專利名稱：主軸-刀柄結(jié)合面非線性動態(tài)特性參數(shù)識別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機械結(jié)構(gòu)的結(jié)合面技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種主軸-刀柄結(jié)合面非線性動態(tài)特性參數(shù)識別方法。
背景技術(shù)：
主軸-刀柄系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心部件之一，其動力學(xué)特性直接影響切削穩(wěn)定性、加工精度、表面粗糙度和生產(chǎn)效率。在主軸-刀柄系統(tǒng)動力學(xué)分析中，通常是通過測試及參數(shù)辨識以識別結(jié)合面動力學(xué)參數(shù)，進而進行主軸-刀柄系統(tǒng)動態(tài)特性分析。主軸-刀柄結(jié)合面對主軸系統(tǒng)動力學(xué)特性有著非常顯著的影響，目前普遍采用線性分析模型進行近似模擬。隨著機床性能向高轉(zhuǎn)速、高精度方向發(fā)展，這種近似模擬的方法存在較大的分析誤差，難以滿足高速高性能主軸-刀柄系統(tǒng)動力學(xué)分析要求。主軸與刀柄的設(shè)計通常采用了非對稱結(jié)構(gòu)，比如HSKA型刀柄錐柄端面設(shè)有兩個深度不一致的驅(qū)動鍵槽、拉桿機構(gòu)中的螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)、單刃刀片結(jié)構(gòu)、側(cè)邊緊固螺釘結(jié)構(gòu)等，以及制造、裝配過程產(chǎn)生的加工誤差，主軸-刀柄系統(tǒng)中存在不可避免的偏心質(zhì)量。當(dāng)主軸高速旋轉(zhuǎn)時，偏心質(zhì)量成為主要的激振源，使整個主軸-刀柄系統(tǒng)產(chǎn)生振動，從而導(dǎo)致主軸和刀柄的彈性結(jié)合面處呈現(xiàn)出非常復(fù)雜的非線性特性。主軸-刀柄結(jié)合面等彈性連接導(dǎo)致的非線性特性是高速切削時產(chǎn)生顫振的一個主要來源，為了準(zhǔn)確分析主軸-刀柄系統(tǒng)的動態(tài)性能，盡量避免顫振的產(chǎn)生，需要建立主軸-刀柄系統(tǒng)的動力學(xué)模型,而主軸-刀柄結(jié)合面的參數(shù)識別是主軸-刀柄系統(tǒng)動力學(xué)精確建模的關(guān)鍵問題?，F(xiàn)有的技術(shù)中，只提出了適用于識別問題主軸與刀柄結(jié)合面的線性動態(tài)特性參數(shù)的解決辦法，例如中國專利申請?zhí)枮?201110061668.3，發(fā)明名稱為:主軸與刀柄結(jié)合面靜動態(tài)特性試驗裝置及試驗方法，該專利申請?zhí)岢隽艘环N主軸與刀柄結(jié)合面靜動態(tài)特性的試驗方法，該方法可識別主軸與刀柄結(jié)合面的線性剛度及線性阻尼，但該發(fā)明僅適用于識別主軸與刀柄結(jié)合面的線性動態(tài)特性參數(shù)；中國專利申請?zhí)枮?201010298969.3，發(fā)明名稱為:滾動導(dǎo)軌結(jié)合面動態(tài)特性參數(shù)識別系統(tǒng)及識別方法，該專利申請?zhí)岢隽艘环N滾動導(dǎo)軌結(jié)合面動態(tài)特性參數(shù)識別系統(tǒng)及控制方法，可完成法向和切向結(jié)合面參數(shù)的識別，該發(fā)明也僅適用于識別結(jié)合面的線性動態(tài)特性參數(shù)。以上的方案都未能有效的解決由于主軸-刀柄系統(tǒng)的非線性問題所造成的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可識別主軸-刀柄結(jié)合面非線性動態(tài)特性參數(shù)的方法。為達到上述目的，本發(fā)明的解決方案是:一種主軸-刀柄結(jié)合面非線性動態(tài)特性參數(shù)識別方法，包括以下步驟，(I)建立主軸-刀柄的有限元分析模型；(2)檢驗主軸-刀柄有限元分析模型是否正確，若確認無誤，轉(zhuǎn)入步驟(4)，若確認存在差異，轉(zhuǎn)入步驟(3);(3)修正所述主軸-刀柄有限元分析模型，并轉(zhuǎn)入步驟(2)繼續(xù)檢測；(4)對檢驗后的主軸-刀柄系統(tǒng)有限元模型進行非線性瞬態(tài)響應(yīng)分析處理，以獲取主軸-刀柄結(jié)合面處的相對瞬態(tài)位移、相對瞬態(tài)速度以及徑向非線性接觸力/( )、切向非線性接觸力/O，j>)的歷程數(shù)據(jù)的樣本數(shù)據(jù)；(5)依據(jù)非線性振動系統(tǒng)中/(Xj)、/CF汐)一般表達式，采用非參數(shù)化方法對所述樣本數(shù)據(jù)進行回歸分析，建立主軸-刀柄結(jié)合面非線性接觸力/Ovt)、/(.V，彡，)的解析表達模型。所述步驟(2)中，包括以下步驟，(a)對所述主軸-刀柄的有限元分析模型進行自由模態(tài)分析，計算有限元分析模型的固有頻率；(b)將有限元分析模型的固有頻率與自由模態(tài)實驗得到主軸-刀柄系統(tǒng)的固有頻率進行對比，如存在差異轉(zhuǎn)入步驟(3 );若確認無誤，轉(zhuǎn)入步驟(4 )。所述步驟(b)中，采用彈性繩懸掛主軸-刀柄的實驗?zāi)Ｐ停褂缅N擊法進行自由模態(tài)實驗，以獲取自由模態(tài)實驗下的主軸-刀柄系統(tǒng)的固有頻率。步驟(3)中，通過調(diào)整有限元模型網(wǎng)格大小和結(jié)合面的摩擦系數(shù)參數(shù)修正所述有限元模型。步驟(4)中，所述歷程數(shù)據(jù)的取得包括以下步驟，( I )對修正后的主軸-刀柄系統(tǒng)有限元模型進行非線性瞬態(tài)響應(yīng)分析，得到主軸-刀柄結(jié)合面相對瞬態(tài)位移、相對瞬態(tài)速度及相對瞬態(tài)加速度的時間歷程數(shù)據(jù)；(II)結(jié)合相對瞬態(tài)加速度的歷程數(shù)據(jù)分析主軸-刀柄簡化非線性振動系統(tǒng)中刀柄的運動方程，以獲得和/(>，，j)的時間歷程數(shù)據(jù)。所述步驟(II )中，取刀柄質(zhì)量塊M1為受力分析對象，根據(jù)牛頓第二運動定律，所述主軸-刀柄簡化非線性振動系統(tǒng)中刀柄的運動方程變形為
權(quán)利要求
1.一種主軸-刀柄結(jié)合面非線性動態(tài)特性參數(shù)識別方法，其特征在于:包括以下步驟， (1)建立主軸-刀柄的有限元分析模型； (2)檢驗主軸-刀柄有限元分析模型是否正確，若確認無誤，轉(zhuǎn)入步驟(4)，若確認存在差異，轉(zhuǎn)入步驟(3); (3)修正所述主軸-刀柄有限元分析模型，并轉(zhuǎn)入步驟(2)繼續(xù)檢測； (4)對檢驗后的主軸-刀柄系統(tǒng)有限元模型進行非線性瞬態(tài)響應(yīng)分析處理，以獲取主軸-刀柄結(jié)合面處的相對瞬態(tài)位移、相對瞬態(tài)速度以及徑向非線性接觸力/U，x)、切向非線性接觸力/0，Λ的歷程數(shù)據(jù)的樣本數(shù)據(jù)； (5)依據(jù)非線性振動系統(tǒng)中/(x，x)、/(兄另一般表達式，采用非參數(shù)化方法對所述樣本數(shù)據(jù)進行回歸分析，建立主軸-刀柄結(jié)合面非線性接觸力f 、/O，J;)的解析表達模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1主軸-刀柄結(jié)合面非線性動態(tài)特性參數(shù)識別方法，其特征在于:所述步驟(2)中，包括以下步驟， Ca)對所述主軸-刀柄的有限元分析模型進行自由模態(tài)分析，計算有限元分析模型的固有頻率； (b)將有限元分析模型的固有頻率與自由模態(tài)實驗得到主軸-刀柄系統(tǒng)的固有頻率進行對比，如存在差異轉(zhuǎn)入步驟(3 );若確認無誤，轉(zhuǎn)入步驟(4 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求2主軸-刀柄結(jié)合面非線性動態(tài)特性參數(shù)識別方法，其特征在于:所述步驟(b)中，采用彈性繩懸掛主軸-刀柄的實驗?zāi)Ｐ?，使用錘擊法進行自由模態(tài)實驗，以獲取自由模態(tài)實驗下的主軸-刀柄系統(tǒng)的固有頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1主軸-刀柄結(jié)合面非線性動態(tài)特性參數(shù)識別方法，其特征在于:步驟(3)中，通過調(diào)整有限元模型網(wǎng)格大小和結(jié)合面的摩擦系數(shù)參數(shù)修正所述有限元模型。
5.根據(jù)權(quán)利要求1主軸-刀柄結(jié)合面非線性動態(tài)特性參數(shù)識別方法，其特征在于:步驟(4)中，所述歷程數(shù)據(jù)的取得包括以下步驟， (I )對修正后的主軸-刀柄系統(tǒng)有限元模型進行非線性瞬態(tài)響應(yīng)分析，得到主軸-刀柄結(jié)合面相對瞬態(tài)位移、相對瞬態(tài)速度及相對瞬態(tài)加速度的時間歷程數(shù)據(jù)； (II)結(jié)合相對瞬態(tài)加速度的歷程數(shù)據(jù)分析主軸-刀柄簡化非線性振動系統(tǒng)中刀柄的運動方程，以獲得/仁句和/Cf,>)的時間歷程數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5主軸-刀柄結(jié)合面非線性動態(tài)特性參數(shù)識別方法，其特征在于:所述步驟(II)中，取刀柄質(zhì)量塊M1為受力分析對象，根據(jù)牛頓第二運動定律，所述主軸-刀柄簡化非線性振動系統(tǒng)中刀柄的運動方程變形為
7.根據(jù)權(quán)利要求1主軸-刀柄結(jié)合面非線性動態(tài)特性參數(shù)識別方法，其特征在于:所述步驟(4)中，以一定的時間間距從所述相對瞬態(tài)位移、相對瞬態(tài)速度、/(U)以及/(Jj)的時間歷程數(shù)據(jù)中取出一定數(shù)量的樣本數(shù)據(jù)，即 Xt = X、tk), Xt = x(ik), fk (X,.t) = f(x(tk), x(ik)) Λ = y(h )，yk = Kh), fk (v, y) = f(y(tk )，y(tk)) 其中，tk為時間間距，Xk、yk為位移樣本點，xk,yk為速度樣本點，y；(x，.t) 、fk{y,y)為非線性接觸力樣本點。
8.根據(jù)權(quán)利要求1主軸-刀柄結(jié)合面非線性動態(tài)特性參數(shù)識別方法，其特征在于:所述步驟(5)中，非線性振動系統(tǒng)中/(λ 、/0.，j)一般表達式為，
9.根據(jù)權(quán)利要求1主軸-刀柄結(jié)合面非線性動態(tài)特性參數(shù)識別方法，其特征在于:步驟(5)中，依據(jù)/(x，i)、/(7，j)一般表達式，基于最小二乘法及切比雪夫多項式的非參數(shù)化方法分析所述樣本數(shù)據(jù)，建立主軸-刀柄結(jié)合面非線性接觸力/仁幻及/iv，j)的解析表達模型，即
10.根據(jù)權(quán)利要求1主軸-刀柄結(jié)合面非線性動態(tài)特性參數(shù)識別方法，其特征在于:所述步驟(I)中采用Hyper Works有限元分析軟件建立所述主軸-刀柄的有限元分析模型。
全文摘要
一種主軸-刀柄結(jié)合面動態(tài)特性參數(shù)識別方法，基于非參數(shù)化方法結(jié)合有限元分析技術(shù)識別主軸-刀柄結(jié)合面非線性動態(tài)特性參數(shù)。具體的，首先建立主軸-刀柄系統(tǒng)的有限元分析模型，對該模型進行非線性瞬態(tài)響應(yīng)分析，得到結(jié)合面處位移、速度、加速度的瞬態(tài)響應(yīng)，再根據(jù)牛頓第二運動定律推導(dǎo)得出結(jié)合面處非線性接觸力的時間歷程數(shù)據(jù)，基于非參數(shù)化方法利用最小二乘法及切比雪夫多項式對樣本數(shù)據(jù)進行回歸分析，最終得到主軸-刀柄結(jié)合面之間徑向和切向非線性接觸力的解析表達模型。此非線性接觸力模型可直接應(yīng)用于主軸-HSK刀柄系統(tǒng)的動力學(xué)建模中，為進一步研究主軸-HSK刀柄系統(tǒng)的整體動態(tài)特性提供了必要條件。
文檔編號G01M7/02GK103196643SQ201310068050
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月4日
發(fā)明者劉雪梅, 李愛平, 張正旺, 羅建偉 申請人:同濟大學(xué)