[发明专利]一种铣刀偏心参数的通用在机非接触标定方法

说明书

一种铣刀偏心参数的通用在机非接触标定方法，首先建立整体铣刀和机夹铣刀的通用几何参数表征数学模型，接着采用刀具旋转轴线偏斜、几何轴线偏斜、端部刃偏心等3种状态、7个参独立参数对刀具偏心状态进行定量描述，并通过采用电涡流传感器对安装在机床主轴上的刀具刀齿段的目标距离进行非接触测量，获得刀具不同刀齿上不同刀片的不同轴向高度处切削点实际切削半径的变化量，进而结合数值优化方法，实现对主轴旋转状态下的刀具偏心参数(包括刀具侧刃几何轴线偏斜、侧刃旋转轴线偏斜和端部刃偏心)的标定。该方法具有较好的通用性和准确性，能够实现刀具偏心状态的在机快速准确标定，便于在企业加工现场进行使用。

技术领域

本发明属于高精度数控铣削加工技术领域，特别涉及一种铣刀偏心参数的通用在机非接触标定方法。

背景技术

刀具偏心作为铣削过程中的一种干扰因素，已成为影响加工效率和质量的主要不利因素之一。刀具偏心现象在机床加工过程中十分常见，其产生的主要原因是由于主轴-刀柄-刀具非理想安装状态、主轴系统轴线的几何误差、刀具自身的制造误差、切削过程引起刀齿刃口磨损、主轴系统运转过程的柔性振动特性等因素导致。目前，随着对加工质量和效率要求的不断提高，刀具偏心现象及其对铣削过程的影响已受到广泛关注。

根据研究，刀具偏心状态可以划分三种主要类型：刀具侧刃几何轴线偏斜、刀具侧刃旋转轴线偏斜、刀具端部刃偏心。其中，刀具侧刃几何轴线偏斜是指刀具安装在主轴上之后，其几何轴线与旋转轴线发生偏离，包括偏置和偏摆两种情况。刀具侧刃旋转轴线偏斜是指刀具安装在主轴上之后，其旋转轴线与机床Z轴的平行关系发生偏斜。刀具端部刃偏心是指刀齿刀尖点在刀具轴向方向的高度不一致。由于刀具偏心的存在，将会改变刀具刀齿的实际切削半径，使刀具-工件啮合过程较无偏心时发生改变，导致铣削过程中刀具-工件啮合力学和动力学特性发生一定程度的恶化。特别是，刀具偏心时多个刀齿间的切削量将会各不相同，有的刀齿切削量将大于名义值，造成该刀齿被过快磨损。在铣削力激励特性方面，刀具偏心会使得铣削力中出现主轴转频及其倍频这种新的频率成分，使得铣削力激励带宽变宽，引发切削工作的可能性增大。在铣削稳定性方面，刀具偏心会导致当前刀齿可能切削到前若干个刀齿遗留的加工表面，引起多重周期性时滞颤振现象。最后，在稳定铣削时，由于刀具偏心造成各刀齿的实际切削半径不一致，将造成零件已加工表面微观形貌较无偏心时出现周期性波动，恶化表面粗糙度。

在刀具偏心标定的相关研究中，企业现场主要有两种方法来考虑刀具偏心的影响，第一种是采用对刀仪对刀具半径进行测量，该方法仅能在刀具离机状态下保证多个刀齿切削半径的一致性，无法保证刀具安装到主轴上之后的刀齿切削半径是否一致；第二种方法是将刀具安装到机床主轴之后，采用千分表来测量刀具刀齿半径的一致性，这种方法实际操作简便，但打表接触测量精度有限，且仅能在主轴静止状态下进行测试，更无法获得具体的刀具偏心量数值。此外，由于刀具偏心会引起多个刀齿间铣削力形态和激励特性发生变化，为此，有学者提出通过实验测试铣削力来间接辨识刀具偏心参数，其中比较典型的方法有两种，第一种是通过建立刀具偏心与铣削力频域特性的关系，采用铣削力实验数据的频域信息来对刀具偏心进行辨识。第二种是在先验比切力系数的基础上，采用每齿时域瞬时切削力相对于平均铣削力的摄动量来识别偏置参数。这两种方法都是采用铣削力实验测试数据来对刀具偏心参数进行间接识别，无法消除切削环节的振动带来的影响，并且绝大多数仅考虑刀具侧刃几何轴线偏斜中的偏置情况，对刀具侧刃几何轴线偏斜、刀具侧刃旋转轴线偏摆情况、刀具端部刃偏心等均未过多考虑。

综上所述，现有的对刀具偏心因素的分析方法和手段十分局限，难以对刀具偏心状态进行便捷、定量的评价，不利于实现高精度数控铣削加工。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出了一种铣刀偏心参数的通用在机非接触标定方法，具有较好的通用性和准确性，能够实现刀具偏心状态的在机快速准确标定，便于在企业加工现场进行使用。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种铣刀偏心参数的通用在机非接触标定方法，包括以下步骤：