CN109465668A - 一种基于零件-工装系统模态测试的切削颤振抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于“零件‑工装”系统模态测试的切削颤振抑制方法，包括以下步骤：a.选取零件上至少一点作为拾振点，选择零件上至少一点作为激励点；b.将零件在机床上进行装夹找正，建立零件‑工装系统；c.通过力锤在所述激励点处进行激励，获取所述激励点的输入信号，获取所述拾振点处的输出信号；d.分析所述输入信号和所述输出信号，获取第一阶、第二阶及第三阶模态的模态参数；e.拟合所述第一阶、第二阶及第三阶模态振型，选取最大幅值处,在所述最大幅值处设置抑振装置；f.重复步骤a‑c，将抑振前的零件的频响函数与抑振后零件的频响函数进行比对。
Description
技术领域
本发明涉及薄壁零件的切削颤振抑制方法领域，具体为一种基于“零件-工装”系统模态测试的切削颤振抑制方法。
背景技术
机械制造过程中的切削颤振已经成为影响产品质量的一个重要因素；它会使工件表面产生振痕，恶化工件的表面质量，影响机械零件的使用性能，严重时还会产生废品以及加剧切削刀具的磨损，机床切削加工系统的各个组成环节都将承受较大交变载荷的作用，机床的连接特性因此而受到破坏等。为了避免或减小切削颤振，有时不得不降低切削用量，致使机床和刀具的工作性能得不到充分发挥，限制了机床切削效率的提高。
模态试验又称试验模态分析，是为了确定线形振动系统的模态参数所进行的振动试验。模态参数是在频率域中对振动系统固有频率的一种描述，一般是指系统的固有频率、阻尼比、振型和模态质量。常见的模态参数辨识方法为频域法和时域法。模态试验可分为单点激励法和多点激励法。模态试验理论成熟，测试系统已实现模块化，数据采集及后处理拟合集成度高，已广泛应用于设计阶段，利用零件的固有频率避免使用过程中的共振，在生产加工过程中应用较少。
目前的颤振抑制的方法采取经验性的小切深/进给的试凑式加工或依据经验提高零件加工过程中的局部刚度，抑制存在盲目性。不仅加工效率低下，对于一些难加工零件存在基于加工精度的一次合格率难以保证，同时精度的稳定性保持处于不明状态，放置一段时间后因精度失稳进行返工甚至报废时有发生。
发明内容
不同的零件模态参数不同，零件在加工过程中不同的装卡方式模态参数也不同。本发明的目的是利用“零件-工装”系统的模态测试得到“零件-工装”系统的模态参数，基于其模态参数有针对性地采取颤振抑制技术，以解决传统颤振抑制方法的盲目，效率低下的问题，可以实现工件整个切削加工过程中振动的有效控制。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于“零件-工装”系统模态测试的切削颤振抑制方法，包括以下步骤：
a.选取零件上至少一点作为拾振点，选择零件上至少一点作为激励点；
b.将零件在机床上进行装夹找正，建立零件-工装系统；
c.通过力锤在所述激励点处进行激励，获取所述激励点的输入信号，获取所述拾振点处的输出信号；
d.分析所述输入信号和所述输出信号，获取第一阶、第二阶及第三阶模态的模态参数；
e.拟合所述第一阶、第二阶及第三阶模态振型，选取最大幅值处,在所述最大幅值处设置抑振装置；
f.重复步骤a-c，将抑振前的零件的频响函数与抑振后零件的频响函数进行比对。
进一步地，在所述步骤a中，通过有限元仿真分析或对实际切削的振动及变形测量，识别弱刚度处或振动变形较大处，并将其作为拾振点。
进一步地，在所述步骤c中，通过力锤在切削入刀处进行激励，激励方向与刀具方向一致。
进一步地，在所述步骤c中，通过在所述拾振点处设置加速度传感器，获取加速度传感器信号作为输出信号。
进一步地，所述抑振装置可为动力吸振器。
本发明的有益效果为：本发明方法理论成熟，简单易行，便于实现，颤振抑制针对性强，效率高，效果明显。本发明尤其适用于复杂结构的薄壁结构件，可以解决现有技术中复杂结构的薄壁件不能很好地减振的问题。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为基于“零件-工装”系统模态测试的切削颤振抑制方法的流程示意图；
图2为薄壁件三维模型示意图；
图3为零件的铣削过程示意图；
图4为该薄壁件的前三阶振型，图4a一阶振型，图4b二阶振型，图4c三阶振型；
图5为针对前三阶采取的阻尼器减振优化；
图6为零件减振优化抑振的减振效果，图6a为X方向的减振效果图，图6b 为Y方向的减振效果图，图6c为Z方向的减振效果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，其为一种基于“零件-工装”系统模态测试的切削颤振抑制方法的流程示意图。具体地，其包括以下步骤:
a.选取零件上至少一点作为拾振点，选择零件上至少一点作为激励点；
依据有限元仿真分析法或实际切削的振动以及变形情况，初步对“零件-工装”的弱刚度或振动变形较大，即变形控制、精度控制不易保证的区域进行辨识，结合零件实际装夹情况选取其作为拾振点。
b.将零件在机床上进行装夹找正，建立零件-工装系统；
c.通过力锤在所述激励点处进行激励，获取所述激励点的输入信号，获取所述拾振点处的输出信号；
在选取的拾振点处粘贴加速度传感器，激励试验中加速度传感器信号作为输出信号；利用力锤在切削入刀处进行激励，激励方向与刀具方向一致，此信号作为输入信号；依据SISO、SIMO、MIMO方法不同，可选取多个激励点或拾振点。具体地，依据激励点和拾振点的选择不同，若选取某一点作为激励点的方法为单点激励法，单点激励法分为单输入单输出识别法(SISO)，单输入多输出识别法(SIMO)。若选取若干点作为激励点的方法为多点激励法，多点激励法以多输入多输出识别法(MIMO)为主。单点激励法操作简单，理论成熟，常用于结构简单或振动变形情况简单的切削系统。
但单点激励法能力输入集中于一点，当能量在系统中分布不均，激励点附近能量过高使系统的非线性特性表现出来，远离激励点处响应信号幅值又过小使信号的信噪比很低，使模态实验的参数识别精度受到严重影响，从不同的响应所得结果一致性差。当激励点恰好位于系统某一阶模态振型的节点时，对该阶模态而言系统为不可控和不可观测的，参数识别时该阶模态将丢失模态参数识别时仅利用频响函数的一行或一列，信息量有限，因此对参数识别精度不高。且单点激励对密集模态辨识能力较弱。当单点激励法不足以满足系统分析需要时，可进行多点激励法进行分析。
d.分析所述输入信号和所述输出信号，获取第一阶、第二阶及第三阶模态的模态参数(质量、刚度、阻尼)；
e.拟合所述第一阶、第二阶及第三阶模态振型，选取最大幅值处,在所述最大幅值处设置抑振装置；
具体地，通过采集的加速度信号进行模态分析，常用的方法有峰值拾取法、频域分解法、时间序列法、随机减量法、NEXT法、随机子空间法和时频分析法等。峰值拾取法主要根据频响函数在固有频率附近出现峰值的原理提出的。峰值拾取法用结构响应的功率谱代替频响函数，该方法假定响应的功率谱峰值仅由一个模态确定。这样，系统的固有频率可由平均响应功率谱的峰值得到，用工作挠度近似代替系统的振型。该方法无法辨识密集模态，也无法辨识系统的阻尼，仅适用于实模态或比例阻尼的结构。但该方法辨识模态参数迅速，容易操作。依此方法确定的前三阶的最大幅值处作为主要优化对象。
f.重复步骤a-c，将抑振前的零件的频响函数与抑振后零件的频响函数进行比对。
如图2-6为本发明的实施例。
如图2所示，小端直径为50mm，大端直径为300mm，长度为850mm，壁厚为 16mm的半锥形件，属于典型的薄壁结构件。薄壁、异形且壁厚不均匀。材料去除量较大，材料去除率＞60％；装夹困难，因结构特点的限制，存在着零件自身支撑基准不稳、无可靠压夹点以及添加辅助支撑后零件加工“过定位”等问题。
在图3中，底面两边进行固定对外表面进行铣削，其加工外锥的过程中，由于零件本身刚度较弱加之加工过程中中空结构，切削过程中切削力大，极易发生颤振。激励点选取在最高点母线处，拾振点如黑点位置所示。
如图4所示，通过模态分析确定零件的振动敏感点，分别为大端底面半圆的60度、90度、120度位置及中部半圆的60度、120度位置。
图5为依据模态测试的模态参数在5个振动敏感点处，均同时布置多个动力吸振器。
图6为零件安装阻尼器前后的频响函数，零件的减振效果均十分显著，频率响应函数最大幅值减小量均在85％以上，最大可达到90％以上。基于“零件- 工装”系统的模态参数有针对性地采取颤振抑制技术，以解决传统颤振抑制方法的盲目，效率低下的问题，可以实现工件整个切削加工过程中振动的有效控制。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于“零件-工装”系统模态测试的切削颤振抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.选取零件上至少一点作为拾振点，选择零件上至少一点作为激励点；
b.将零件在机床上进行装夹找正，建立零件-工装系统；
c.通过力锤在所述激励点处进行激励，获取所述激励点的输入信号，获取所述拾振点处的输出信号；
d.分析所述输入信号和所述输出信号，获取第一阶、第二阶及第三阶模态的模态参数；
e.拟合所述第一阶、第二阶及第三阶模态振型，选取最大幅值处,在所述最大幅值处设置抑振装置；
f.重复步骤a-c，将抑振前的零件的频响函数与抑振后零件的频响函数进行比对。
2.如权利要求1所述的一种基于“零件-工装”系统模态测试的切削颤振抑制方法，其特征在于，在所述步骤a中，通过有限元仿真分析或对实际切削的振动及变形测量，识别弱刚度处或振动变形较大处，并将其作为拾振点。
3.如权利要求2所述的一种基于“零件-工装”系统模态测试的切削颤振抑制方法，其特征在于，在所述步骤c中，通过力锤在切削入刀处进行激励，激励方向与刀具方向一致。
4.如权利要求3所述的一种基于“零件-工装”系统模态测试的切削颤振抑制方法，其特征在于，在所述步骤c中，通过在所述拾振点处设置加速度传感器，获取加速度传感器信号作为输出信号。
5.如权利要求1所述的一种基于“零件-工装”系统模态测试的切削颤振抑制方法，其特征在于，所述抑振装置可为动力吸振器。
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