CN112916883A - 一种航轴车削加工让刀变形预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航轴车削加工让刀变形预测方法，属于精密车削加工领域，包括：在航轴车削加工过程中，实时采集切触点的位置坐标和数控车床运行数据，分别输入刚度回归模型和切削力模型，得到切触点处的三阶刚度矩阵K和三向切削力向量F；按照δ＝K^‑1F预测切触点处的三向让刀变形向量δ；刚度回归模型的建立方式包括：建立航轴的三维模型，设置m个切触点并计算三阶刚度矩阵；利用各三阶刚度矩阵中同一位置处的元素组成一个刚度序列；结合m个切触点的坐标位置，通过支持向量回归建立各刚度序列对应的刚度回归方程，用于预测三阶刚度矩阵中对应位置处的元素；由所有刚度回归方程组合为刚度回归模型。本发明能够提高航轴车削加工让刀变形预测的速度和精度。

Description

一种航轴车削加工让刀变形预测方法

技术领域

本发明属于精密车削加工领域，更具体地，涉及一种航轴车削加工让刀变形预测方法。

背景技术

航轴作为航空发动机中一类典型的零部件，很好地满足了整体结构轻量化的设计要求，主要作为承载和包容部件，因此被广泛应用。航轴的加工精度影响着发动机整机的性能、工作效率及寿命，而在切削加工中零件产生的变形将直接导致加工精度降低。零件的加工变形受到切削力、切削热、毛坯初始残余应力和装夹方式等多方面因素的影响，而对于长径比大、壁厚薄的柔性细长轴，航轴所发生的让刀变形现象，是导致其出现加工变形的主要原因，具体表现为切削过程中刀具的刚性较好，航轴的刚性较差，由于切削力的作用，刀具对航轴的挤压使航轴产生弹性变形，因此刀具在理论走刀路径下无法完成理论切削深度，在切削完成后，航轴的弹性变形恢复，会造成走刀路径上的实际壁厚值大于理论壁厚。

对于航轴的车削加工而言，让刀变形的大小反映了航轴的加工精度，进行让刀变形预测有利于进一步对工艺参数进行优化，从而提高加工精度。传统的让刀变形预测方法主要是根据工艺参数，离线对工件模型进行切削有限元仿真，得到让刀变形值，这种方法没能考虑到实际加工情况的变化，预测值通常有较大误差，且有限元仿真时间较长，预测效率较为低下。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种航轴车削加工让刀变形预测方法，其目的在于，提高航轴车削加工让刀变形的预测速度和预测精度，实现快速、实时、精确的预测。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种航轴车削加工让刀变形预测方法，包括：

在航轴车削加工过程中，将实时采集的切触点的位置坐标输入预先建立的刚度回归模型，以预测得到切触点处的三阶刚度矩阵K，并将与切触点对应的数控车床运行数据输入预先建立的切削力模型，以预测得到切触点处的三向切削力向量F；按照δ＝K^-1F预测切触点处的三向让刀变形向量δ；

其中，切削力模型用于根据数控车床的运行数据预测对应的三向切削力向量，刚度回归模型用于根据切触点的位置坐标预测切触点处的三阶刚度矩阵；刚度回归模型的建立方式包括：

建立航轴的三维模型，在其上设置m个离散的切触点，并计算各切触点处的三阶刚度矩阵；利用各三阶刚度矩阵中同一位置处的元素组成一个m维的刚度序列，共得到9个刚度序列；对于每一个刚度序列R_ij，结合m个切触点的坐标位置，通过支持向量回归的方式建立一个刚度回归方程，用于根据切触点的位置坐标预测该切触点处的三阶刚度矩阵中与刚度序列R_ij对应的位置处的元素；由所建立的9个刚度回归方程组合为刚度回归模型。

本发明通过支持向量回归的方式建立刚度回归模型，仅输入切触点的位置坐标，即可快速输出该切触点处的三阶刚度矩阵；在此基础上，本发明在车削加工过程中，实时采集切触点的位置坐标和对应的数控车床运行数据，并利用预先建立的刚度回归模型和切削力模型预测对应的三阶刚度矩阵和对应的三向切削力向量，之后通过简单的矩阵运算预测得到三向让刀变形，此过程可快速完成，保证预测的实时性，并且以实时采集数据为输入数据，能够及时适应加工情况的变化，保证预测精度。总体而言，本发明能够有效提高航轴车削加工让刀变形的预测速度和预测精度，实现快速、实时、精确的预测。

进一步地，数控车床的运行数据包括：主轴三相电流I_SU、I_SV、I_SW，进给轴X向三相电流I_FXU、I_FXV、I_FXW，进给轴Z向三相电流I_FZU、I_FZV、I_FZW，主轴转速n、轴向进给速度f_a、径向进给速度f_r；

切削力模型的表达式如下：

其中，F_t、F_r、F_a分别表示切向切削力、径向切削力和轴向切削力；I_Srms、I_FXrms和I_FZrms分别表示主轴三相电流有效值、进给轴X向三相电流有效值和进给轴Z向三相电流有效值；k_t1、k_r1和k_a1分别表示主轴电流系数、进给X轴电流系数和进给Z轴电流系数；k_t2、k_r2和k_a2分别表示主轴速度系数、径向进给速度系数和轴向进给速度系数；b_t、b_r和b_a分别是切向力校正常数、径向力校正常数和轴向力校正常数；数控车床的主轴旋转方向、进给轴X向和进给轴Z向分别与航轴的切向、径向和轴向一致。

在车削加工过程中，数控车床每一个方向上的电机驱动力会转换为对应方向上的切削力、摩擦力和惯性力，其中，电机驱动力与三相电流相关，摩擦力与速度相关，惯性力与加速度相关，而由于数控车床加工过程中，匀速转动，加速度为0，从而惯性力也为0；基于上述分析，本发明所建立的切削力模型中，将每一个方向上的切削力表示为对应方向上的三相电流有效值和速度的线性回归模型，在保证准确预测切削力的同时，计算量小，能够快速完成切削力的预测，从而能够进一步提高三向让刀变形的预测速度，保证实时性。

进一步地，切削力模型的建立方法包括：

获得多组已知切削力所对应的数控车床运行数据，并将每一个方向上的三相电流预处理为对应的三相电流有效值；

对于每一方向，以三相电流有效值和速度信息为输入，以该方向上的切削力为输出，通过二元线性回归的方法得到该方向上的电流系数、速度系数和力校正常数，从而得到该方向上的切削力模型；

由切向、径向和轴向上的切削力模型组合为数控车床的切削力模型。

本发明对于每一个方向上的切削力，以三相电流有效值和速度信息为输入，以该方向上的切削力为输出，通过二元线性回归的方法得到该方向上的电流系数、速度系数和力校正常数，最终得到的切削力模型简单，计算量小。

进一步地，

进一步地，建立航轴的三维模型，在其上设置m个离散的切触点，并计算各切触点处的三阶刚度矩阵，包括如下步骤：

(S1)采用有限元仿真软件建立航轴的三维模型，并对三维模型进行材料参数设置、约束方式设置和有限元网格划分；

(S2)结合m个切触点的位置坐标，基于子结构分析方法获取各切触点位置处的三阶刚度矩阵。

通过有限元仿真的方式，可以计算切触点处的三阶或更高阶刚度矩阵，本发明在建立刚度回归模型时，利用有限元仿真的方式批量建立多个切触点处的三阶刚度矩阵，所计算的刚度矩阵规模小，在保证获得所需刚度信息的情况下，使计算量最小化，从而提高刚度回归模型的建立效率。

进一步地，步骤(S2)包括：

对于当前所设定的三维坐标，将距离该三维坐标最近的有限元结点设定为子结构，设置子结构所有方向的自由度为主自由度，通过有限元仿真的方式求解得到相应的三阶刚度矩阵；

将m个切触点的位置坐标循环设定为待获取刚度矩阵处的三维坐标，并求解所设定的三维坐标的三阶刚度矩阵，从而批量求解得到m个切触点处的三阶刚度矩阵。

按照本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序；计算机程序被处理器执行时，控制计算机可读存储介质所在设备执行本发明提供的航轴车削加工让刀变形预测方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明通过支持向量回归的方式建立刚度回归模型，仅输入切触点的位置坐标，即可快速输出该切触点处的三阶刚度矩阵，从而可用于以刚度信息的在线实时预测；在此基础上，本发明在车削加工过程中，实时采集切触点的位置坐标和对应的数控车床运行数据，并利用预先建立的刚度回归模型和切削力模型预测对应的三阶刚度矩阵和对应的三向切削力向量，之后通过简单的矩阵运算预测得到三向让刀变形，此过程可快速完成，保证预测的实时性，并且以实时采集数据为输入数据，能够及时适应加工情况的变化，保证预测精度。总体而言，本发明能够有效提高航轴车削加工让刀变形的预测速度和预测精度，实现快速、实时、精确的预测。

(2)本发明从理论上分析出了航轴车削加工过程中切削力的影响因素，将每一个方向上的切削力表示为对应方向上的三相电流有效值和速度的线性回归模型，在保证准确预测切削力的同时，有效简化了模型表达式，计算量小，能够快速完成切削力的预测，从而能够进一步提高三向让刀变形的预测速度，保证实时性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的航轴车削加工让刀变形预测方法；

图2为本发明实施例提供的航轴车削加工过程中，航轴的受力情况及各轴移动情况的示意图；

图3为本发明实施例提供的对离散刚度矩阵处理的示意图；

图4为本发明实施例提供的切触点处的三向让刀变形示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

为了解决根据工艺参数，离线对工件模型进行切削有限元仿真，得到让刀变形值的方法误差大、效率低的技术问题，本发明提供了一种航轴车削加工让刀变形预测方法，其整体思路在于：通过建立特殊的模型，在保证对切削力和刚度矩阵预测精度的基础上，提高预测速度；在航轴车削加工过程中，实时采集切触点的位置坐标和数控车床运行数据，利用所建立的模型分别对切削力和刚度矩阵进行快速预测，以计算三向让刀变形，从而实现对航轴车削加工让刀变形的快速、实时、精确预测。

以下为实施例。

实施例1：

一种航轴车削加工让刀变形预测方法，如图1所示，包括：

在航轴车削加工过程中，将实时采集的切触点的位置坐标输入预先建立的刚度回归模型，以预测得到切触点处的三阶刚度矩阵K，并将与切触点对应的数控车床运行数据输入预先建立的切削力模型，以预测得到切触点处的三向切削力向量F；按照δ＝K^-1F预测切触点处的三向让刀变形向量δ；

其中，切削力模型用于根据数控车床的运行数据预测对应的三向切削力向量，刚度回归模型用于根据切触点的位置坐标预测切触点处的三阶刚度矩阵；

航轴车削加工过程中，航轴的受力情况及各轴移动情况的如图2所示；在车削加工过程中，数控车床每一个方向上的电机驱动力会转换为对应方向上的切削力、摩擦力和惯性力，其中，电机驱动力与三相电流相关，摩擦力与速度相关，惯性力与加速度相关，而由于数控车床加工过程中，匀速转动，加速度为0，从而惯性力也为0；基于上述分析，为了在保证准确预测切削力的基础上尽量简化预测模型，提高对切削力的预测速度，作为优选的实施方式，本实施例中，作为切削力模型输入数据的运行数据具体包括数控车床各轴的电流信息和速度信息，具体包括：主轴三相电流I_SU、I_SV、I_SW，进给轴X向三相电流I_FXU、I_FXV、I_FXW，进给轴Z向三相电流I_FZU、I_FZV、I_FZW，主轴转速n、轴向进给速度f_a、径向进给速度f_r；

切削力模型的表达式如下：

其中，F_t、F_r、F_a分别表示切向切削力、径向切削力和轴向切削力；I_Srms、I_FXrms和I_FZrms分别表示主轴三相电流有效值、进给轴X向三相电流有效值和进给轴Z向三相电流有效值；k_t1、k_r1和k_a1分别表示主轴电流系数、进给X轴电流系数和进给Z轴电流系数；k_t2、k_r2和k_a2分别表示主轴速度系数、径向进给速度系数和轴向进给速度系数；b_t、b_r和b_a分别是切向力校正常数、径向力校正常数和轴向力校正常数；数控车床的主轴旋转方向、进给轴X向和进给轴Z向分别与航轴的切向、径向和轴向一致；

以上切削力模型的具体建立方法包括：

获得多组已知切削力所对应的数控车床运行数据，并将每一个方向上的三相电流预处理为对应的三相电流有效值；各方向上的三相电流有效值的具体计算公式如下：

对于每一方向，以三相电流有效值和速度信息为输入，以该方向上的切削力为输出，通过二元线性回归的方法得到该方向上的电流系数、速度系数和力校正常数，从而得到该方向上的切削力模型；以主轴方向为例，以主轴三相电流有效值I_Srms和主轴转速n为输入，以切向切削力F_t为输出，利用已经获取的数据，通过二元线性回归的方法得到主轴电流系数k_t1、主轴速度系数k_t2和切向力校正常数b_t，由此完成切向切削力模型的建立；对于径向和轴向的切削力模型，建立过程类似，以进给轴X向三相电流有效值I_FXrms和径向进给速度f_r为输入，以径向切削力F_r为输出，利用已经获取的数据，通过二元线性回归的方法得到进给X轴电流系数k_r1、径向进给速度系数k_r2和径向力校正常数b_r，由此完成径向切削力模型的建立；以进给轴Z向三相电流有效值I_FZrms和轴向进给速度f_a为输入，以轴向切削力F_t为输出，利用已经获取的数据，通过二元线性回归的方法得到进给Z轴电流系数k_a1、轴向进给速度系数k_a2和轴向力校正常数b_a，由此完成轴向切削力模型的建立；

由切向、径向和轴向上的切削力模型组合为数控车床的切削力模型；

本实施例通过将每一个方向上的切削力表示为对应方向上的三相电流有效值和速度的线性回归模型，在保证准确预测切削力的同时，计算量小，能够快速完成切削力的预测，从而能够进一步提高三向让刀变形的预测速度，保证实时性；应当说明的是，此处所建立的数控车床的切削力模型及其建立方法，仅为本发明的一种可选的实施方式，不应理解为对本发明的唯一限定，在本发明其他的一些实施方式，也可以使用深度学习模型等其它的切削力模型；

利用切削力模型实时预测到的三向切削力向量F可表示为：

F＝[F_t F_r F_a]^T。

本实施例中，刚度回归模型的建立方式包括：

建立航轴的三维模型，在其上设置m个离散的切触点，并计算各切触点处的三阶刚度矩阵，共得到m个三阶刚度矩阵，每个三阶刚度矩阵中包含9个元素；

利用各三阶刚度矩阵中同一位置处的元素组成一个m维的刚度序列，如图3所示，共得到9个刚度序列；

对于每一个刚度序列R_ij，结合m个切触点的坐标位置，通过支持向量回归的方式建立一个刚度回归方程，用于根据切触点的位置坐标预测该切触点处的三阶刚度矩阵中与刚度序列R_ij对应的位置处的元素；

由所建立的9个刚度回归方程组合为刚度回归模型。

可选地，在上述建立刚度回归模型的方式中，建立航轴的三维模型，在其上设置m个离散的切触点，并计算各切触点处的三阶刚度矩阵，包括如下步骤：

(S1)采用有限元仿真软件建立航轴的三维模型，并对三维模型进行材料参数设置、约束方式设置和有限元网格划分；

材料参数设置，是指根据实际的航轴赋予三维模型具体的材料属性，如铝、铁等；约束方式设置，是指根据实际装夹情况设置约束方式；有限元网格划分，是指将三维模型划分为一个个单元网格，单元网格的每个顶点就是一个有限元结点；

(S2)结合m个切触点的位置坐标，基于子结构分析方法获取各切触点位置处的三阶刚度矩阵；

可选地，步骤(S2)包括：

对于当前所设定的三维坐标，将距离该三维坐标最近的有限元结点设定为子结构，设置子结构所有方向的自由度为主自由度，通过有限元仿真的方式求解得到相应的三阶刚度矩阵；

将m个切触点的位置坐标循环设定为待获取刚度矩阵处的三维坐标，并求解所设定的三维坐标的三阶刚度矩阵，从而批量求解得到m个切触点处的三阶刚度矩阵；

在实际应用中，可根据具体使用的有限元仿真软件编写相应的命令实现m个切触点处的三阶刚度矩阵的批量求解；本实施例中，所使用的有限元仿真软件具体为ANSYS，相应地，本实施例中，通过编写相应的APDL命令流完成三阶刚度矩阵的批量求解，具体步骤如下：

(1)从CAM软件中导出航轴加工离散切触点的位置坐标；

(2)利用有限元软件ANSYS Workbench14.0，根据航轴实际加工装夹方式，对三维模型设置约束，并进行材料设置和网格划分；

(3)利用APDL命令流，设定分析方法为子结构分析法，并设置将刚度矩阵保存至matname.SUB文件中，将离散切触点循环设定为待获取刚度矩阵处的三维坐标，再选定距离所设定坐标最近处的有限元结点为子结构，设置其所有方向的自由度为主自由度，再循环求解不同切触点处的三阶小规模刚度矩阵，存储至matname.SUB文件中，并将matname.SUB文件中的刚度矩阵打印至.txt文件中。

在实际应用中，切触点的数量及具体的设置方式，可根据实际待加工的航轴尺寸相应确定；可选地，本实施例中，相关的计算均在Matlab中实现；

本发明通过支持向量回归的方式建立刚度回归模型，仅输入切触点的位置坐标，即可快速输出该切触点处的三阶刚度矩阵；三阶刚度矩阵的表达式如下：

其中，k_xx、k_yy、k_zz分别是航轴x向、y向、z向的主刚度，k_xy、k_xz、k_yx、k_yz、k_zx、k_zy是航轴的耦合刚度；k_xy表示当且仅当y向发生单位变形时，x向所受力的大小；k_xz表示当且仅当z向发生单位变形时，x向所受力的大小；k_yx表示当且仅当x向发生单位变形时，y向所受力的大小；k_yz表示当且仅当z向发生单位变形时，y向所受力的大小；k_zx表示当且仅当x向发生单位变形时，z向所受力的大小；k_zy表示当且仅当y向发生单位变形时，z向所受力的大小；如图4所示，航轴y向、z向分别与数控车床进给X向和进给Z向一致，航轴x向由右手螺旋定则得到；

分别利用切削力模型和刚度回归模型实时预测出三向切削力向量F和三阶刚度矩阵K后，基于胡克弹性定律的推广：位移矩阵＝力矩阵/刚度矩阵，可计算出三向让刀变形向量δ为：

其中，δ_x、δ_y、δ_z分别是x向让刀变形、y向让刀变形和z向让刀变形。

本实施例在车削加工过程中，实时采集切触点的位置坐标和对应的数控车床运行数据，并利用预先建立的刚度回归模型和切削力模型预测对应的三阶刚度矩阵和对应的三向切削力向量，之后通过简单的矩阵运算预测得到三向让刀变形，此过程可快速完成，保证预测的实时性，并且以实时采集数据为输入数据，能够及时适应加工情况的变化，保证预测精度。总体而言，本发明能够有效提高航轴车削加工让刀变形的预测速度和预测精度，实现快速、实时、精确的预测。

实施例2：

一种计算机可读存储介质，包括存储的计算机程序；计算机程序被处理器执行时，控制计算机可读存储介质所在设备执行上述实施例1提供的航轴车削加工让刀变形预测方法。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种航轴车削加工让刀变形预测方法，其特征在于，包括：

在航轴车削加工过程中，将实时采集的切触点的位置坐标输入预先建立的刚度回归模型，以预测得到所述切触点处的三阶刚度矩阵K，并将与所述切触点对应的数控车床运行数据输入预先建立的切削力模型，以预测得到所述切触点处的三向切削力向量F；按照δ＝K^-1F预测所述切触点处的三向让刀变形向量δ；

其中，所述切削力模型用于根据所述数控车床的运行数据预测对应的三向切削力向量，所述刚度回归模型用于根据切触点的位置坐标预测所述切触点处的三阶刚度矩阵；所述刚度回归模型的建立方式包括：

建立所述航轴的三维模型，在其上设置m个离散的切触点，并计算各切触点处的三阶刚度矩阵；利用各三阶刚度矩阵中同一位置处的元素组成一个m维的刚度序列，共得到9个刚度序列；对于每一个刚度序列R_ij，结合m个切触点的坐标位置，通过支持向量回归的方式建立一个刚度回归方程，用于根据切触点的位置坐标预测该切触点处的三阶刚度矩阵中与刚度序列R_ij对应的位置处的元素；由所建立的9个刚度回归方程组合为所述刚度回归模型。

2.如权利要求1所述的航轴车削加工让刀变形预测方法，其特征在于，所述数控车床的运行数据包括：主轴三相电流I_SU、I_SV、I_SW，进给轴X向三相电流I_FXU、I_FXV、I_FXW，进给轴Z向三相电流I_FZU、I_FZV、I_FZW，主轴转速n、轴向进给速度f_a、径向进给速度f_r；

所述切削力模型的表达式如下：

其中，F_t、F_r、F_a分别表示切向切削力、径向切削力和轴向切削力；I_Srms、I_FXrms和I_FZrms分别表示主轴三相电流有效值、进给轴X向三相电流有效值和进给轴Z向三相电流有效值；k_t1、k_r1和k_a1分别表示主轴电流系数、进给X轴电流系数和进给Z轴电流系数；k_t2、k_r2和k_a2分别表示主轴速度系数、径向进给速度系数和轴向进给速度系数；b_t、b_r和b_a分别是切向力校正常数、径向力校正常数和轴向力校正常数；所述数控车床的主轴旋转方向、进给轴X向和进给轴Z向分别与所述航轴的切向、径向和轴向一致。

3.如权利要求2所述的航轴车削加工让刀变形预测方法，其特征在于，所述切削力模型的建立方法包括：

获得多组已知切削力所对应的数控车床运行数据，并将每一个方向上的三相电流预处理为对应的三相电流有效值；

对于每一方向，以三相电流有效值和速度信息为输入，以该方向上的切削力为输出，通过二元线性回归的方法得到该方向上的电流系数、速度系数和力校正常数，从而得到该方向上的切削力模型；

由切向、径向和轴向上的切削力模型组合为所述数控车床的切削力模型。

4.如权利要求2所述的航轴车削加工让刀变形预测方法，其特征在于，

5.如权利要求1-4任一项所述的航轴车削加工让刀变形预测方法，其特征在于，所述建立所述航轴的三维模型，在其上设置m个离散的切触点，并计算各切触点处的三阶刚度矩阵，包括如下步骤：

(S1)采用有限元仿真软件建立所述航轴的三维模型，并对所述三维模型进行材料参数设置、约束方式设置和有限元网格划分；

(S2)结合m个切触点的位置坐标，基于子结构分析方法获取各切触点位置处的三阶刚度矩阵。

6.如权利要求5所述的航轴车削加工让刀变形预测方法，其特征在于，所述步骤(S2)包括：

对于当前所设定的三维坐标，将距离该三维坐标最近的有限元结点设定为子结构，设置所述子结构所有方向的自由度为主自由度，通过有限元仿真的方式求解得到相应的三阶刚度矩阵；

将m个切触点的位置坐标循环设定为待获取刚度矩阵处的三维坐标，并求解所设定的三维坐标的三阶刚度矩阵，从而批量求解得到m个切触点处的三阶刚度矩阵。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，包括存储的计算机程序；所述计算机程序被处理器执行时，控制所述计算机可读存储介质所在设备执行权利要求1-6任一项所述的航轴车削加工让刀变形预测方法。

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