[发明专利]外圆磨床头架动刚度测量装置及方法

权利要求书

1.一种外圆磨床头架动刚度测量方法，采用外圆磨床头架动刚度测量装置，该装置包括头架壳体、被截断的外圆磨床头架顶尖、力传感器、四个非接触式电涡流位移传感器、信号放大器、AD采集卡和计算机，所述力传感器通过螺钉安装在被截断的外圆磨床头架顶尖中间，用于测量外圆磨床头架顶尖在X、Y上的力；四个非接触式电涡流位移传感器通过磁性表座固定在工作台上，用以测量头架顶尖和头架壳体X和Y方向上的位移，所述力传感器和四个非接触式电涡流位移传感器采集的测量电压信号通过信号线，依次经过信号放大器、AD采集卡传输到计算机上，由计算机软件通过维纳滤波原理，将电压信号进行滤波，进而转换为实际的动态力，外圆磨床磨削加工时，计算机每0.01s获取一次外圆磨床头架顶尖的动态力和头架壳体的位移，并根据力除于位移来计算出在磨削过程中，外圆磨床头架顶尖和头架壳体这两个部位的动刚度，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)设定机床空转与磨削状态下，在外圆磨床头架顶尖和头架壳体部位X和Y方向上的动刚度差的阈值分别为kd_xa,kd_ya和kd_xb，kd_yb；

(2)启动机床，使机床处于空转状态，记录外圆磨床头架顶尖截断部位X和Y方向上的力F_x1和F_y1，以及外圆磨床头架顶尖和头架壳体X和Y方向上的位移，分别为Sx₁₁，Sx₂₁和Sy₁₁，Sy₂₁，通过力除以位移求得在外圆磨床头架顶尖和头架壳体在X和Y方向上的动刚度分别为kd_x11，kd_y11和kd_x21,kd_y21；

(3)让机床加工零件,记录机床处于磨削状态时，外圆磨床头架顶尖顶尖截断处X和Y方向的力F_x2和F_y2,以及外圆磨床头架顶尖和头架壳体在X和Y方向上的位移，分别为Sx₁₂，Sx₂₂和Sy₁₂，Sy₂₂，通过力除以位移求得在外圆磨床头架顶尖和头架壳体X和Y方向上的动刚度分别为kd_x12，kd_y12和kd_x22,kd_y22；

(4)计算机床处于空转和磨削状态下，外圆磨床头架顶尖和头架壳体在X、Y方向上的动刚度差值Δkd_x1，Δkd_y1和Δkd_x2，Δkd_y2；

(5)将动刚度差值与之前设定的阈值相比较，如果Δkd_x1kd_xa或Δkd_y1kd_ya，则外圆磨床头架顶尖刚度不满足要求，需进行改进；如果Δkd_x2kd_xb或Δkd_y2kd_yb，则头架壳体刚度不满足要求，需进行改进；若动刚度差值均大于之前设定的阈值，则外圆磨床头架顶尖和头架壳体都需进行改进，以满足各自动刚度要求，从而使机床头架满足动刚度要求。

2.根据权利要求1所述的外圆磨床头架动刚度测量方法，其特征在于：所述被截断的外圆磨床头架顶尖由长为L₁的外圆磨床头架顶尖在处截断而成，两个截断的截面上分别打上四个螺纹孔，四个螺纹孔上通过螺钉连接安装一个力传感器，从而在磨削过程中能获得外圆磨床头架顶尖处X和Y方向的力。

3.根据权利要求1所述的外圆磨床头架动刚度测量方法，其特征在于：所述力传感器为可测X、Y、Z三个方向上力的三向力传感器，其量程为1KN。

4.根据权利要求1所述的外圆磨床头架动刚度测量方法，其特征在于：所述非接触式电涡流位移传感器的灵敏度为0.1μm，量程为1mm。

5.根据权利要求1所述的外圆磨床头架动刚度测量方法，其特征在于：所述计算机软件通过维纳滤波原理，将电压信号进行滤波，进而转换为实际的动态力，采用公式(1)到(12)进行计算处理：

x(n)＝s(n)+w(n) (1)

e(n)＝s(n)-δ(n) (3)

E[e(n)²]＝E[(s(n)-δ(n))²] (4)

设h(n)是物理可实现的，也即是因果序列：

h(n)＝0(n0) (5)

所以，由(1)、(2)、(3)、(4)推导，得：

要使均方差最小，则在公式(7)中代入各h(n),n＝0,1,2……,并且使公式(7)等于0，得到：

即：

用相关函数R来表达上式，则得到维纳-霍夫方程离散式：

从维纳-霍夫方程解出的h就是最小均方误差下的h,h_opt(n)，此时，均方误差最小：

由式(10)进一步化简得：

其中，x(n)：观测到的随机信号，w(n)：噪声信号，s(n)：有用信号，y(n)：s(n)估计值，用δ(n)表示，e(n)：真值和估计值的误差，h(n)：单位脉冲响应，h_opt(n)：最佳线性滤波器。