專(zhuān)利名稱(chēng)：一種以表面波紋度最小化為目標(biāo)的電主軸動(dòng)平衡優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電主軸在線(xiàn)動(dòng)平衡技術(shù)領(lǐng)域，進(jìn)一步涉及旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷與控制領(lǐng)域，特別涉及基于表面波紋度優(yōu)化的電主軸動(dòng)平衡方法。
背景技術(shù)：
高速加工能顯著地提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品加工質(zhì)量，是制造業(yè)發(fā)展的重要趨勢(shì)，也是一項(xiàng)非常有前景的先進(jìn)制造技術(shù)。高質(zhì)量的高速機(jī)床是實(shí)現(xiàn)高速加工的主要載體，而高速機(jī)床的核心部件是高速電主軸單元，它實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)床的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，是一種新型的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式，其性能好壞在很大程度上決定了整臺(tái)機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)效率。大量研究證實(shí)主軸的振動(dòng)容易在零件加工表面形成間距比粗糙度大得多、隨機(jī)的或接近周期形式的成分構(gòu)成的表面不平度，即表面波紋度，通常也被稱(chēng)作振紋。表面波紋度是評(píng)價(jià)產(chǎn)品加工質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，以齒輪加工為例，齒輪的表面波紋度將帶來(lái)傳動(dòng)噪聲與振動(dòng)問(wèn)題，并最終影響到產(chǎn)品的壽命和可靠性。不平衡是導(dǎo)致高速電主軸振動(dòng)的一項(xiàng)主要誘因，因此，對(duì)高速電主軸實(shí)施動(dòng)平衡，對(duì)于降低振動(dòng)、抑制表面波紋度、提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，具有重要的實(shí)際意義。電主軸在工作過(guò)程中，單個(gè)測(cè)振截面的振動(dòng)可由徑向水平、徑向垂直和軸向振動(dòng)來(lái)描述。這三個(gè)方向的振動(dòng)對(duì)加工精度的影響也各不相同。如果要同時(shí)實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向振動(dòng)的抑制，理論上來(lái)講，至少需要三個(gè)平衡面。然而對(duì)于現(xiàn)有的電主軸產(chǎn)品，一般僅提供一個(gè)平衡面供加重使用。這意味著三個(gè)方向的振動(dòng)不可能得到同時(shí)抑制。在這種情況下，就存在尋求平衡方法的最優(yōu)解問(wèn)題。現(xiàn)有電主軸方面的相關(guān)專(zhuān)利主要側(cè)重于自動(dòng)平衡頭裝置及產(chǎn)品的研發(fā)并未涉及平衡優(yōu)化方法。例如“砂輪動(dòng)平衡測(cè)控裝置” (ZL201020150825)、“一種高速主軸電磁式在線(xiàn)動(dòng)平衡方法”(ZL200810232007)、高速主軸在線(xiàn)動(dòng)平衡裝置(ZL200710185254)。而本專(zhuān)利則是公布一種平衡優(yōu)化方法，該平衡方法在電主軸各向振動(dòng)與紋路耦合分析的基礎(chǔ)上， 建立了振動(dòng)與紋路之間的映射關(guān)系，并以工件加工表面波紋度最小化作為最終的平衡優(yōu)化目標(biāo)。該平衡方法與以往方法相比，避免了電主軸平衡的盲目性，能夠保證產(chǎn)品具有更優(yōu)的加工質(zhì)量。在目前所知的相關(guān)專(zhuān)利和論文文獻(xiàn)中，還沒(méi)有涉及以加工表面波紋度最小化為優(yōu)化目標(biāo)的平衡優(yōu)化方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提出一種以加工表面波紋度最小化為控制目標(biāo)的平衡優(yōu)化方法。它同以往的平衡優(yōu)化方法相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)以往的平衡優(yōu)化方法以殘余振動(dòng)的平方和作為優(yōu)化目標(biāo)，但是滿(mǎn)足以上條件時(shí)，不能保證加工表面精度的最優(yōu)化，因?yàn)楦飨蛘駝?dòng)對(duì)表面波紋度的影響因子并不相同。本發(fā)明的核心內(nèi)容在于充分利用電主軸不平衡響應(yīng)與加工產(chǎn)品表面波紋度的內(nèi)在關(guān)聯(lián)模式，提出了以加工表面波紋度最小化為優(yōu)化目標(biāo)的平衡優(yōu)化技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)適用于手動(dòng)或者自動(dòng)在線(xiàn)動(dòng)平衡方式，可加載在加工中心、磨齒機(jī)等設(shè)備上。以加工表面波紋度最小化為優(yōu)化目標(biāo)的平衡優(yōu)化方法的實(shí)施，包括以下步驟步驟一建立電主軸各向振動(dòng)與產(chǎn)品表面波紋度的關(guān)聯(lián)模型，從該模型計(jì)算得到水平徑向、垂直徑向和軸向振動(dòng)對(duì)表面波紋度的影響權(quán)重因子0h，βν，3a。步驟二 通過(guò)加速度傳感器獲取電主軸各向原始振動(dòng)數(shù)據(jù)vh。，vhs, vvc, vvs, vac,
V ·
v as >其中vh。，Vhs----水平徑向原始振動(dòng)的余弦和正弦分量；vvc, Vvs――垂直徑向原始振動(dòng)的余弦和正弦分量；vac, Vas軸向原始振動(dòng)的余弦和正弦分量；步驟三通過(guò)試重獲得單位不平衡量對(duì)各向振動(dòng)的影響系數(shù)Yh。，Yhs, Yvc, Yvs，
Y ac' Y as ；其中Yh。，yhs----水平徑向影響系數(shù)的余弦和正弦分量；yvc, yvs----垂直徑向影響系數(shù)的余弦和正弦分量；Yac, Yas----軸向影響系數(shù)的余弦和正弦分量；步驟四將表面波紋度的影響權(quán)重因子i3h，βν，β a，作為權(quán)重因子帶入到平衡方程中，并用最小二乘法對(duì)配重量的大小和方位進(jìn)行解算步驟五將計(jì)算配重量加入已有的平衡孔中，完成高速電主軸的平衡操作。本專(zhuān)利公開(kāi)了一種平衡優(yōu)化方法，該平衡方法在電主軸各向振動(dòng)與紋路耦合分析的基礎(chǔ)上，建立了振動(dòng)與紋路之間的映射關(guān)系，并以工件加工表面波紋度最小化作為最終的平衡優(yōu)化目標(biāo)。該平衡方法與以往方法相比，避免了電主軸平衡的盲目性，能夠保證產(chǎn)品具有更優(yōu)的加工質(zhì)量。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明以加工表面波紋度最小化為優(yōu)化目標(biāo)的平衡優(yōu)化方法，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，具體包括以下實(shí)施步驟步驟一建立電主軸各向振動(dòng)與產(chǎn)品表面波紋度的關(guān)聯(lián)模型，從該模型計(jì)算得到水平徑向、垂直徑向和軸向振動(dòng)對(duì)表面波紋度的影響權(quán)重因子0h，βν，3a。步驟二通過(guò)加速度傳感器對(duì)電主軸各向振動(dòng)信息及鍵相信號(hào)進(jìn)行采集，從而獲得電主軸垂直徑向原始振動(dòng)Vh。，Vhs，水平徑向原始振動(dòng)Vv。，Vvs，軸向原始振動(dòng)Va。，Vas ；步驟三對(duì)電主軸添加試重，通過(guò)試重響應(yīng)，獲得單位不平衡量對(duì)各向振動(dòng)的影響系數(shù)，包括水平徑向影響系數(shù)Yh。，Yhs;垂直徑向影響系數(shù)Yv。，Yvs;軸向影響系數(shù)Ya。，γ .
δ as *步驟四在平衡優(yōu)化方法中，充分考慮各向振動(dòng)對(duì)工件表面波紋度的影響，并以表面波紋度最小作為優(yōu)化目標(biāo)，建立平衡方程(1)，并推導(dǎo)得到考慮紋路權(quán)重因子的最小二乘解⑵。
權(quán)利要求
1. 一種以加工表面波紋度最小化為控制目標(biāo)的平衡優(yōu)化方法，其特征在于 步驟一.首先建立電主軸各向振動(dòng)與產(chǎn)品表面波紋度的關(guān)聯(lián)模型，并通過(guò)該模型計(jì)算得到電主軸徑向水平、徑向垂直和軸向振動(dòng)對(duì)表面波紋度的影響權(quán)重因子0h，βν， 其中β h---徑向水平振動(dòng)對(duì)表面波紋度的影響權(quán)重因子； β v---徑向垂直振動(dòng)對(duì)表面波紋度的影響權(quán)重因子； β a—軸向振動(dòng)對(duì)表面波紋度的影響權(quán)重因子；步驟二 通過(guò)加速度傳感器和鍵相傳感器獲取電主軸各向原始振動(dòng)數(shù)據(jù)
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平衡優(yōu)化方法，其特征在于通過(guò)建立電主軸各向振動(dòng)與產(chǎn)品表面波紋度的關(guān)聯(lián)模型，獲得了水平徑向、垂直徑向和軸向振動(dòng)對(duì)表面波紋度的影響權(quán)重因子0h，βν，β a，并形成了加工精度與電主軸振動(dòng)的映射關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平衡優(yōu)化方法，其特征在于如步驟四所述，將水平徑向、垂直徑向和軸向振動(dòng)對(duì)表面波紋度的影響權(quán)重因子3h， β ν，β a，作為權(quán)重因子，構(gòu)造出表面波紋度最小化的平衡配重計(jì)算方法。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種以加工工件表面波紋度最小化為目標(biāo)的電主軸動(dòng)平衡優(yōu)化方法。已有的平衡優(yōu)化策略往往以殘余振動(dòng)的總能量或最大振動(dòng)最小化作為優(yōu)化目標(biāo)，但是上述優(yōu)化控制目標(biāo)并不能保證加工表面波紋度的最優(yōu)控制，原因在于各向振動(dòng)對(duì)表面波紋度的影響程度不盡相同。為了克服上述傳統(tǒng)方法的缺陷，本發(fā)明首先建立了電主軸振動(dòng)與工件表面波紋度之間的映射關(guān)系，計(jì)算得到電主軸各向振動(dòng)對(duì)表面波紋度的影響因子βh，βv，βa，并以工件加工表面波紋度最小化作為最終的平衡優(yōu)化目標(biāo)對(duì)平衡過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。與傳統(tǒng)主軸在線(xiàn)動(dòng)平衡方法相比，該項(xiàng)技術(shù)可最大程度地抑制影響加工表面波紋度的主軸不平衡響應(yīng)振動(dòng)，對(duì)優(yōu)化電主軸振動(dòng)分配和提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。
文檔編號(hào)G01M1/32GK102507092SQ201110333149
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月28日
發(fā)明者楊奇俊, 林京, 王琇峰, 趙明 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)