[发明专利]一种数控机床广义空间切削稳定性预测与优化方法

说明书

本发明涉及一种数控机床广义空间切削稳定性预测与优化方法，属于数控机床领域。本发明通过构造已知样本信息，基于Kriging方法建立切削稳定性表征指标最小极限切削深度与机床空间位置坐标的近似函数关系来预测切削稳定性的空间演化规律，并采用改进粒子群算法确定具有最小极限切削深度最大值的加工位置，采用切削实验确定机床易颤振模态，进而基于能量分布理论确定机床薄弱结合部，通过提出结合部动刚度优化配置方案提高最小极限切削深度值，预测切削稳定性空间分异特性并扩大稳定区域选择范围。本发明弥补了传统空间切削稳定性分析忽略变量在加工空间的相关性特征的不足，在此基础上形成最优加工位置方案，以获取加工空间最优切削参数方案。

技术领域

本发明属于数控机床领域，涉及一种数控机床广义空间切削稳定性预测与优化方法。

背景技术

切削过程出现的颤振失稳是限制数控机床实现高速、高效和高精度加工的关键因素。为了避免加工过程的颤振失稳，研究者提出了多种行之有效的方法，其中最常用的就是绘制切削加工稳定性叶瓣图，通过选择合适的主轴转速和切削深度等加工参数来满足稳定切削条件。目前，主要采用颤振模型求解法来获得稳定切削条件。该方法必须基于切削稳定性算法，需要首要获取数控机床结构动力学特性。通常情况下，一般的铝合金等轻金属的切削稳定性主要受到刀具系统动力学特性的影响，而铸铁、钢等材料在粗加工与半精加工时的切削稳定性主要与机床结构动力学特性相关。长期以来切削稳定性的分析都是以机床某一固定姿态的动力学特性为基础进行，然而加工过程中，刀具点空间位置的改变使机床整体结构随之变化，形成动态的整机质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵，引起机床动力学特性表征指标变化，进而使切削稳定性在整个加工空间发生演变。因此，研究机床切削稳定性与加工位置的关联关系，有利于提高切削稳定性预测精度。然而加工过该动力学特性随着移动部件位置变化而改变，导致切削稳定性产生动态变化。大量学者研究了机床空间位姿与动力学特性的关联关系，但是机床用户更关心面向加工过程的机床切削稳定性，而目前针对切削稳定性的空间演化规律研究尚未成熟。因此，研究机床工作空间内切削稳定性预测方法，对于提高切削稳定性预测精度，实现高效高精加工具有重要意义。

目前，针对切削稳定性的空间演化规律研究主要基于实验法和解析法。实验法通过离散样本点的模态实验测试获取机床处于不同加工位置处刀尖点的频率响应函数，进而采用颤振模型求解法绘制稳定性叶瓣图，如杨毅青等基于实验研究了机床沿不同进给方向以及机床主轴处于不同位置的颤振稳定域图预测。由于针对每个位置都进行实验，工作量较大，部分学者基于解析法研究机床切削稳定性的空间特性，如黄华与Zhang等结合试验设计、有限元仿真以及响应面模型对任意位置的切削稳定性展开研究，计算各位置处的最小极限切削深度； Mohit等采用模态选择准则对机床子部件进行简化，耦合各子部件构建机床整机动力学模型，通过更新结合面约束方程计算不同位置处刀尖点的频响函数，进而计算各位置的切削稳定性。

传统数控机床切削稳定性分析局限于机床某一固定位姿，导致获取的切削参数组合仅适用于机床静态场合，无法满足加工过程中机床位姿的动态改变。目前，针对机床位姿变化与切削稳定性关联关系的研究相对较少。采用现有的实验法获取加工空间不同位置的机床刀尖点频率响应函数并绘制切削稳定性叶瓣图，需要较大的工作量，且其预测方法仅用于一台机床，缺乏通用性。现有解析法中，在建立描述数控机床切削稳定性与位置姿态之间关联关系的数学预测模型时，未考虑样本数据的空间相关性，对空间数据的分析造成虚假解释，降低切削稳定性预测精度，同时没有进一步探讨加工位置的优选方法，导致预测的切削参数并不具备加工空间的最优性，浪费机床的实际切削能力。

发明内容