[发明专利]一种机床主轴工作状态下的刀具端频响函数辨识方法

摘要

本发明涉及机床的铣削加工领域，公开了一种机床主轴工作状态下的刀具端频响函数辨识方法，包括以下步骤：在主轴旋转状态下，对两把长度不同的刀具的光杆部分进行模态锤击，获得主轴头‑刀具的跨点频响函数；在主轴旋转状态下，对主轴头进行模态锤击，得到主轴头的频响函数；对刀具进行子结构划分，对子结构A进行有限元分析得到频响函数；利用上述函数进行反RCSA算法，得到的子结构B的频响函数；利用RCSA算法结合有限元及辨识的子结构B的频响函数，得到最终刀具端在主轴旋转状态下的频响函数。本发明提出的辨识算法，能够准确的获得主轴工作状态下的刀具端频响函数，进而实现加工稳定性的精确预测。

主权项

1.一种机床主轴工作状态下的刀具端频响函数辨识方法，其特征在于，具体包括如下步骤：(a)分别将两把长度不同的刀具安装在机床主轴‑刀柄上，在主轴工作状态下，刀具处于旋转状态，选取主轴头端部的一点为点4，选取刀具光杆部分的端点为点1，刀具光杆部分任一点为点2，传感器安装在主轴头端部的点4处，在点1、2、4上施加锤击激励，通过模态锤击得到频响函数h_L,41,ff、h_L,42,ff、h_L,44,ff、h_S,41,ff、h_S,42,ff和h_S,44,ff，其分别表示长刀具组合结构和短刀具组合结构上由i点激励j点拾振的频响函数，其中L表示长刀具，S表示短刀具，ff表示对结构施加激励力，拾取其平动振动位移响应；(b)对机床主轴‑刀柄‑刀具结构进行子结构划分，在刀柄端点处进行分割，得到由主轴头、刀柄夹持端和夹持部分刀具的组合构成的子结构B和由剩余刀具部分构成的子结构A；(c)利用有限元软件对两把刀具的子结构A进行有限元仿真和谐响应分析，选取子结构A的两端点和任一中间点为测试对象，得到子结构A上3个不同位置的直接和跨点频响函数；(d)利用测定得到的主轴头‑刀具跨点频响函数、主轴头‑主轴头频响函数以及子结构A有限元分析得到的频响函数进行反RCSA算法，计算得到子结构B在分割点处的频响函数：(1)分别对机床主轴‑刀柄‑刀具的总体结构、子结构A和子结构B进行频域的力的平衡方程描述，给出振动向量X_LA,3、X_LB,3、X_LA,4、X_LB,4、X_L,4、X_SA,3、X_SB,3、X_SA,4、X_SB,4、X_S,4的表达式；(2)根据子结构A和B在分割处点3的平衡条件和相容性条件，得到如下的边界方程：X_L,3＝X_LA,3＝X_LB,3X_S,3＝X_SA,3＝X_SB,3F_L,3＝F_LA,3+F_LB,3F_S,3＝F_SA,3+F_SB,3由于子结构B和总体结构在点4上是一样的，因此有下面的等式：X_L,4＝X_LB,4X_S,4＝X_SB,4F_L,4＝F_LB,4F_S,4＝F_SB,4其中，X是4个位置处的振动向量，F是施加在组合结构的点1、2、3和4上的力向量；脚注“L”和“S”分别表示长刀具和短刀具；脚注“A”表示子结构A，脚注“B”表示子结构B；(3)将振动向量X_LA,3、X_LB,3、X_LA,4、X_LB,4、X_L,4、X_SA,3、X_SB,3、X_SA,4、X_SB,4、X_S,4的表达式代入步骤(2)的方程中，经计算后得到参数F_LB,3，将辨识得到的F_LB,3代入X_LB,4中，得到X_LB,4的表达式；对比后得到子结构A和子结构B的频响函数来表示总体结构的频响函数的表达式：式中，H_L,ij(i＝4,j＝1,2,4)表示长刀具组合结构在i点激励j点拾振的频响函数矩阵，H_B,ij(i＝3,4,j＝3,4)表示子结构B在i点激励j点拾振的频响函数矩阵，H_LA,ij(i＝3,j＝1,2,3)表示长刀具下子结构A在i点激励j点拾振的频响函数矩阵，H_S,ij(i＝4,j＝1,2,4)表示短刀具组合结构在i点激励j点拾振的频响函数矩阵，H_SA,ij(i＝3,j＝1,2,3)表示短刀具下子结构A在i点激励j点拾振的频响函数矩阵；(4)将步骤(a)中测试得到的频响函数和步骤(c)中有限元分析得到子结构A的频响函数代入步骤(3)的表达式中，求取子结构B在点3处的频响函数：(5)计算求解得到需要的子结构B在点3处的频响函数h_B,33,ff、h_B,33,fM、h_B,33,MM，式中脚注“ff”表示对结构施加激励力，拾取其平动振动位移响应，脚注“MM”表示对结构施加激励弯矩，拾取其转动振动响应，脚注“fM”表示对结构施加激励弯矩，拾取其平动振动位移响应；(e)将辨识得到的子结构B在分割点处的频响函数，结合有限元分析得到的子结构A两个端点位置的直接和跨点频响函数，采用RCSA算法得出总体结构下刀具端的频响函数。