一种多轴加工系统的相对动刚度获取方法及其应用技术方案

本发明专利技术公开了一种多轴加工系统相对动刚度的获取方法，包括如下步骤：(1)根据多轴加工系统的工作范围建立其刀尖点可达姿态的工作空间，并将该工作空间离散化，即对每个轴的行程，均用一系列离散点表示；(2)对于任一离散点，建立其对应的多轴加工系统的动力学模型；(3)计算该离散点对应的相对动刚度矩阵KD。本发明专利技术还公开了上述获取方法在加工系统性能评价中的应用。本发明专利技术综合考虑了机床本身结构、刀具和工件的动刚度特性及其相互耦合关系，能够准确表征多轴加工系统在工作空间中的相对动刚度分布规律。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及多轴数控加工领域，具体是一种工作空间中多轴加工系统的相对动刚度获取方法及其在加工系统性能检测中的应用。
技术介绍
随着航空航天、船舶、能源等行业的发展，越来越多基础装备对关键功能零件如飞机起落架、大型螺旋桨、大型发电机转轴等提出了更多的需求。这些零件具有结构复杂、材料强度大、难加工、质量大、质量要求高等特点，用三轴数控加工机床很难达到理想的精度甚至无法实现加工，必须采用四轴或五轴等多轴数控机床才能完成精加工，这就对多轴数控加工提出了更高的要求；但目前国内这些设备所发挥的作用不足国外的几分之一，多轴数控加工技术在这些领域的应用仍然不够理想，数控加工质量和精度不高、效率低下已成为普遍存在的问题。国内多轴数控装备应用技术水平低下的主要原因在于在工艺规划阶段，忽视工艺要求对整体加工系统提出的动态性能的要求，缺乏对多轴加工系统在工作空间中的动刚度特性分布规律的了解。在多轴加工系统动刚度特性研究方面，有人认为在切削力强激励作用下时，必须考虑机床本体、工件以及刀具的综合动刚度特性，即“刀具-机床-工件”整体加工系统的动刚度特性对加工稳定性的影响。也有人认为加工大型零件的不同位置，由于运动轴位置、刀具姿态的改变，直接导致整体加工系统的动刚度特性明显不同。西安交通大学的刘海涛等采用有限元法建立四轴立式机床的动力学模型及广义刚度场函数，通过广义动刚度场函数的分析得到对应不同刀具位姿的“机床-刀具”的综合动刚度值，该方法为多轴机床在工作空间中的动刚度特性的分析提供了一种数值建模求解方法。目前对多轴数控加工系统动刚度特性的研究主要还是局限于机床设计阶段，在工艺规划阶段对多轴加工系统的动刚度特性的研究偏少，这些研究一般仅仅是分析了机床本体或者“机床-刀具”的动刚度特性，但并未针对工艺规划中所关注的刀具相对工件的动刚度特性展开“刀具-机床-工件”即整个加工系统的动刚度特性在工作空间中的分布规律的研究。迄今为止，没有人提出“刀具-机床-工件”相对动刚度的概念，分析多轴加工系统“刀具-机床-工件” 相对动刚度在工作空间的分布特性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多轴加工系统相对动刚度的获取方法及其在加工系统中的应用，通过求得到相对动刚度矩阵，并输出相对动刚度矩阵中各个元素kk的相对动刚度曲线，获得多轴加工系统动刚度的表征指标，从而实现对数控加工系统的性能检测。本专利技术相对于现有技术，考虑了工作空间中动刚度特性对多轴数控加工铣削稳定性影响，从本质上描述机床的多轴耦合机理，能够更准确评价出多轴数控加工系统的性能。实现本专利技术的目的所采用的具体技术方案如下一种多轴加工系统相对动刚度的获取方法，包括如下具体过程(1)建立工作空间并将其离散化根据多轴加工系统的工作范围建立其刀尖点可达姿态的工作空间，并将连续的工作空间离散化，即对每个轴的行程，都用一系列离散的序列点表示；(2)对于任一离散序列点，建立多轴加工系统的动力学模型；(3)计算相对动刚度矩阵Kd(3. 1)根据动力学模型，在刀具刀尖点和工件上任意点，沿机床坐标系任一方向r 分别施加大小相等、方向相反的广义激振力&，r为拾振方向，1(3.2)然后分别在各自拾振点(与激振点是同一点)测得广义位移为)(^ , i，i 为拾振方向，1彡i彡6;(3. 3)根据广义位移为X1, ” X2, ”获得刀具到工件的从r方向激振、从i方向拾振的相对传递函数Hir(j ω)权利要求1.一种多轴加工系统相对动刚度的获取方法，包括如下步骤(1)建立工作空间并将其离散化根据多轴加工系统的工作范围建立其刀尖点可达姿态的工作空间，并将该工作空间离散化，即对每个轴的行程，均用一系列离散点表示；(2)对于任一离散点，建立其对应的多轴加工系统的动力学模型；(3)计算该离散点对应的相对动刚度矩阵KD，具体为(3. 1)根据所述动力学模型，在刀具刀尖点和工件上任意点，沿机床坐标系任一方向r 分别施加大小相等、方向相反的广义激振力&，其中r为拾振方向，1(3. 2)然后分别在拾振点测得广义位移X1, ” X2, i，其中所述拾振点与激振点为同一点， i为拾振方向，1彡i^6；(3. 3)根据所述广义位移X1, ” X2, ”获得刀具到工件的从r方向激振、从i方向拾振的相对传递函数Hir(j ω)JJ ( ■ Λ ^u O)-^2,O)HJj ω) = ~:-:-FXjco)(3. 4)根据所述相对传递函数HiJj )求得多轴加工系统的相对动柔度矩阵4 ；(3. 5)根据相对动柔度矩阵与相对动刚度矩阵的互逆关系，获得该离散点对应的相对动刚度矩阵为Kd = (Sd)-1遍历整个工作空间，即可获得多轴加工系统的相对动刚度。2.根据权利要求1所述的多轴加工系统相对动刚度的获取方法，其特征在于，所述步骤(3. 4)中相对动柔度矩阵&的具体计算过程为首先，求取相对动柔度Sy实质上所述相对传递函数HiJj ω)表示的就是多轴加工系统的相对动柔度Sy即3.权利要求1或2所述的多轴加工系统相对动刚度的获取方法在多轴加工系统性能检测中的应用，具体包括首先，利用权利要求1或2所述的多轴加工系统相对动刚度的获取方法获得多轴加工系统的相对动刚度；然后，根据从所获得的相对动刚度中提取性能检测参数，包括过柔度、界宽、均值和矩阵特征值；根据上述所提取的检测参数，即可实现对多轴加工系统的性能进行检测。4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于，所述的过柔度指动刚度矩阵中任一元素所对应的动刚度曲线的凹尖峰段中，任一点的动刚度值跟同侧临界点的动刚度值之差的绝对值与该临界点值之比，其中，所述临界点通过如下方式获得将动刚度矩阵中任一元素所对应的动刚度曲线进行光滑处理，得到曲率变化均勻的曲线，该均勻曲线与原动刚度曲线的交点即为临界点。5.根据权利要求3或4所述的应用，其特征在于，所述的界宽指包含凹尖峰段的相邻临界点之间的频率差。6.根据权利要求3-5之一所述的应用，其特征在于，所述的均值指动刚度矩阵任一元素对应的动刚度曲线在一段频率域内的频率平均值。全文摘要本专利技术公开了一种多轴加工系统相对动刚度的获取方法，包括如下步骤(1)根据多轴加工系统的工作范围建立其刀尖点可达姿态的工作空间，并将该工作空间离散化，即对每个轴的行程，均用一系列离散点表示；(2)对于任一离散点，建立其对应的多轴加工系统的动力学模型；(3)计算该离散点对应的相对动刚度矩阵KD。本专利技术还公开了上述获取方法在加工系统性能评价中的应用。本专利技术综合考虑了机床本身结构、刀具和工件的动刚度特性及其相互耦合关系，能够准确表征多轴加工系统在工作空间中的相对动刚度分布规律。文档编号G05B19/4097GK102393679SQ201110312129公开日2012年3月28日 申请日期2011年10月14日 优先权日2011年10月14日专利技术者彭芳瑜, 李斌, 林森, 潘文斌, 蔡飞飞, 闫蓉 申请人:华中科技大学本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：闫蓉，彭芳瑜，潘文斌，林森，蔡飞飞，李斌，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：