高速高精度切削加工中数控机床动态特性的测量方法研究.pdf

窑 数控机床世界 窑0引言在数控加床高速高精度切削加工中袁 需要尽量减少刀具的颤振袁 因为刀具发生颤振不仅会影响切削质量还会降低刀具的寿命遥为了实现减少刀具颤振的目的袁就需要对数据机床的动态刚度等特性进行精准的测量袁 并依据测量结果对机床自身的结构或者加工时的条件进行优化与调整遥 因此实现对数控机床动态特性的准确测量具有重要意义1遥在数控机床动态特性测量中常采用传统的冲击试验袁该方法仅能获取机床静止时的频率响应袁并近似地看作动态特性袁 但是在高速高精度切削加工中数控机床的实际动态特性与这种近似动态特性实则为静态特性存在一定的差异袁 因此传统的冲击试验对于动态特性的测量并不精准2遥 基于此袁提出了一种快速扫频正弦切削的数控机床动态特性测量方法袁 并通过与传统的冲击试验进行对比袁验证了该方法的有效性与可行性遥1方法设计提出基于快速扫频正弦切削的数控机床动态特性测量方法袁 快速扫频正弦切削方法的原理是保证进给量 fr恒定的情况下袁对圆柱形工件进行正弦轮廓的切削袁并且不断提高主轴的转速 N渊转速 N 提高时采用线性增加的方式冤袁此时可实现对切削力的转化袁将切削力作为激振力袁使其作为 CNC 车床频率响应函数的激励输入3遥 方法的原理以及试件的横截面轮廓见图 1遥Research on Measuring Method of NC Machine Tool Dynamic Characteristics in High Speedand High Precision CuttingCAI Yang渊Zhejiang Yongcheng Machinery Co.袁Ltd.袁Shaoxing Zhejiang 311835袁China冤Abstract院 In order to solve the problem of accurate measurement of dynamic characteristics of CNC machine tools in high speed and highprecision cutting袁 a dynamic characteristics measurement method of CNC machine tools based on fast frequency sweep sine cutting wasproposed.The essence of this method is to take the cutting force as the exciting force during machining袁 and carry on the analysis of the testmode袁 the main guarantee of constant feed袁 the cylindrical workpiece for sinusoidal profile cutting袁 and constantly improve the spindlespeed袁 to achieve the cutting force into CNC lathe frequency response function of the excitation input.The experimental results show that袁compared with the conventional impact test袁 the compliance and frequency of the resonant peak obtained by this method are reduced byabout 6.7%and 16.7%.At the same time袁 the nonlinear influence can be intuitively identified by this method袁 which can help to realize theaccurate measurement of the dynamic characteristics of CNC machine tools in high-speed and high-precision cutting.Keywords院 CNC machine tool曰 Dynamic characteristics曰 Nonlinear influence曰 Sinusoidal cutting高速高精度切削加工中数控机床动态特性的测量方法研究蔡 杨渊浙江永成机械有限公司袁 浙江 绍兴 311835冤摘要院 为了解决数控机床在进行高速高精度切削加工时对于动态特性测量精准时不足的问题袁 提出了基于快速扫频正弦切削的数控机床动态特性测量方法遥 该方法的本质是将加工时的切削力作为激振力袁 并进行试验模态的分析袁 主要保证进给量恒定的情况下袁 对圆柱形工件进行正弦轮廓的切削袁 并且不断提高主轴的转速袁 实现将切削力转化为 CNC 车床频率响应函数的激励输入遥 经试验结果表明袁 对比常规的冲击测试袁 该方法测试获得的共振峰值中柔度下降了约 6.7%尧 频率下降了约 16.7%袁 同时该方式可以直观地识别出非线性影响袁 可助力于实现对高速高精度切削加工中数控机床动态特性的精准测量遥关键词院 数控机床曰 动态特性曰 非线性影响曰 正弦切削中图分类号院 TH16文献标识码院 粤doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2023.04.047文章编号院 员园园圆原远远苑猿 渊圆园23冤 园4原166原园4修稿日期院圆园23原03原02作者简介院蔡杨渊1991-冤袁男袁浙江诸暨人袁在职硕士研究生袁中级机电制造工程师遥 研究方向院CNC 精密加工技术的应用与研究遥机电产品开发与创新阅藻增藻造燥责皂藻灶贼 驭 陨灶灶燥增葬贼蚤燥灶 燥枣 M葬糟澡蚤灶藻则赠 驭 E造藻糟贼则蚤糟葬造 P则燥凿怎糟贼泽灾燥造援36熏晕燥援4Jul援熏圆园23第 36 卷第 4 期圆园23 年 7 月166窑 数控机床世界 窑图3试件实物图如图 1 所示袁对于试件剖面 C 的定义见式渊1冤院C=xy蓘 蓡=r+Asin渊n兹冤cos兹r+Asin渊n兹冤sin兹蓘蓡=r+Asin渊n兹冤cos兹sin兹蓘蓡渊1冤式中院渊x袁y冤要正弦轮廓上的位置矢量曰r要试件的基圆半径曰A要正弦振幅曰n要试件每转正弦数量曰兹要旋转角度袁即相邻两次基圆与正弦轮廓相交时的夹角遥为保证试件正弦切削的方式袁 加工时采用球头立铣刀进行铣削4袁对于铣削试件剖面 C 的球头立铣刀其中心的运动轨迹 E 的定义见式渊2冤院E=C+rB2+D2姨Bsin兹+Dcos兹Dsin兹-Bcos兹蓘蓡=r+Asin渊n兹冤cos兹sin兹蓘蓡+rB2+D2姨Bsin兹+Dcos兹Dsin兹-Bcos兹蓘蓡渊2冤式中院B尧D要求导运算袁B尧D 计算公式见式渊3冤尧渊4冤院B=dxd兹=Ancos渊n兹冤cos兹-r+Asin渊n兹冤sin兹渊3冤D=dyd兹=Ancos渊n兹冤sin兹+r+Asin渊n兹冤cos兹渊4冤在该动态系统中袁输出为加速度袁对于加速度可直接测量袁 测量方式为利用安装刀架上的加速度传感器直接获取相关数值遥系统的输入为切削力袁对于切削力无法直接通过有关的仪器设备进行测量袁 因为用作测量的设备属于动态系统的组成之一袁 无法确定与获取与之适合的频率函数遥 因此袁对于切削力需采用计算的方式袁依据切削理论袁通过傅里叶变换的方式对测量获取的加速度尧计算获取的切削力进行处理袁进而获取频率的响应函数遥在进行切削力计算时依据 Kronenberg 理论袁 对于切削力 F的定义见式渊5冤院F=ksS渊5冤式渊5冤经变换可得式渊6冤院ks=FS=Cks渊G/5冤S渊6冤式中院ks要单位切削阻力曰S要工件切削横截面的面积曰Cks要常数袁 由工件材质和刀具前角确定曰G要工件切削深度与进给量的比值遥由式渊5冤尧式渊6冤可知袁切削力 F与比值 G 存在正比关系袁若在保持进给量一定的情况下袁切削力只与切削深度成正比关系遥 因此可知袁当进给量 fr 恒定的情况下袁通过切斜正弦轮廓可获取正弦激振力遥 而激励频率 f 则可以通过主轴转速 N 与试件每转正弦数量 n 确定袁 其计算公式见式渊7冤院f=渊N 窑 n冤/60渊7冤2试验与结果分析2.1 试验设置为获取方法中激励频率的范围袁对数控机床进行了针对刀具尖端的冲击试验5遥试件的主柔度峰值频率约为1100Hz袁因此袁将激励频率f的扫描范围控制在900耀1300Hz遥 通过制备不同正弦曲线振幅 A 的试件袁验证切削力的影响袁设置刀头尖处渊a冤尧刀架后部处渊b冤尧试件加工端点处渊c冤三点作为试验结果获取位置遥 试验相关参数见表 1遥通过试验袁在刀头尖处渊a冤尧刀架后部处渊b冤尧试件加工端点处渊c冤三点处冲击试验的结果见图 2遥如上文所述袁加速度获取采用传感器的方式袁但是对于刀头尖处 a 点的加速度获取难度极大袁因在刀架后部处 b点进行加速度的获取遥 根据图 2 表明袁在c 点渊3 号线峰值冤袁试件的主柔度约为 0.2滋m/N尧频率约为 1kHz遥2.2 试验结果利用快速扫频正弦切削测试处理后获取试件见图3袁测试结果时域图见图 4袁其中测试结果取正弦振幅 A=0.08mm 时的结果遥由图 3 与图 4渊b冤可知袁 对于主轴速度的扫频具有线性的特点袁 试件切削的刀痕未出现重叠袁 且节距fr要进给量曰L要试件长度曰Nstart/Nend要起始/终止转速曰A要正弦振幅曰兹要旋转角渊a冤原理图渊b冤截面图图1方法原理及试件横截面轮廓图表1试验相关参数参数数值数控机床相关型号NMV5000DGG试件相关试件材质碳钢 S55C基圆半径 r/mm15正弦振幅 A/mm0.08曰0.14曰0.17曰0.20每转正弦数量 n12加工相关静态切削深度/mm0.1切削进给量 fr/渊mm 窑 r-1冤0.7主轴转速 N/渊r-1窑 mm冤26973952切削速度/渊m 窑 min-1冤50400激励频率 f/Hz89913161.刀头尖处 a 点曰2.刀架后部处 b 点曰3.试件加工端点处 c 点图2三点处冲击试验结果1230.250.20.150.10.0500.511.52频率/kHz167窑 数控机床世界 窑恒定遥 图4渊a冤显示了实测加速度和计算切削力袁由式渊5冤进行计算袁表达了在稳定的切削力作用下袁加速度输出的动态特性遥图 4渊c冤的实测切削力仅作为参考使用遥尽管切削力会随着切削深度的变化产生一定的波动袁但图 4渊d冤显示了计算切削力与切削深度之间的关系遥通过快速扫频正弦切削方法测试获取的频率响应参数与通过常规冲击测试获取的频率响应参数对比情况见图 5遥由图 5渊a冤可知袁在正弦振幅 A渊A=0.08尧0.14尧0.17尧0.20mm冤不同的情况下袁基于快速扫频正弦切削测试获得结果袁结果中的共振峰值渊频率约为 0.14kHz尧柔度约为0.040滋m 窑 N-1冤均低于冲击测试获取的共振峰值渊频率约为1.11kHz尧柔度约为 0.048滋m/N冤袁 以正弦振幅 A=0.08mm 为例袁 此时快速扫频正弦切削的测试结果中频率约为1035kHz尧柔度约为 0.04滋m/N袁此时常规冲击测试结果中频率约为 1111kHz尧柔度约为 0.048滋m/N遥 经对比袁快速扫频正弦切削的测试结果在频率方面约低 6.7%尧在柔度方面约低 16.7%遥 除了正弦振幅 A=0.08mm 之外袁其他不同正弦振幅峰值相似袁当正弦振幅 A=0.14尧0.17尧0.20mm袁获取的频率约为 1010Hz袁柔度约为 0.02滋m/N袁约为正弦振幅 A=0.08mm 时柔度的一半遥由图 5渊b冤可知袁常规冲击测试获取的测试结果其轮廓近似理想的圆形状态渊1冤袁而快速扫频正弦切削测试获取的测试结果其轮廓是扭曲无规则的渊25冤遥 这表明袁快速扫频正弦切削可以将非线性条件的影响更好地展示出来遥2.3 谈论与分析由于高速高精度切削加工中数控机床动态特性的非线性是由激振力所决定的袁即取决于切削深度袁因此非线性是由摩擦引起的袁 此处的摩擦指的是试件与刀具间的摩擦以及刀具的附着表面与其他位置的摩擦6遥为验证振动系统之中存在的非线性因素袁利用希尔伯特变换7对实测的频率响应函数进行处理遥 当振动系统不受到非线性因素影响时袁即为线性时袁在 Nyquist Diagram中袁频率响应函数处于对称状态袁利用希尔伯特变换还是傅里叶变换8不存在差异与区别遥 当振动系统受到非线性因素强烈影响时袁利用希尔伯特变换时的不对称性袁会导致希尔伯特变换与傅里叶变换的结果存在差异袁 不匹配袁因此通过利用希尔伯特变换验证非线性的方式是可行的遥利用希尔伯特变换尧傅里叶变换对常规冲击测试和快速扫频正弦切削测试的迁移率进行比较袁比较结果见图 6遥由图 6渊a冤可知袁对于常规冲击测试袁无论是使用希尔伯特变换还是傅里叶变换袁两者迁移率相近袁差异情况较小渊1尧2 外形相似且趋于重合冤袁因此袁非线性因素产生的影响是十分小的遥 而根据图 6渊b冤可知袁在快速扫频正弦切削测试中袁两者迁移率差异较大渊1尧2 无论外形相似还是重合情况均较弱冤袁可以直观地观察到非线性影响的存在遥3结束语为实现对于高速高精度切削加工中数控机床动态特性的测量袁 提出了基于快速扫频正弦切削的数控机床动态特性测量方法遥 此方法主要首先通过线性方式增加机床主轴的速度袁然后对圆柱形工件进行正弦轮廓的切削袁最好袁将正弦激励应用于振动系统之中袁实现对动态特性的测量遥 通过与常规冲击测试进行对比袁结论如下院渊1冤对比常规冲击测试袁该方法测试获得的共振峰值中柔度要低 6.7%袁频率要低 16.7%遥渊2冤常规冲击测试与该方法测试之间的区别较大袁利用该方法可以直接识别出在数控机床切削加工时非线性的影响遥 通过该方法袁可有效实现对高速高精度切削加工中数控机床动态特性的精准测量遥1.常规冲击测试曰2尧3尧4尧5.快速扫频正弦切削测试渊A=0.08尧0.14尧0.17尧0.20mm冤渊a冤 Bode Plots渊韦德图冤渊b冤Nyquist Diagram渊奈奎斯特图冤图5不同情况下获取的频率响应函数比较1.傅里叶变换 2.希尔伯特变换渊a冤 常规冲击测试渊b冤快速扫频正弦切削测试图6不同变换方式下常规冲击与快速扫频正弦切削测试迁移率比较渊下转第 188 页冤加速度切削力0.20.10-0.1-0.20.20.10-0.1-0.20.20.10-0.1-0.20.30.20.100123012300.10.20.30123时间/s时间/s时间/s切削深度/mm渊a冤实测加速度和计算切削力渊b冤实测主轴转速渊c冤实测切削力渊d冤计算切削力与切削深度的关系43.83.63.43.23.02.82.6图4测试结果时域图168窑 综合研究 窑渊上接第 168 页冤参考文献院1 孙茂悦.数控机床主轴静动态特性分析与优化设计J.科技创新导报袁2022袁19渊1冤院37-39.2 王伟袁陶文坚袁李晴朝.五轴数控机床动态精度检验试件特性研究J.机械工程学报袁2017袁53渊1冤院101-109.3 欧淑彬袁于秀娟袁范登科.基于响应耦合子结构法的机床动力学特性分析J.安徽工业大学学报渊自然科学版冤袁2018袁35渊4冤院336-341.4 范思敏.球头铣刀铣削表面形貌仿真与试验研究D.陕西院西安理工大学袁2020.5 李惠亮袁蓝诗玉袁黄佳锐.金属构件加工用车床刀架结构的改进研究J.中国金属通报袁2021渊5冤院135-136.6 林海森袁邹朝圣袁廖妮兰袁等.基于 Levenberg Marquardt 的数控机床主轴负载振动的非线性拟合J.制造技术与机床袁2022渊5冤院175-179.7 耿冬妮袁陈晋市.基于间歇性车削加工过程中刀具状态实时检测的研究J.组合机床与自动化加工技术袁2020渊2冤院89-92.8 姜晓飞袁张冠伟袁胡永秀袁等.数控机床整机动态特性评价方法J.工程设计学报袁2020袁27渊2冤院135-145.顾好野既教书又育人冶袁必须提高教师自身思想政治素养袁可通过定期组织思想政治教育学习尧 课程思政教学研讨尧专家学者课程思政主题讲座尧 思政教育基地参观学习尧网络自学等方式开展课程思政常态化培训袁提升教师思政理论教育水平袁激发教师课程思政的主观能动性袁使其将思政野内化于心袁外化于行冶袁摒弃专业教育和思政教育割裂的陈旧教学理念袁深化实践教学内涵袁提升教学效能遥渊2冤强化学生思政教育认同遥 学生作为实践教学环节中受教育的主体袁如果缺乏思政认同袁势必会影响到思政教育有效性袁甚至还会产生抵制情绪和反抗心理遥就机械类专业而言袁在实施实践教学课程思政时袁要以重视学生的主体地位袁 尊重和发展学生的主体意识和主动精神为出发点袁因势利导地提升学生的思政认同感袁要以学生关注的尧 鲜活的现实问题与课程内容的结合为课程思政切入点袁润物无声地使学生自觉去学习和接受思政教育袁达到事半功倍的育人效果遥渊3冤抓好实践教学课程思政建设遥 实践教学课程思政建设要从课程目标尧课程内容尧教学方法尧课程评价等多方面融入教育教学全过程遥首先实践教学课程思政要体现在教学目标的制订中袁 不仅要注重机械专业知识的习得尧专业技术能力的发展尧专业思维的渗透袁还要将思政教育落实在目标的达成中遥其次实践教学课程思政应科学设计教学内容袁根据机械专业特色挖掘和提炼思政元素袁如家国情怀尧环保意识尧安全意识尧社会责任尧工程伦理尧工匠精神尧职业素养等袁将其潜移默化地结合到教学内容之中遥然后实践教学课程思政要结合学生的身心发展规律袁采取切合实际的教学方式袁 与实践教学中的固有环节巧妙匹配袁避免简单加入思政内容生硬说教袁以使学生更容易接受实践课程与思政的融合遥最后实践教学课程思政的开展需要建立健全合理的考核制度去评价和保障其实施成效袁其考核应结合实践课程教学与思政教育袁考核指标既要关注课程目标袁也必须有效体现思政教育的影响力遥渊4冤发挥实践教学课程思政环境优势遥 机械类专业实践教学大多是在有着理论教学无法呈现的贴近生产实际的场所进行袁 教学资源丰富袁 可以方便创设思政教育环境袁 营造思政氛围袁 使学生在实践中强化思政素养的熏陶袁而且相较于理论课教学袁实践教学除了教师讲授还更多的是师生共同协作袁学生与教师有更密切的交流机会袁开展思政教育也更有说服力和感染力袁 实践教学课程思政应充分发挥其独特的环境优势袁使学生耳濡目染遥5结语工程教育认证和课程思政是对高等教育提高人才培养质量的指导袁 实践教学作为工程教育认证中的重要方面袁是开展思政教育的重要渠道和平台袁实践教学课程思政已是当前时代背景下的基本要求遥 机械工程教育作为高等工程教育的重要组成部分袁 肩负着培养卓越机械人才尧服务国家战略尧促进经济社会发展等重要使命遥 开设有机械类专业的高校如何开展好实践教学课程思政袁是落实高校立德树人根本任务袁 努力培养全面建设社会主义现代化强国需要的野德才兼备冶的高水平高素质机械工程技术人才所必须深思的重要课题遥参考文献院1 高书国袁李捷袁石特.新时代中国高等教育结构调整的战略研究J.高校教育管理袁2019袁13渊3冤院1-9.2 唐晓玲.高等教育竞争力提升的政策与实践M.重庆院重庆大学出版社袁2021.3 袁利平袁林琳.中国高等教育现代化的历史坐标与世界意义J.学术探索袁2022渊5冤院10.4 王静.多元化社会思潮背景下高校意识形态安全建设研究D.吉林大学袁2022.5 刘霞袁余松林袁李强.机械工程类专业学生实践能力培养策略研究J.科技通报袁2020袁36渊11冤院123-126.6 许小军.高校课程思政的内涵与元素探讨J.江苏高教袁2021渊3冤院101-104.7 安勇.以专业认证促进本科人才高质量发展J.中国高等教育袁2020渊13冤院50-51.8 黎书文.野机械原理冶课程思政元素的设计与教学融入研究J.机械设计与制造工程袁2021袁50渊8冤院86-88.9 柳剑袁叶进袁曾百功等.农业机械学课程思政建设的探索与实践J.农业工程袁2020袁10渊5冤院98-100.10 周俊波袁郝兴安袁王艳华.野机械工程实训冶课程思政教学实践J.黑龙江教育渊理论与实践冤袁2021渊9冤院21-22.188