單擺頭結構銑床刀尖點頻響的快速計算方法
【技術領域】：
[0001] 本發(fā)明屬于機械加工技術領域，具體涉及一種單擺頭結構銑床刀尖點頻響的快速 計算方法。
【背景技術】：
[0002] 在傳統(tǒng)三軸結構銑床或加工中心的主軸上增加一個擺軸，從而成為四軸機床或再 配合一個轉臺而成為五軸機床，這種形式的機床非常適合一些曲面零件的加工，如汽輪機 葉片、閥體、盤類零件等。該類機床在進行曲面加工時，擺軸一般與工件曲面的切向垂直，從 而與Z軸成不同的角度。時刻變化的擺角影響了整個主軸系統(tǒng)的結構形式，系統(tǒng)剛度發(fā)生 了變化，因而此時采用同樣的切削參數可能更易引起系統(tǒng)顫振，它不僅破壞工件的表面質 量，而且還加劇刀具的磨損，嚴重時甚至使切削無法進行。
[0003] 在實際工程中為避免顫振發(fā)生的一個有效方法是借助于該機床的切削穩(wěn)定性極 限圖（俗稱"葉瓣圖"）來選擇合適的切削參數，刀尖點頻響函數是構造該圖的基礎。目前 國內外比較成熟的一種快速計算機床刀尖點頻響的方法為頻響耦合子結構法，該方法將機 床整機分為三個子結構：機床一主軸，刀柄和刀具。其中機床一主軸響應采用錘擊法獲取， 而刀柄和刀具的懸伸部分則采用鐵木辛柯梁模型求解，最后將兩部分響應進行耦合得到刀 尖點總響應。
[0004] 該方法的提出解決了刀具、刀柄頻繁變換后整機頻響特性需重新測試的不足之 處，為機床切削穩(wěn)定性極限圖的快速構建提供了新的思路。目前該方法及其改進策略均只 適用于三軸機床，對于具有單擺頭的四軸或五軸聯(lián)動機床而言，由于擺角的不斷變化導致 該方法失效。

【發(fā)明內容】
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[0005] 本發(fā)明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供了一種單擺頭結構銑床刀尖點 頻響的快速計算方法。該方法通過建立擺動狀態(tài)的刀柄端頻響的計算模型實現不同擺動姿 態(tài)下刀柄端頻響的快速計算，進而利用子結構親合法快速計算刀尖點頻響。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術方案予以實現：
[0007] 單擺頭結構銑床刀尖點頻響的快速計算方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟一：建立擺動狀態(tài)的刀柄端頻響的計算模型
[0009] 計算機床-Z軸基體在耦合方向的頻響矩陣，并基于單自由度耦合理論公式得到 刀柄端頻響的表達式，根據機床-Z軸基體和主軸-刀柄的剛度關系建立刀柄端頻響計算模 型；
[0010] 步驟二：進行刀尖點頻響快速計算
[0011] 用實驗方法得到機床刀柄端在兩處指定位置處的頻響矩陣，根據擺動狀態(tài)的刀柄 端頻響的計算模型得到任意姿態(tài)下的刀柄端頻響后，通過頻響耦合子結構法計算該姿態(tài)下 的任意刀柄-刀具組合下的刀尖點頻響。
[0012] 本發(fā)明進一步的改進在于，步驟一中，耦合方向處的頻響矩陣分別考慮α和β兩 個方向，α方向定義為刀柄端平面內和擺軸軸線平行的方向，β方向定義為刀柄端平面內 和α方向垂直的方向。
[0013] 本發(fā)明進一步的改進在于，步驟一中，機床-Z軸基體在耦合方向的α方向頻響矩 陣如式⑴所示，β方向頻響矩陣如式⑵所示：
【主權項】
1. 單擺頭結構銑床刀尖點頻響的快速計算方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一：建立擺動狀態(tài)的刀柄端頻響的計算模型 計算機床-Z軸基體在親合方向的頻響矩陣，并基于單自由度親合理論公式得到刀柄 端頻響的表達式，根據機床-Z軸基體和主軸-刀柄的剛度關系建立刀柄端頻響計算模型； 步驟二：進行刀尖點頻響快速計算 用實驗方法得到機床刀柄端在兩處指定位置處的頻響矩陣，根據擺動狀態(tài)的刀柄端頻 響的計算模型得到任意姿態(tài)下的刀柄端頻響后，通過頻響耦合子結構法計算該姿態(tài)下的任 意刀柄-刀具組合下的刀尖點頻響。
2. 根據權利要求1所述的單擺頭結構銑床刀尖點頻響的快速計算方法，其特征在于， 步驟一中，耦合方向處的頻響矩陣分別考慮α和β兩個方向，α方向定義為刀柄端平面 內和擺軸軸線平行的方向，β方向定義為刀柄端平面內和α方向垂直的方向。
3. 根據權利要求2所述的單擺頭結構銑床刀尖點頻響的快速計算方法，其特征在于， 步驟一中，機床-Z軸基體在耦合方向的α方向頻響矩陣如式（1)所示，β方向頻響矩陣 如式⑵所示：
其中：H、L、N和P分別是位移/力、位移/彎矩、轉角/力和轉角/彎矩的頻響函數，R 為由H、L、N和P組成的頻響函數矩陣；下角標α α表示α方向的頻響，β β表示β方向 的頻響，Θ表示擺軸的擺角。
4. 根據權利要求1所述的單擺頭結構銑床刀尖點頻響的快速計算方法，其特征在于， 步驟一中，刀柄端頻響計算模型為：擺頭擺角為Θ時，刀柄端α方向的頻響矩陣如式（13) 所示，刀柄端β方向的頻響矩陣如式（14)所示：
其中：H、L、N和P分別是位移/力、位移/彎矩、轉角/力和轉角/彎矩的頻響函數，R 為由H、L、N和P組成的頻響函數矩陣；下角標α α表示α方向的頻響，β β表示β方向 的頻響；下角標小括號中第一個數值表示擺軸的擺角，第二個數值表示轉軸的轉角，對于雙 擺頭結構才有轉軸，所以這里轉軸轉角均為0。
5. 根據權利要求1所述的單擺頭結構銑床刀尖點頻響的快速計算方法，其特征在于， 步驟二中，兩處指定位置分別指單擺軸擺角為0°和90°或0°和-90°的兩個單擺軸姿 ??τ O
6.根據權利要求1所述的單擺頭結構銑床刀尖點頻響的快速計算方法，其特征在于， 步驟二中，用實驗方法獲得刀柄端頻響矩陣的方法為一階差分合成法，即用一階差分法計 算頻響L和N，用合成法計算P ;頻響耦合子結構法的計算中刀具和刀柄耦合做剛性連接處 理，刀具和刀柄的頻響用鐵木辛柯梁建模得到。
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種單擺頭結構銑床刀尖點頻響的快速計算方法，解決了因擺頭姿態(tài)變化導致的刀尖點頻響快速計算的問題，其關鍵之處在于基于耦合方向頻響矩陣的計算和單自由度耦合的公式推導建立了擺動狀態(tài)的刀柄端頻響的計算模型，通過頻響耦合子結構法實現了不同姿態(tài)下的刀尖點頻響快速計算。本發(fā)明中所述的計算方法能夠在少量實驗的情況下比較準確的計算單擺頭結構銑床不同姿態(tài)下的刀尖點頻響，為實現多軸加工過程中的穩(wěn)定切削提供了基礎。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號】CN104732088
【申請?zhí)枴緾N201510131177
【發(fā)明人】張俊, 趙萬華, 謝振南, 王俊娜, 劉嚴, 藺偉興
【申請人】西安交通大學
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月24日