一种加工中心的刀具刀尖点位移导纳的软测量方法及系统

摘要

本发明提供一种加工中心的刀具刀尖点位移导纳的软测量方法及系统，属于振动测试技术领域，采用试验测试与有限元分析相结合，对加工中心所安装的不同几何特征的刀具进行刀尖点位移导纳的软测量。本发明避免直接测试p_2b2b和n_2b2b，而是通过容易测试的量H₁₁和H₁₂求解p_2b2b和n_2b2b，减少了实验测试的次数，通过几次测试即可理论预测加工中心刀库中所有刀具安装后刀尖点位移导纳，极大地降低了测试成本和费用，不需要对主轴-刀柄进行精确建模，避免在建模过程中的误差和参数辨识过程中的误差导致的预测结果不可信，在工程应用时可操作性强。本发明能够在一次测试之后进行多次理论预测，所获得的刀尖点位移导纳是预测颤振的依据，可以进行铣削加工颤振预测。

主权项

一种加工中心的刀具刀尖点位移导纳的软测量方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：将长度为l、直径和材料与待测试刀具相同的测试杆安装进刀柄，测试杆安装刀柄的一端为测试杆的前端，另一端为测试杆的末端，将测试杆的刀尖点记为2b；步骤2：在测试杆的末端一侧粘贴加速度传感器，并用力锤对测试杆的前端进行激励；步骤3：采集力锤的信号和加速度传感器的信号，并通过计算机对力锤的信号和加速度传感器的信号进行分析获得测试杆末端的加速度导纳；步骤4：对获得的测试杆末端的加速度导纳进行积分，获得测试杆的2b点处的位移导纳矩阵元素h_2b2b；刀具的i点位移导纳矩阵R_ij：其中，i——拾振点；j——激励点；h_ij，l_ij，n_ij，p_ij——i点位移导纳，x_i为横向位移，f_j为剪力，m_j为弯矩，θ_i为转角；步骤5：用刀具替换测试杆安装进刀柄，且刀具安装进刀柄的长度与测试杆安装进刀柄的长度相同，刀具安装刀柄的一端为刀具的前端，另一端为刀具的末端，刀具的刀尖点记为1，距离刀具前端l处记为2；步骤6：在刀具的末端一侧粘贴加速度传感器，粘贴该加速度传感器的位置与测试杆粘贴加速度传感器的位置相同，并用力锤对刀具的前端进行激励；步骤7：采集力锤的信号和加速度传感器的信号，并通过安装有频响函数分析软件的计算机对力锤的信号和加速度传感器的信号进行分析获得刀具刀尖点的位移导纳H₁₁；步骤8：用力锤对刀具上距离刀具前端l处进行激励，采集力锤的信号和加速度传感器的信号，并通过安装有频响函数分析软件的计算机对力锤的信号和加速度传感器的信号进行分析获得距离刀具前端l处的位移导纳H₁₂；步骤9：使用有限元分析软件建立步骤5所述刀具的部分有限元模型：在距刀具前端l处将刀 具划分为两个部分，靠近刀具前端的部分为第一部分，靠近刀具末端的部分为第二部分，对刀具的第二部分建立有限元模型，称为部分有限元模型，其中刀具的第一部分上距刀具前端l处与测试杆的刀尖点对应的点记为2b，刀具的第二部分上与2b点对应的点记为2a；步骤10：对刀具的部分有限元模型进行有限元分析，获得当前刀具的位移导纳矩阵元素h₁₁、h_12a、h_2a1、h_2a2a、n_12a、n_2a1、n_2a2a、l_12a、p_2a2a；步骤11：分别将当前刀具的位移导纳矩阵元素h₁₁、h_12a、h_2a1、h_2a2a、n_12a、n_2a1、n_2a2a、l_12a、p_2a2a转换为二维列向量，其中，第一列为频率，第二列为复数形式的导纳，在转换过程中每个位移导纳列向量的长度增量和频率增量均相同；步骤12：根据二维列向量形式的当前刀具的位移导纳矩阵元素h₁₁、h_12a、h_2a1、h_2a2a、n_12a、n_2a1、n_2a2a、l_12a和p_2a2a，获得当前刀具第一部分上2b点的位移导纳矩阵元素p_2b2b和n_2b2b；令x＝h₁₁，y＝h_12a，c＝h_2a1，d＝h_2a2a，e＝n_12a，f＝n_2a1，g＝n_2a2a，k＝h_2a2a+h_2b2b，u＝H₁₁，v＝H₁₂，m＝l_12a，对所有频率的各位移导纳按照以下两式求解β，δ，获得新的两个两维数组；β＝‑(ycg‑ydf‑xgk+yfk‑fkv+gku)/(xd‑yc+cv‑du) δ＝(kx²g²‑xycg²+xydfg‑2kxyfg‑mxcdg+mxd²f+2kxfgv‑2kxg²u+y²cfg‑y²df²+ky²f²+myc²g‑mycdf‑ycfgv+ycg²u+ydf²v‑ydfgu‑2kyf²v+2kyfgu‑mc²gv+mcdfv+mcdgu‑md²fu+kf²v²‑2kfguv+kg²u²)/(x²d²‑2xycd+2xcdv‑2xd²u+y²c²‑2yc²v+2ycdu+c²v²‑2cduv+d²u²)；获得的β，δ是一个两维数组，由β和δ按照下式求p_2b2b和n_2b2b，得到：p_2b2b＝δ‑p_2a2an_2b2b＝β‑n_2a2a；步骤13：将获得的h_2b2b、p_2b2b和n_2b2b保存，以供不同刀具安装进刀柄后进行刀尖点位移导纳求解时调用；步骤14：重复步骤9～步骤11，对刀库中的每把刀具求h₁₁、h_12a、h_2a1、h_2a2a、n_12a、n_2a1、n_2a2a、l_12a、p_2a2a，进而求每把刀具安装到加工中心刀柄后的刀尖点位移导纳H′₁₁；其中，n₂＝n_2a2a+n_2b2b,p₂＝p_2a2a+p_2b2b；步骤15：得到每把刀具安装后的刀尖点位移导纳H₁′₁，即完成加工中心的刀具刀尖点位移导纳的软测量，得出不同刀具的刀尖在不同频率的激励下的幅值响应与相位特性。