一种预测刀工接触时变位置处工件的频响函数的方法技术

本发明专利技术公开了一种快速预测刀工接触任意位置频响函数的方法，包括：（一）将工件作为第一子结构，将卡盘及夹持工件部分作为第二子结构，将主轴及机床其他部分作为第三子结构；（二）确定第三子结构在主轴端的频响函数矩阵；（三）辨识第一子结构中工件和卡盘联接处的弹簧、阻尼；（四）将辨识得到的弹簧、阻尼代入第一子结构的有限元模型中，计算得到该第一子结构的频响函数；（五）将第一子结构的频响函数与第二子结构的频响函数耦合，即得到工件端点频响函数；（六）取任一截面分割，将第一子结构划分为F、G两个子结构，并将其耦合，即得到刀工接触任意位置频响函数。本发明专利技术可以准确方便地预测刀工接触任意位置的频响函数。

A method for forecasting the knife position of workpiece contact time varying frequency response function

The invention discloses a method, a fast prediction of knife contact any position response function includes: (a) will work as the first sub structure, the chuck and clamping the workpiece as part of the second sub structure, main shaft and other parts of the machine as the third sub structure; (two) to determine the frequency response function matrix of sub structure in third at the end of main shaft; (three) the spring and damping of workpiece and chuck connected at the first sub structure identification; (four) finite element spring, damping into the first sub structure of the identified model, the first sub structure of the frequency response function is calculated; (five) the frequency response function and frequency response function coupling second the first sub structure sub structure, namely the workpiece end frequency response function; (six) take any section of segmentation, the first sub structure is divided into F, G two substructures, and the coupling, i.e. A knife to contact any position of frequency response function. The invention can accurately and conveniently predict the frequency response function of arbitrary position contact knife.

【技术实现步骤摘要】
一种预测刀工接触时变位置处工件的频响函数的方法
本专利技术以CA6140机床为例，具体是一种预测刀工接触时变位置处工件的频响函数的方法。
技术介绍
工件切削过程中，振动会引起刀工位置发生变化，引起切削层的变化，达不到尺寸精度的标准，导致加工精度的下降，从而引起加工质量的下降。在工件加工中研究重点在于如何保证工件表面质量，所以有必要探究在加工中工件的振动特性。探究工件振动特性的先决条件是要获取刀工接触时变位置处工件的动态特性，也就是刀工接触时变位置处工件的频响函数(FRF)。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于响应耦合法的预测刀工接触时变位置处工件的频响函数的方法，在切削过程中，刀工接触位置是不断发生变化的，时变位置处工件的动态特性也在发生变化，因此本专利技术提供一种基于响应耦合法的预测刀工接触时变位置处工件的频响函数的方法以减少实验时间，对刀工接触时变位置处工件的频响函数进行预测。实现本专利技术的目的所采用的具体技术方案如下：一种预测刀工接触时变位置处工件的频响函数的方法，包括如下步骤：（一）将整个机床加工系统划分子结构。具体的说就是将卡盘-工件作为一个子结构，称为子结构A；把主轴和机床其他部件作为另一个子结构，称为子结构B；将卡盘单独作为子结构C。（二）确定子结构B在主轴端（位置3b）的频响函数矩阵，即频响函数矩阵R3b3b。式中，R3b3b是子结构B在主轴端(位置3b3b)的频响函数矩阵，其中h3b3b、l3b3b、n3b3b、p3b3b是各分量x3b和θ3b分别是子结构B在位置3b的位移和转角；f3b和m3b分别是子结构B在位置3b受到的力和力矩。（三）辨识子结构A中工件和卡盘结合部模型中的弹簧阻尼参数。本专利技术中工件卡盘结合部是采用均匀分布的弹簧联接的，弹簧阻尼的参数与工件卡盘的接触面积成正比。（四）将辨识得到的结合部参数代入子结构A的有限元模型中，有限元方法计算子结构A的频响函数R3a3a、R3a1、R13a、R11。其中，R3a3a是子结构A在卡盘末端（位置3a）的频响函数矩阵，R3a1、R13a是子结构A在卡盘末端处（位置3a）和工件端点（位置1）之间的频响函数矩阵，即交叉频响函数矩阵，R11是子结构A在工件端点（位置1）的频响函数矩阵。（五）将子结构A的频响函数与子结构B的频响函数耦合得到工件端点频响函数。本专利技术利用有限元方法计算易于准确建模的子结构频响函数，操作简单方便，工件和卡盘的柔性结合部采用了均匀分布的弹簧和阻尼模型，弹簧和阻尼的参数与接触面积成正比。附图说明图1为工件系统子结构划分示意图；图2为子结构联接示意图；图3为卡盘机床系统子结构划分示意图；图4为工件卡盘结合部模型；图5为工件任一截面划分示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进一步说明。本实施例中的一种快速预测刀工接触任意位置频响函数的方法，用于对机床加工系统中的工件端点频响函数进行预测。其中，工件系统包括工件、卡盘、机床主轴。卡盘夹持端夹持着工件联接在机床主轴上。刀工接触任意位置频响函数预测包括如下步骤：1）将整个工件系统划分子结构，如图1、2、3所示。将卡盘夹持端和工件作为一个子结构，称为子结构A；把主轴和机床其他部件作为另一个子结构，称为子结构B；将卡盘夹持端单独作为子结构C。其中，子结构A和子结构B在卡盘末端处联接在一起，用均匀分布的弹簧阻尼模型模拟工件和卡盘的联接，其中，k和c代表弹簧阻尼的刚度和阻尼系数。2）确定子结构B在主轴端（位置3b3b）的频响函数矩阵，即频响函数矩阵R3b3b。式中，R3b3b是子结构B在卡盘末端(位置3b)的频响函数矩阵，其中h3b3b、l3b3b、n3b3b、p3b3b是各分量；x3b和θ3b分别是子结构B在位置3b的位移和转角f3b和m3b分别是子结构B在位置3b受到的力和力矩。该频响函数的具体计算过程如下：1.测量卡盘机床系统整体结构(由子结构B和子结构C组成)的频响函数H2b2b、H2b3a、H3a3a。用G来表示整体结构的频响函数矩阵，式中，G2b2b、G2b3a、G3a3a分别是卡盘机床系统整体结构在卡盘夹持端（位置2b）、卡盘夹持端（位置2b）和卡盘末端（位置3a）之间、卡盘末端（位置3a）的频响函数矩阵，其中H2b2b、H2b3a、H3a3a分别是频响函数矩阵G2b2b、G2b3a、G3a3a的第一个元素；L2b2b、N2b2b、P2b2b、L2b3a、N2b3a、P2b3a、L3a3a、N3a3a、P3a3a是频响函数矩阵G2b2b、G2b3a、G3a3a的其他元素。X2b、X3a分别表示卡盘机床系统整体结构在位置2b和位置3a的位移；Θ2b、Θ3a分别表示卡盘机床系统整体结构在位置2b和位置3a的转角；F2b、F3a分别表示卡盘机床系统整体结构在位置2b和位置3a所受的力；M2b、M3a分别表示卡盘机床系统整体结构在位置2b和位置3a所受的力矩。位置3a和位置3b实际上是指同一位置，即卡盘末端，由于在不同的子结构上，所以采用不同的符号表示。频响函数H2b2b、H2b3a、H3a3a通过对卡盘机床系统整体结构进行模态锤击实验测量得到。在卡盘机床系统整体结构的卡盘夹持端位置（2b）锤击，并在卡盘夹持端（位置2b）采集振动位移响应，经过计算机处理可以得到整体结构的一个频响函数H2b2b；在卡盘机床系统整体结构的卡盘末端（位置3a）锤击，卡盘夹持端（位置2b）采集振动位移响应，可以得到整体结构的第二个频响函数H2b3a；在卡盘机床系统整体结构的卡盘末端（位置3a）锤击并在的卡盘末端（位置3a）采集响应可以得到整体结构的第三个频响函数H3a3a。2.有限元计算卡盘（子结构C）的各个频响函数矩阵R2b2b、R2b3a、R3a3a。式中，R2b2b、R2b3a、R3a3a分别是子结构C在卡盘夹持端（位置2b）、卡盘夹持端（位置2b）和（位置3a）之间、卡盘末端（位置3a）的频响函数矩阵，其中h2b2b、l2b2b、n2b2b、p2b2b是R2b2b的各分量；h2b3a、l2b3a、n2b3a、p2b3a是R2b3a的各分量；h3a3a、l3a3a、n3a3a、p3a3a是R3a3a的各分量。x2b、x3a分别表示子结构C在位置2b和位置3a的位移；θ2b、θ3a分别表示子结构C在位置2b和位置3a的转角；f2b、f3a分别表示子结构C在位置2b和位置3a所受的力；m2b、m3a分别表示子结构C在位置2b和位置3a所受的力矩。利用有限元软件中的谐响应分析模块，在子结构C的位置2b施加单位力并输出位置2b的平动位移响应和转角响应分别得到子结构C的频响函数h2b2b、n2b2b；在子结构C的位置2b施加单位转矩并输出位置2b的转角响应分别得到子结构C的频响函数p2b2b；根据互易性定理，有l2b2b=n2b2b，从而得到子结构C在卡盘夹持端（位置2b）的频响矩阵R2b2b。按照类似的方法可以计算子结构C的频响矩阵R2b3a、R3a3a。3.通过卡盘机床系统整体结构频响函数与子结构频响函数的关系，解得子结构B在卡盘末端的频响函数矩阵R3b3b。整体结构频响函数与子结构频响函数的关系如下：（1）（2）（3）由互易性定理，R3a2b＝R2b3a且频响函数矩阵中l3b3b本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速预测刀工接触任意位置频响函数的方法，用于获取机床上刀工接触任意位置频响函数，该方法具体包括以下步骤：（一）将整个机床进行子结构划分，即将卡盘夹持端和工件的组合作为第一子结构，将所述卡盘及夹持工件部分作为第二子结构，将主轴和机床其余部件的组合作为第三子结构；用均匀分布的弹簧阻尼模拟工件和卡盘的联接；（二）确定所述第二子结构在主轴端的频响函数矩阵；（三）辨识所述第一子结构中工件和联接处的弹簧、阻尼参数，包括弹簧阻尼刚度k和阻尼系数c；（四）将辨识得到的弹簧阻尼刚度k和阻尼系数c代入第一子结构的有限元模型中，计算得到该第一子结构的频响函数；（五）取任一截面分割，将第一子结构划分为F、G两个子结构，并将其耦合，即得到刀工接触任意位置频响函数。

【技术特征摘要】
1.一种快速预测刀工接触任意位置频响函数的方法，用于获取机床上刀工接触任意位置频响函数，该方法具体包括以下步骤：（一）将整个机床进行子结构划分，即将卡盘夹持端和工件的组合作为第一子结构，将所述卡盘及夹持工件部分作为第二子结构，将主轴和机床其余部件的组合作为第三子结构；用均匀分布的弹簧阻尼模拟工件和卡盘的联接；（二）确定所述第二子结构在主轴端的频响函数矩阵；（三）辨识所述第一子结构中工件和联接处的弹簧、阻尼参数，包括弹簧阻尼刚度k和阻尼系数c；（四）将辨识得到的弹簧阻尼刚度k和阻尼系数c代入第一子结构的有限元模型中，计算得到该第一子结构的频响函数；（五）取任一截面分割，将第一子结构划分为F、G两个子结构，并将其耦合，即得到刀工接触任意位置频响函数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步骤（二）中，所述第二子结构在卡盘与主轴端的频响函数矩阵的确定步骤如下：（1）测量所述第二子结构和第三子结构组成的组合结构的三个频响函数h2b2b、h2b3a和h3a3a，其中h2b2b、h2b3a和h3a3a分别是频响函数矩阵G2b2b、G2b3a和G3a3a的第一个元素，所述频响函数矩阵G2b2b、G2b3a和G3a3a分别是该组合结构在卡盘前端、卡盘前端与末端之间、以及卡盘末端的频响函数矩阵；（2）计算所述第二子结构的各个频响函数矩阵R2b2b、R2b3a和R3a3a，其中R2b2b、R2b3a和R3a3a分别是该第二子结构在卡盘前端、卡盘前端与末端之间、以及卡盘末端的频响函数矩阵；（3）根据所述组合结构的频响函数与第二子结构的频响函数，即可获得所述第三子结构在主轴处的频响函数矩阵R3b3b。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述频响函数H2b2b、H2b3a、H3a3a通过对所述组合结构进行模态锤击实验测量得到，具体为：在所述组合结构的卡盘前端锤击，并在该处采集振动位移响应，得到整体结构的一个频响函数H2b2b；在组合结构的卡盘末端锤击，在卡盘前端采集振动位移响应，得到第二个频响函数H2b3a；在组合结构的卡盘末端锤击并在该卡盘末端处采集响应，得到整体结构的第三个频响函数H3a3a。4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述第二子结构频响函数矩阵R2b2b、R2a3a和R3a3a分别为:，，上述频响函数矩阵R2b2b、R2b3a和R3a3a分别通过有限元计算得到，具体为：在该第二子结构的卡盘夹持端施加单位力并输出该位置的平动位移响应和转角响应分别得到频响函数h2b2b和n2b2b，在该位置施加单位转矩并输出该位置的转角响应得到频响函数p2b2b；根据互易性定理，有l2b2b=n2b2b，从而得到第二子结构在卡盘夹持端的频响矩阵R2b2b；在该第二子结构的卡盘末端施加单位力并输出在卡盘夹持端的平动位移响应和转角响应分别得到频响函数h2b3a和n2b3a，在卡盘末端施加单位转矩并输出该卡盘夹持端的转角响应得到频响函数p2b3a，根据互易性定理，有n2b3a＝l2b3a，从而得到第二子结构频响函数矩阵R2b3a；在该第二子结构的卡盘末端施加单位力并输出该位置的平动位移响应和转角响应分别得到频响函数h3a3a和n3a3a，在该卡盘末端施加单位转矩并输出该位置的转角响...

【专利技术属性】
技术研发人员：李哲，陈帅，李超，任德阔，方媛，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23