一种大型数控机床工艺可靠性的评估方法技术

本发明专利技术提供了一种大型数控机床工艺可靠性的评估方法，通过结构综合动刚度实验获得大型数控机床的频响函数曲线，采用非线性最小二乘法经曲线拟合辨识出动力学参数，通过切削力实验识别切削力动态模型的加工工艺参数，建立数控机床切削加工过程的非线性动力学模型，进而利用随机抽样法仿真刀具加工运动轨迹并计算失效点数目，求解工艺可靠性概率。本发明专利技术能够根据大型数控机床当前的结构特性、加工工艺特性和加工工况准确评估数控机床的工艺可靠性，提高了工艺可靠性评估的准确性和高效性，为解决大型数控机床在线可靠性评估提供了一种新的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及数控装备工艺可靠性评估
，具体是一种面向大型数控机床工艺可靠性的评估方法。
技术介绍
数控机床工艺可靠性是指在要求规定期限内和规定的生产率下保持加工质量和 实现机床用途所决定的工艺过程的性能。也就是说，不仅要保证数控机床初始的高精度，而 且要在规定的使用期限内保持其精度、效率和成本，数控机床工艺可靠性关注的是数控机 床在加工过程中功能和技术性能的保持性。数控机床工艺可靠性评估技术是一种对数控机 床工艺可靠性进行定量化控制的必要手段之一，其主要目的是衡量数控机床是否达到预期 的设计目标及使用要求，指出数控机床加工过程中的薄弱环节，为改进数控机床的设计、制 造、工艺与维护等指明方向。数控机床的可靠性研究最早起源于上世纪70年代的前苏联，前苏联的学者在参 数故障模型、工艺可靠性以及用蒙特卡罗法(Monte-Carlo)进行参数可靠性预测等方面， 根据数控机床在功能、结构、外载荷等方面的特殊性，建立了数控机床可靠性技术的一些基 本理论。当前国内外数控机床可靠性研究的一般思路是现场故障数据的采集和分析，从数 控机床的故障诊断分析入手，根据数控机床工作和功能特点，寻找故障模式和原因，提出可 靠性改进措施。研究的对象大多数是数量较大的普及类数控机床，现场故障数据采集的途 径是长时间同时跟踪几十台数控机床，为同类数控机床的群体提供了一般的评估方法，基 本上属于基于事件的传统可靠性方法。这些传统的可靠性方法对那些大批量生产的机床 制造企业有效，但对数控机床的终端用户则价值不大。而且，自身重量大、能实现高速高精 的复杂形面加工的大型数控机床的数量非常少，且在实际使用时大都是采取保守使用的方 式，并没有按设计时的性能要求使用。因此，大型数控机床的故障并不能在有限时间内充分 发现，大型数控机床可靠性数据相当匮乏，普及类数控机床可靠性评估技术不能完全适用 于大型数控机床。由于大型数控机床本身的结构以及复杂的操作环境，机床失效的发生一般是很难 被预测的，而各功能部件之间的失效影响，特征的失效概率特性，特征的失效增长以及变化 的操作环境和变化的工艺参数都增加了可靠性数据的复杂性。同时，与中、小型数控机床相 比，大型数控机床不仅自身和被加工工件复杂庞大，而且加工负载变化大、加工行程大。随 着用户对加工精度、加工效率和可靠性的要求越来越高，加工精度、进给速度、加速度、可靠 性等加工参数也在不断提高，进而导致在传统加工条件下对加工精度影响不大的动态特性 方面的因素，在高速度、高加速度和大变载的加工条件下对加工精度产生了显著的影响。实际上，大型数控机床工作时，大量机械的、液压的、气动的、电气的和电子的机构 与元件相互影响，由于工艺系统(包括数控机床、刀具、夹具和毛坯)受到内部因素(切削 力及其力矩、摩擦力、振动、工艺系统元件发热等)和外部因素(环境温度、邻近设备的振 动、电压波动、空气湿度与污染、操作者的干预等)的影响，工艺系统元件会发生弹性变形、磨损、振动、热变形，工艺系统的性能参数(如几何精度、运动精度、刚度等)发生变化，加工 精度降低，导致加工质量恶化，换而言之，数控机床的工艺可靠性降低。而现有的数控机床 可靠性评估技术没有考虑工艺系统的性能变化而引起的工艺可靠性变化情况，导致终端用 户多采用保守使用方式来操作数控机床，从而降低了数控机床的生产效率和加工质量。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种大型数控机床工艺可靠性的评估 方法，综合考虑机床加工过程中各种因素对大型数控机床的功能和性能的影响，提高了工 艺可靠性的精确性。 ，具体包括如下步骤(1)将数控机床被简化为一个单自由度有阻尼系统，建立系统的频率响应函数<formula>formula see original document page 4</formula>其中，ω为激励频率，ωη为固有频率，ξ为阻尼比，k为刚度系数。通过数控机 床的结构综合动刚度实验，测量得到数控机床的频响函数曲线。采用非线性最小二乘法经 曲线拟合计算后辨识出动力学参数固有频率ωη，阻尼比ξ和刚度系数k。(2)根据Taylor经验公式法，建立切削加工的切削力AF(t)模型<formula>formula see original document page 4</formula>其中，F1W表示瞬时切削厚度引起的总的瞬时切削力，F2(t)表示名义切削厚度 引起的平均切削力，F3(t)表示工件材料对刀刃切入的抗力。D和μ为系数，由切削力实验 确定；ap为切削深度，f为切削进给量，s(t)为瞬时切削厚度，S0(t)为名义切削厚度，c为 切入率系数，N为主轴转速，ζ为铣刀齿数。(3)建立数控机床切削加工过程的非线性动力学模型<formula>formula see original document page 4</formula>其中，x(t)为切削的刀刃与工件之间在切削表面法线方向上的相对运动轨迹，ξ 为阻尼比，ωη为固有频率，k为刚度系数，AF(t)为切削力的动态变化部分。采用四阶龙 格-库塔法(Rimge-Kutta)来求解，得到切削表面法线方向上的相对运动仿真曲线，当仿真 曲线与在相同的条件下实测曲线基本上吻合，表明建立的非线性动力学模型是可信的。(4)设在某切削工艺条件下，利用步骤3的非线性动力学模型，仿真切削的刀刃与 工件之间在切削表面法线方向上的相对运动轨迹x(t)，利用随机抽样法选取N个点，并给 定该段加工周期内加工失效域Dg，计算出失效点数目nf，则求得数控机床在上述工艺条件和加工周期内的工艺可靠度R = nf/N。本专利技术有益效果体现在大型数控机床在加工过程中受到各种不同的内/外部随 机因素的影响，从而影响了大型数控机床的工艺可靠性。与现有的技术相比，本专利技术具有下 列区别于传统方法的显著优势1)综合考虑大型数控机床当前的结构特性、加工工艺特性和加工工况等主要因 素，直接得到大型数控机床当前的工艺可靠性，而不需要收集和统计数控机床长期运行的 故障数据，提高了工艺可靠性评估的效率。2)通过实验获取大型数控机床的结构特性和加工工艺特性，建立数控机床切削加 工过程的非线性动力学模型，经过切削过程的仿真，就可以得到机床加工的精度，较好地解 决了机床动态特性获取的问题，从而提高了工艺可靠性评估的准确性。附图说明图1本专利技术的评估流程示意2结构综合动刚度实验原理图3铣削力实验原理图4加工工艺可靠性评估具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步说明。本专利技术的具体实施步骤如下(参照图1)(1)动力学参数的识别。由于数控机床的工艺可靠性受到机床的机械结构和加工 工艺系统的影响，本专利技术首先需要识别机床机械结构的动力学参数，即固有频率ωη，阻尼 比ξ和刚度系数k。采用频响函数法来辨识装备动力学参数，即根据激励频率与响应幅值 之间的关系曲线，采用参数识别方法，推断出机床的动力学参数。将数控机床被简化为一个 单自由度有阻尼系统，该系统的频率响应函数为,HkΗ{ω)=、2w,,、\-{ω! ωη) +ι2ξ{ω! ωη)其中，ω为激励频率，ωη为固有频率，ξ为阻尼比，k为刚度系数。从而得到系本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种数控机床工艺可靠性的评估方法，具体包括如下步骤：（１）识别数控机床的动力学参数，包括固有频率ω↓［ｎ］，阻尼比ξ和刚度系数ｋ；（２）根据Ｔａｙｌｏｒ经验公式法，建立切削加工的切削力ΔＦ（ｔ）模型：＊＊＊其中，Ｆ↓［１］（ｔ）表示瞬时切削厚度引起的总的瞬时切削力，Ｆ↓［２］（ｔ）表示名义切削厚度引起的平均切削力，Ｆ↓［３］（ｔ）表示工件材料对刀刃切入的抗力，Ｄ和μ为系数，由切削力实验确定，ａ↓［ｐ］为切削深度，ｓ（ｔ）为瞬时切削厚度，ｓ↓［０］为名义切削厚度，ｃ为切入率系数，Ｎ为主轴转速，ｚ为铣刀齿数；（３）建立数控机床切削加工过程的非线性动力学模型：＊＊＊其中，ｘ（ｔ）为切削的刀刃与工件之间在切削表面法线方向上的相对运动轨迹；（４）工艺可靠性概率计算，利用步骤（３）的非线性动力学模型，仿真所述相对运动轨迹ｘ（ｔ），选取ｘ（ｔ）任一段上的任意Ｎ个点，并给定该段加工周期内的加工失效域Ｄ↓［ｇ］，计算出失效点数目ｎ↓［ｆ］，即求得所述数控机床在上述工艺条件和加工周期内的工艺可靠度Ｒ＝ｎ↓［ｆ］／Ｎ，从而失效概率为Ｆ↓［Ｒ］＝１－ｎ↓［ｆ］／Ｎ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邵新宇，邓超，毛宽民，吴军，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]