9段表示電 主軸單元，31-54段表示刀柄單元，56-66段表示刀具單元；30段和55段表示過渡段；66段 表示刀尖點；4段、5段、12段、19段和20段表示電主軸內部支承軸承；21-29段和對應的 31-39段表不電主軸-刀柄結合面；48-54段和對應的56-62段表不刀柄-刀具結合面。電 主軸、刀柄、刀具的具體尺寸如表1、表2、表3所示。
[0079] 表1電主軸尺寸/mm
[0085]PULSE系統(tǒng)是丹麥公司于1996年推出的世界上首個噪聲、振動多分 析儀系統(tǒng)，能夠同時進行多通道、實時、FFT、CPB、總級值等分析。PULSE系統(tǒng)平臺包括軟件 和硬件兩個部分。硬件部分為B&K公司的17通道便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3560-C，軟件部分為 7700型平臺軟件與VibrantTechnology公司的ME'scope分析軟件相結合。采集響應信 號利用B&K公司的4525B型三向加速度傳感器。本實施方式中采用力錘對電主軸系統(tǒng)進行 激勵，選用塑料錘頭，采集激勵信號使用力傳感器8206-001，傳感器和信號放大器都集成在 力錘當中，主要測試設備列于表4,搭建測試系統(tǒng)如圖11所示。
[0086] 表4主要測試設備表
[0087]
[0088] 利用所提出的建立電主軸-刀柄-刀具結合面模型并利用并聯(lián)轉子思想完成整個 電主軸系統(tǒng)模型的建立，隨后計算系統(tǒng)的響應，得到刀尖點頻響函數(shù)。圖12所示為仿真結 果與試驗數(shù)據(jù)的對比圖，從圖中可以看出，分布彈簧連接模擬結合面模型比剛性連接的仿 真結果更接近測試數(shù)據(jù)。圖13為不同分布式彈簧模型模擬結合面特性的仿真結果與試驗 數(shù)據(jù)的對比圖，從圖中可以看出5段分布式彈簧比10段分布式彈簧的模擬效果更接近試驗 結果，說明分布式彈簧的布置形式對電主軸系統(tǒng)刀尖點頻響函數(shù)的影響較為明顯。
[0089] 表5列出了結合面不同建模方法的仿真結果與試驗數(shù)據(jù)的差異，包括剛性連接、 集中彈簧連接以及分布彈簧連接，同時也研究了分布彈簧的分布形式對電主軸系統(tǒng)固有頻 率的影響。試驗過程中由于環(huán)境、工況、邊界條件以及測試過程中的不可避免的人為干擾因 素的存在，測試結果沒有體現(xiàn)出剛體振型，測試得到的模態(tài)結果仍可以定性地反映研究對 象的固有特性。從表中可以看出，假設結合面為剛性連接的仿真結果與試驗測試結果相差 較大，其中最大相差158%，最小也存在82. 65%的誤差；而集中彈簧以及分布式彈簧模擬 結合面的仿真結果與剛性連接相比更為接近試驗測試結果；其中分布式彈簧模擬結果比集 中彈簧模擬效果更好。彈簧布置形式對仿真結果影響較大，5段分布彈簧的仿真結果與試驗 數(shù)據(jù)對比，誤差控制在5%以內，比10段分布彈簧模擬結果更為理想，這是因為將結合面分 成5段后每個單元的長度與系統(tǒng)中其他單元長度相近，因此仿真結果更為接近實際，由此 可以說明分布彈簧的布置形式不是越密越好，而是與系統(tǒng)中其他單元長度相近為宜。
[0090] 表5不同結合面模型與試驗數(shù)據(jù)的固有頻率對比表
[0091]
[0093] 電主軸-刀柄-刀具結合面建模是研究高速主軸系統(tǒng)動態(tài)特性的重點問題，主要 工作與結論包括：
[0094] 1)提出了利用分布式彈簧來模擬電主軸-刀柄-刀具結合面動力學特性的方法， 并基于并聯(lián)轉子系統(tǒng)建立主軸系統(tǒng)有限元模型，并規(guī)劃出包括電主軸-刀柄-刀具結合面 建模的完整主軸系統(tǒng)有限元建模流程；
[0095] 2)根據(jù)仿真與試驗對比分析可以得出，對電主軸-刀柄-刀具結合面的建模方 法而言，分布式彈簧模型比剛性連接和集中彈簧模型更接近試驗測試結果，對電主軸-刀 柄-刀具結合面的模擬更有效；
[0096] 3)分布彈簧的布置形式不是越密越好，而是與系統(tǒng)其他單元的長度相近為宜，此 時的結合面建?？梢宰顬檎鎸嵉胤从硨嶋H情況。
[0097] 選擇合適的彈簧布置實現(xiàn)分布式彈簧模型，對電主軸-刀柄-刀具結合面動力學 特性的模擬可以更為真實地反映高速電主軸系統(tǒng)的實際應用情況，對高速電主軸系統(tǒng)穩(wěn)定 性分析具有指導性意義。
【主權項】
1. 一種數(shù)控機床加工極限切削深度預測方法，其特征在于，包括： 步驟1、獲取數(shù)控機床電主軸的內徑與外徑、刀柄的內徑與外徑、刀具的直徑； 步驟2、建立電主軸有限元模型、刀柄有限元模型、刀具有限元模型； 步驟2-1、根據(jù)數(shù)控機床電主軸的內徑與外徑、刀柄的內徑與外徑、刀具的直徑，選擇 Timoshenko梁單元分別建立電主軸的有限元模型、刀柄的有限元模型、刀具的有限元模 型； 步驟2-2、以階梯軸形式劃分電主軸-刀柄結合面、刀柄-刀具結合面結構，形成除電主 軸軸段、刀柄軸段、刀具軸段之外的電主軸-刀柄結合面軸段和刀柄-刀具結合面軸段； 步驟2-3、在電主軸軸段靠近刀柄一端、刀柄軸段靠近刀具一端分別增加一個過渡軸 段，為實現(xiàn)并聯(lián)轉子系統(tǒng)組集矩陣做準備； 步驟2-4、對電主軸軸段、刀柄軸段和刀具軸段順序進行節(jié)點標號，分別建立電主軸有 限元模型、刀柄有限元模型、刀具有限元模型； 步驟3、建立電主軸-刀柄-刀具結合面有限元模型； 步驟3-1、選擇彈簧分布密度、彈簧根數(shù)、彈簧剛度以及阻尼，根據(jù)電主軸-刀柄結合面 和刀柄-刀具結合面所劃分的階梯軸建立電主軸-刀柄-刀具結合面的分布式彈簧模型； 步驟3-2、將電主軸-刀柄結合面、刀柄-刀具結合面的剛度和阻尼按照彈簧分布密度 分配給每根彈簧，形成電主軸-刀柄-刀具結合面的分布式彈簧阻尼模型； 步驟3-3、將電主軸-刀柄-刀具結合面的分布式彈簧阻尼模型與電主軸有限元模型、 刀柄有限元模型、刀具有限元模型組集，建立以主軸為外轉子、刀柄為內轉子，刀柄為外轉 子、刀具為內轉子的雙并聯(lián)轉子系統(tǒng)的有限元模型，即考慮電主軸-刀柄-刀具結合面特征 的完整的尚速主軸系統(tǒng)有限兀t旲型； 步驟4、進行模態(tài)測試與動力學仿真，得到刀尖點頻響函數(shù)； 步驟5、根據(jù)刀尖點頻響函數(shù)得到極限切削深度。2. 根據(jù)權利要求1所述的數(shù)控機床加工極限切削深度預測方法，其特征在于，所述步 驟4的具體步驟如下： 步驟4-1、利用所建立的完整的高速主軸系統(tǒng)有限元模型進行模態(tài)測試與動力學仿 真； 步驟4-2、利用模態(tài)測試結果與動力學仿真結果進行對比，修正得到完整的高速主軸系 統(tǒng)有限元模型中分布式彈簧的數(shù)量與彈簧分布密度； 步驟4-3、對修正后的完整的高速主軸系統(tǒng)有限元模型進行模態(tài)與響應分析，得到刀尖 點頻響函數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種數(shù)控機床加工極限切削深度預測方法，包括：獲取數(shù)控機床電主軸的內徑與外徑、刀柄的內徑與外徑、刀具的直徑；建立電主軸有限元模型、刀柄有限元模型、刀具有限元模型；建立電主軸-刀柄-刀具結合面有限元模型；進行模態(tài)測試與動力學仿真，得到刀尖點頻響函數(shù)；根據(jù)刀尖點頻響函數(shù)得到極限切削深度。本發(fā)明提供的數(shù)控機床加工極限切削深度預測方法是一種新的結合部動力學特性模擬方法，將電主軸-刀柄-刀具結合面簡化為分布彈簧，并基于并聯(lián)轉子的建模思想，采用有限元法來完成了主軸系統(tǒng)的有限元建模。這種方法不僅可以更充分地考慮結合部之間的連接形式，同時還可以對不同接觸位置所產(chǎn)生的接觸剛度進行分別模擬。
【IPC分類】G05B19/18
【公開號】CN105242634
【申請?zhí)枴緾N201510571047
【發(fā)明人】汪博, 孫偉, 李暉, 孔祥希
【申請人】東北大學
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2015年9月9日