚度的基本参数。

作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤200中机床静刚度线性度K(F)定义为机床在承受变化负载力作用下刚度变化情况；

K(F)＝F/δ；

设定有效负载里范围0～F_f；其中F_f为峰值切削力；

设定额定力作用下刚度k_e，刚度额定值为k_e＝(F_e)/δ_e，理想刚度曲线为斜率为k_e的直线；

非线性刚度波动幅度是偏离额定刚度值，离散点刚度差Δ＝k_e-k_i；

计算刚度均方差a：

作为本发明一种优选的技术方案，所述刚度均方差a<10％认为在线性范围，结构刚度一致性较好；最大刚度差Δ_max所在位置为弱刚度环节。

作为本发明一种优选的技术方案，所述步骤300包括：

设定设f_j为坐标方向刚度指数，j＝(X,Y,Z)，X,Y,Z为机床坐标；

f_X，f_Y，f_Z为各坐标方向刚度指数，指数差值程度为机床坐标刚度一致性；当差值大于20％，认为机床坐标方法刚度一致性差；

在f_X，f_Y，f_Z中最小值为弱刚度方向，机床整机刚度指数评价以弱刚度方向作为评价值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)通过对机床连续施加负载力，对测量获得的刚度值曲线能够更准确分析机床刚度情况，发现机床刚度链的薄弱环节；

(2)通过指数化比较评价，能够直观、简捷的得出机床刚度实际情况，便于比较评价相对值；

(3)根据机床的刚度一致性，合理的以刚度指数值评价机床性能质量。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明主轴功率为7.5KW的机床刚度测量曲线图；

图3为本发明主轴功率为11KW的机床刚度测量曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种数控机床静刚度评价方法，具体为一种数控机床刚度指数化评价与反映刚度链一致性的方法，首先将机床刚度测量值指数化处理，以刚度指数评价不同规格机床相对刚度；然后将机床连续测量刚度值线性化处理，考察刚度一致性，观察并记录弱刚度环节的影响情况；再比较机床三个坐标方向刚度，考察机床弱刚度方向与弱刚度环影响度。

该方法通过对机床连续施加负载力，对测量获得的刚度值曲线能够更准确分析机床刚度情况，发现机床刚度链的薄弱环节；通过指数化比较评价，能够直观、简捷的得出机床刚度实际情况，便于比较评价相对值；根据机床的刚度一致性，合理的以刚度指数值评价机床性能质量。

该评价方法的具体步骤如下：

步骤一、刚度测量值指数化；

静刚度指数f为评价机床刚度与平均机床刚度差值的间接参数。

首先定义和计算静刚度系数；

设静刚度k，k＝F/δ；

设x为机床一坐标方向刚度系数，机床主功率w(KW)；

刚度系数为刚度值k和机床主功率w的比值；

x＝k/w

然后进行刚度指数化处理；

设定指数常数a，计算公式为：

其中，指数常数a为机床统计刚度系数均值。

静刚度评价平均指数f₀均值为1。

待评价机床刚度指数为：f_j＝k/aw＝x/a；

机床静刚度指数大于或小于1即为评价机床静刚度的基本参数。

步骤二、机床静刚度线性度评价；

机床静刚度线性度K(F)定义为机床在承受变化负载力作用下刚度变化情况；

K(F)＝F/δ；

设定有效负载里范围0～F_f；其中F_f为峰值切削力；

设定额定力作用下刚度k_e，刚度额定值为k_e＝(F_e)/δ_e，理想刚度曲线为斜率为k_e的直线(如图2所示)；

非线性刚度波动幅度是偏离额定刚度值，离散点刚度差Δ＝k_e-k_i；

计算刚度均方差a：

均方差刚度<10％认为在线性范围，结构刚度一致性较好；

最大刚度差Δ_max所在位置为弱刚度环节(如图3所示)。

步骤三、机床坐标刚度一致性与弱刚度评价。

设f_j为坐标方向刚度指数，j＝(X,Y,Z)，X,Y,Z为机床坐标。

f_X，f_Y，f_Z为各坐标方向刚度指数，指数差值程度为机床坐标刚度一致性。当差值大于20％，认为机床坐标方法刚度一致性差。

在f_X，f_Y，f_Z中最小值为弱刚度方向，机床整机刚度指数评价以弱刚度方法作为评价值。

现以主轴功率分别为7.5KW和11KW的机床对其刚度测量，曲线分分别如图2和图3所示。

如图2所示，为7.5KW主轴功率的机床刚度测量曲线。

按照步骤一中刚度指数计算方法，指数常数取4，计算刚度指数

k_e＝F/δ＝1000/31＝32.3，

f₁＝k_e/aXW＝32.3/7.5*4＝1.07>1，

评价：刚度指数大于平均值，离散度小于10％。

如图3所示，为11KW主轴功率的机床刚度测量曲线。

同上述图1计算方法，图2测量刚度指数计算

k_e＝F/δ＝1200/32＝37.5，

f＝k_e/aXW＝37.5/11*4＝0.85<1，

评价：刚度指数小于平均值，离散度大于10％。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种数控机床静刚度评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤100、机床刚度测量值指数化：将机床刚度测量值指数化处理，以刚度指数评价不同规格机床相对刚度；

步骤200、机床静刚度线性度评价：将机床连续测量刚度值线性化处理，考察刚度一致性，观察并记录弱刚度环节的影响情况；

步骤300、机床坐标刚度一致性与弱刚度评价：比较机床三个坐标方向刚度，考察机床弱刚度方向与弱刚度环影响度。

2.根据权利要求1所述的一种数控机床静刚度评价方法，其特征在于：所述步骤100中机床刚度测量值指数化的方法包括：

步骤101、定义和计算静刚度系数，静刚度指数f为评价机床刚度与平均机床刚度差值的间接参数；

步骤102、根据计算公式对刚度指数化进行处理。

3.根据权利要求2所述的一种数控机床静刚度评价方法，其特征在于：所述步骤101包括：

设静刚度k，k＝F/δ；

设x为机床一坐标方向刚度系数，机床主功率w(KW)；

刚度系数为刚度值k和机床主功率w的比值，即为：

x＝k/w。

4.根据权利要求2所述的一种数控机床静刚度评价方法，其特征在于：所述步骤102包括：

设指数常数a，计算公式为：

其中，指数常数a为机床统计刚度系数均值；

设静刚度评价平均指数f₀均值为1；

待评价机床刚度指数为：f_j＝k/aw＝x/a。

5.根据权利要求4所述的一种数控机床静刚度评价方法，其特征在于：所述机床静刚度指数大于或小于1即为评价机床静刚度的基本参数。

6.根据权利要求1所述的一种数控机床静刚度评价方法，其特征在于：所述步骤200中机床静刚度线性度K(F)定义为机床在承受变化负载力作用下刚度变化情况；

K(F)＝F/δ；

设定有效负载里范围0～F_f；其中F_f为峰值切削力；

设定额定力作用下刚度k_e，刚度额定值为k_e＝(F_e)/δ_e，理想刚度曲线为斜率为k_e的直线；

非线性刚度波动幅度是偏离额定刚度值，离散点刚度差Δ＝k_e-k_i；

计算刚度均方差a：

。

7.根据权利要求1所述的一种数控机床静刚度评价方法，其特征在于：所述刚度均方差a<10％认为在线性范围，结构刚度一致性较好；最大刚度差Δ_max所在位置为弱刚度环节。

8.根据权利要求1所述的一种数控机床静刚度评价方法，其特征在于：所述步骤300包括：

设定设f_j为坐标方向刚度指数，j＝(X,Y,Z)，X,Y,Z为机床坐标；

f_X，f_Y，f_Z为各坐标方向刚度指数，指数差值程度为机床坐标刚度一致性；当差值大于20％，认为机床坐标方法刚度一致性差；

在f_X，f_Y，f_Z中最小值为弱刚度方向，机床整机刚度指数评价以弱刚度方向作为评价值。