[发明专利]面向铣削工况下双转台五轴机床动力学特性实时预测方法

说明书

本发明公开了面向铣削工况下双转台五轴机床动力学特性实时预测方法，属于机床制造技术领域。包括以下步骤：运用标准D‑H法描述机床运动学模型；利用拉格朗日方法建立机床动力学方程；采用吉村允孝积分法、Hertz理论及弹性力学，建立主轴‑刀柄、主轴‑轴承、导轨滑块及滚珠丝杠结合部动力学模型，获得结合部接触特性参数；最后结合动力学方程和结合部接触特性建立动力学模型。本发明在机床实际铣削状态下根据铣削工况、工作位置、姿态实时预测机床动力学特性，不仅克服了传统方法中对静止机床动力学特性研究与实际铣削状态下存在差异的问题，而且具有较高的计算效率，同时可作为数字孪生体模拟、跟踪预测机床铣削操作中动力学特性。

技术领域

本发明属于机床制造技术领域，特别是涉及铣削工况下双转台五轴数控机床的动力学特性预测方法。

背景技术

多轴数控机床对于国家军事、航空、航天、科研、精密器械、高精医疗设备等高端领域都有着很深的影响力。高水平的数控机床具备速度高、精度高，可靠性好等优点，其应用几乎遍布现代工业的各个分支，是大多数工业制造起点。数控机床在加工过程中为了实现加工过程稳定，提高表面加工质量，避免出现颤振而导致工件加工表面恶化，要明确数控机床动力学特性，并以此指导加工工艺优化。因此进行数控机床动力学特性高效准确的模拟预测，对保障加工过程稳定和工件表面加工质量具有重要意义。

数控机床在实际加工过程中，机床的运行工况、加工位置、姿态、结合部间接触、摩擦等因素处于动态变化的过程中，此时机床的动力学特性也随之动态变化，与静止状态时差异明显，所以考虑铣削工况、加工位置、姿态、结合部间接触、摩擦等因素进行高效准确的数控机床动力学特性预测，对指导工艺优化、进行工件表面质量控制尤为重要。

目前，常用的动力学建模方法包括集中质量模型、传递矩阵模型、子结构模型与有限元分析模型。

1.集中质量模型法是将研究对象分段并通过固定质量限制的点连接，每段被看作无固定质量限制的刚体或弹性体，使连续系统转化为有限自由的系统，但是想要结果更加精确集中质量的数目就非常多，计算量会变得非常大，很难实现实时预测的要求。

2.传递矩阵模型法是把整体结构看成多个子结构连接与传递的力学问题，建立子结构传递矩阵，通过矩阵相乘对整个结构进行分析，但当求解大型复杂转子系统的动力学问题时由于试算频率的增加导致计算速度低和数值不稳定的问题。

3.子结构模型法同传递矩阵模型法类似，与之不同的是通过理论研究、实际实验和数值计算的方式获得各子结构的动力学特性参数，再将各子结构动力学模型整合得出整体结构的动力学特性，该方法更加适用于研究复杂系统中的某一结构，对于系统整体而言建模步骤复杂且精度低。

4.有限元模型法是将完整结构看成是多个单元在节点位置相连，将相连节点位移当作未知参数用相关位移函数进行表述，再通过能量变分原理获取整体结构的振动平衡方程。求解精度高且相关商业软件成熟，但单次处理只能建立一种动力学模型，当变换工作位置、姿态和铣削工况，需要重新建立模型求解，不适用于铣削工况下机床动力学特性实时跟踪模拟，且计算速度低耗时长，导致建模与分析效率很低。

机床的动力学特性在实际铣削状态下随着铣削工况和位姿的变换而改变，因此现有的动力学建模方法很难实现不同铣削工况下机床全部工作空间内位姿变换的高效率预测。而且目前对机床动力学特性研究时是对静止状态下的机床床身施加激励获取响应信号，通过对响应信号的处理来获取机床模态参数，与实际运行工况存在很大差异，不贴近实际情况。

发明内容

本发明考虑铣削工况、加工位置、姿态、结合部接触特性，建立具有低自由度的双转台五轴机床动力学模型，根据变换位置雅克比矩阵和机床不同铣削工况实时预测机床动力学特性，更贴近于实际铣削状态且计算效率高，同时可作为数字孪生体用于模拟跟踪预测机床铣削操作中动力学特性，能够解决传统方法对静止状态下机床动力学特性研究时忽视机床实际运行工况、动力学模型计算速度低且不具备实时性、难以对机床全部工作空间内位姿变换分析的难点问题。