单摆头结构铣床刀尖点频响的快速计算方法技术

本发明专利技术公布了一种单摆头结构铣床刀尖点频响的快速计算方法，解决了因摆头姿态变化导致的刀尖点频响快速计算的问题，其关键之处在于基于耦合方向频响矩阵的计算和单自由度耦合的公式推导建立了摆动状态的刀柄端频响的计算模型，通过频响耦合子结构法实现了不同姿态下的刀尖点频响快速计算。本发明专利技术中所述的计算方法能够在少量实验的情况下比较准确的计算单摆头结构铣床不同姿态下的刀尖点频响，为实现多轴加工过程中的稳定切削提供了基础。

【技术实现步骤摘要】
单摆头结构铣床刀尖点频响的快速计算方法
：本专利技术属于机械加工
，具体涉及一种单摆头结构铣床刀尖点频响的快速计算方法。
技术介绍
：在传统三轴结构铣床或加工中心的主轴上增加一个摆轴，从而成为四轴机床或再配合一个转台而成为五轴机床，这种形式的机床非常适合一些曲面零件的加工，如汽轮机叶片、阀体、盘类零件等。该类机床在进行曲面加工时，摆轴一般与工件曲面的切向垂直，从而与Z轴成不同的角度。时刻变化的摆角影响了整个主轴系统的结构形式，系统刚度发生了变化，因而此时采用同样的切削参数可能更易引起系统颤振，它不仅破坏工件的表面质量，而且还加剧刀具的磨损，严重时甚至使切削无法进行。在实际工程中为避免颤振发生的一个有效方法是借助于该机床的切削稳定性极限图(俗称“叶瓣图”)来选择合适的切削参数，刀尖点频响函数是构造该图的基础。目前国内外比较成熟的一种快速计算机床刀尖点频响的方法为频响耦合子结构法，该方法将机床整机分为三个子结构：机床－主轴，刀柄和刀具。其中机床－主轴响应采用锤击法获取，而刀柄和刀具的悬伸部分则采用铁木辛柯梁模型求解，最后将两部分响应进行耦合得到刀尖点总响应。该方法的提出解决了刀具、刀柄频繁变换后整机频响特性需重新测试的不足之处，为机床切削稳定性极限图的快速构建提供了新的思路。目前该方法及其改进策略均只适用于三轴机床，对于具有单摆头的四轴或五轴联动机床而言，由于摆角的不断变化导致该方法失效。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种单摆头结构铣床刀尖点频响的快速计算方法。该方法通过建立摆动状态的刀柄端频响的计算模型实现不同摆动姿态下刀柄端频响的快速计算，进而利用子结构耦合法快速计算刀尖点频响。为达到上述目的，本专利技术采用了以下技术方案予以实现：单摆头结构铣床刀尖点频响的快速计算方法，包括以下步骤：步骤一：建立摆动状态的刀柄端频响的计算模型计算机床-Z轴基体在耦合方向的频响矩阵，并基于单自由度耦合理论公式得到刀柄端频响的表达式，根据机床-Z轴基体和主轴-刀柄的刚度关系建立刀柄端频响计算模型；步骤二：进行刀尖点频响快速计算用实验方法得到机床刀柄端在两处指定位置处的频响矩阵，根据摆动状态的刀柄端频响的计算模型得到任意姿态下的刀柄端频响后，通过频响耦合子结构法计算该姿态下的任意刀柄-刀具组合下的刀尖点频响。本专利技术进一步的改进在于，步骤一中，耦合方向处的频响矩阵分别考虑α和β两个方向，α方向定义为刀柄端平面内和摆轴轴线平行的方向，β方向定义为刀柄端平面内和α方向垂直的方向。本专利技术进一步的改进在于，步骤一中，机床-Z轴基体在耦合方向的α方向频响矩阵如式(1)所示，β方向频响矩阵如式(2)所示：其中：H、L、N和P分别是位移/力、位移/弯矩、转角/力和转角/弯矩的频响函数，R为由H、L、N和P组成的频响函数矩阵；下角标αα表示α方向的频响，ββ表示β方向的频响，θ表示摆轴的摆角。本专利技术进一步的改进在于，步骤一中，刀柄端频响计算模型为：摆头摆角为θ时，刀柄端α方向的频响矩阵如式(13)所示，刀柄端β方向的频响矩阵如式(14)所示：其中：H、L、N和P分别是位移/力、位移/弯矩、转角/力和转角/弯矩的频响函数，R为由H、L、N和P组成的频响函数矩阵；下角标αα表示α方向的频响，ββ表示β方向的频响；下角标小括号中第一个数值表示摆轴的摆角，第二个数值表示转轴的转角，对于双摆头结构才有转轴，所以这里转轴转角均为0。本专利技术进一步的改进在于，步骤二中，两处指定位置分别指单摆轴摆角为0°和90°或0°和-90°的两个单摆轴姿态。本专利技术进一步的改进在于，步骤二中，用实验方法获得刀柄端频响矩阵的方法为一阶差分合成法，即用一阶差分法计算频响L和N，用合成法计算P；频响耦合子结构法的计算中刀具和刀柄耦合做刚性连接处理，刀具和刀柄的频响用铁木辛柯梁建模得到。与现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：本专利技术主要针单摆头结构铣床，基于摆头的结构特点及其与机床基体的刚度关系，推导了机床刀柄端频响的快速计算模型，进而实现了不同摆动姿态下刀尖点频响的快速计算。基于此方法可以在少量实验下较准确的快速计算单摆头结构铣床的刀尖点频响，进而实现机床的切削稳定性极限图的快速生成，据此来选择合适的切削参数，保证切削过程的稳定进行。该方法也可以成为进一步实现双摆头结构五轴铣床的刀尖点频响计算方法的基础，进而实现更加复杂的主轴结构形式下的刀尖点频响计算。附图说明：图1为铣床摆头结构示意图；图2为构件在特定方向上β方向频响矩阵的求解示意图，其中：(a)端面方向，(b)β方向；图3为构件在特定方向上α方向频响矩阵的求解示意图，其中：(a)端面方向，(b)α方向；图4为摆动模型β方向频响耦合示意图；图5为摆角θ＝40°时机床刀尖点频响的测试曲线和计算曲线，其中：(a)α方向，(b)β方向；图6为摆角θ＝80°时机床刀尖点频响的测试曲线和计算曲线，其中：(a)α方向，(b)β方向。具体实施方式：下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细描述。步骤一：建立摆动状态的刀柄端频响的计算模型计算机床-Z轴基体在耦合方向的频响矩阵，并基于单自由度耦合理论公式得到刀柄端频响的表达式，根据机床-Z轴基体和主轴-刀柄的刚度关系建立刀柄端频响计算模型；耦合方向处的频响矩阵需要分别考虑α和β两个方向，α方向定义为垂直于刀柄轴线的平面内和摆轴轴线平行的方向，β方向定义为垂直于刀柄轴线的内和α方向垂直的方向。对于刀柄端，则α和β所在平面在刀柄端面，对于刀尖点，则α和β所在平面在刀具末端平面，如图1所示。在摆角为θ时，固定部分和摆动部分的直线耦合方向和摆动前的水平直线成夹角θ，固定部分相应的在耦合方向的频响方向如图2(β方向)和图3(α方向)所示。其中图(a)为端面频响，图(b)为端部耦合方向的频响，根据有向频响的概念，可推导出用端面频响和摆角θ表示的端部耦合方向的频响的表达式。机床-Z轴基体在耦合方向的α方向频响矩阵如式(1)所示，β方向频响矩阵如式(2)所示：其中：H、L、N和P分别是位移/力、位移/弯矩、转角/力和转角/弯矩的频响函数，R为由H、L、N和P组成的频响函数矩阵；下角标αα表示α方向的频响，ββ表示β方向的频响，θ表示摆轴的摆角。根据单自由度耦合理论公式可以将机床-Z轴基体和主轴-刀柄(摆动部分)耦合得到刀柄端频响，如图4所示。刀柄端各频响表达式为：其中：下角标小括号中第一个数值表示摆轴的摆角，第二个数值表示转轴的转角；α和α1分别为刀柄端和摆头耦合处的坐标，α2为机床-Z轴基体在耦合处的坐标；β和β1分别为刀柄端和摆头耦合处的坐标，β2为机床-Z轴基体在耦合处的坐标。机床-Z轴基体刚度远大于刀柄-主轴(摆头)刚度用公式可以表示为：absHα2α2＜＜absHα1α1,absLα2α2＜＜absLα1α1,(11)absNα2α2＜＜absNα1α1,absPα2α2＜＜absPα1α1.absHβ2β2＜＜absHβ1β1,absLβ2β2＜＜absLβ1β1,(12)absNβ2β2＜＜absNβ1β1,absPβ2β2＜＜absPβ1β1.其中：α1为摆头在耦合处的坐标，α2为机床-Z轴基体在耦合处的坐标；β1为摆头在耦合处的坐标，β2为机床-Z轴本文档来自技高网...

【技术保护点】
单摆头结构铣床刀尖点频响的快速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立摆动状态的刀柄端频响的计算模型计算机床‑Z轴基体在耦合方向的频响矩阵，并基于单自由度耦合理论公式得到刀柄端频响的表达式，根据机床‑Z轴基体和主轴‑刀柄的刚度关系建立刀柄端频响计算模型；步骤二：进行刀尖点频响快速计算用实验方法得到机床刀柄端在两处指定位置处的频响矩阵，根据摆动状态的刀柄端频响的计算模型得到任意姿态下的刀柄端频响后，通过频响耦合子结构法计算该姿态下的任意刀柄‑刀具组合下的刀尖点频响。

【技术特征摘要】
1.单摆头结构铣床刀尖点频响的快速计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立摆动状态的刀柄端频响的计算模型计算机床-Z轴基体在耦合方向的频响矩阵，并基于单自由度耦合理论公式得到刀柄端频响的表达式，根据机床-Z轴基体和主轴-刀柄的刚度关系建立刀柄端频响计算模型；步骤二：进行刀尖点频响快速计算用实验方法得到机床刀柄端在两处指定位置处的频响矩阵，根据摆动状态的刀柄端频响的计算模型得到任意姿态下的刀柄端频响后，通过频响耦合子结构法计算该姿态下的任意刀柄-刀具组合下的刀尖点频响。2.根据权利要求1所述的单摆头结构铣床刀尖点频响的快速计算方法，其特征在于，步骤一中，耦合方向处的频响矩阵分别考虑α和β两个方向，α方向定义为刀柄端平面内和摆轴轴线平行的方向，β方向定义为刀柄端平面内和α方向垂直的方向。3.根据权利要求2所述的单摆头结构铣床刀尖点频响的快速计算方法，其特征在于，步骤一中，机床-Z轴基体在耦合方向的α方向频响矩阵如式(1)所示，β方向频响矩阵如式(2)所示：其中：H、L、N和P分别是位移/力、位移/弯矩、转角/力和转角/弯矩的频响函数，R为由H、L、N和P组成的频响函数矩阵；下角标αα表示α方向的频响，ββ表示β方向的频响，θ表示摆轴的摆角。4.根据权利要求1所述的单摆头结构铣床刀尖点频响的快速计算方法，其特征在于，步骤一中，刀柄端频响计算模型为：摆轴的摆角为θ时，刀柄端α方向的频响矩阵如式(13)所示，刀柄端β方向的频响矩阵如式(14)所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊，赵万华，谢振南，王俊娜，刘严，蔺伟兴，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61