[发明专利]基于机床主轴‑刀柄‑刀具模态耦合技术的切削力测量方法

摘要

本发明公开了一种基于机床主轴‑刀柄‑刀具模态耦合技术的切削力测量方法，用于解决现有切削力测量方法测量精度低的技术问题。技术方案是首先沿刀杆竖直方向选取位移传感器测量点，将位移传感器固定安装在选定位置处。然后分别采集空转和加工过程中刀杆测量点的变形位移，将二者相减，即可得到刀杆测量点处的实际变形位移。最后，利用结构模态耦合技术确定刀具刚度，结合得到的位移，即可计算获得切削力。本发明分别在空转和加工过程中采集刀杆测量点P的位移变形信号，确定出刀杆测量点P的实际位移变形信号δc‑δac，然后利用结构模态耦合技术确定刀杆测量点P处的刚度Kδ，最后将Kδ与δc‑δac相乘得到切削力。与背景技术相比，获得的切削力更加准确。

主权项

一种基于机床主轴‑刀柄‑刀具模态耦合技术的切削力测量方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一、将刀具装夹在机床上，在刀杆上选取测量点P；过测量点P所测位移在切削进给方向，测得切削力为进给方向切削力；在切削进给法向，测得切削力为进给法向切削力；步骤二、将电容式位移传感器固定在刀杆的测量点P处，调节电容式位移传感器探头与测量点P之间的距离，使之达到传感器的测量范围，并将电容式位移传感器与其配套驱动器、数据采集设备以及计算机连接好；步骤三、采集机床空转时的刀杆测量点P的变形位移信号δac；步骤四、采集机床加工过程中的刀杆测量点P的变形位移信号δc；步骤五、计算刀杆测量点P的实际变形位移信号δc‑δac；步骤六、将机床‑刀具系统划分为机床主轴‑刀柄、刀柄与刀具接合面、刀具柄部和刀具刃部四个子结构，并对四个子结构建立有限元模型；步骤七、机床主轴‑刀柄的动力学方程为Zs(ω)Qs(ω)＝Fs‑a(ω)；其中，Zs(ω)表示机床主轴‑刀柄的刚度矩阵，Qs(ω)表示机床主轴‑刀柄的位移向量，Fs‑a(ω)表示刀柄‑刀具接合面对机床主轴‑刀柄的力向量；步骤八、刀柄‑刀具接合面的动力学方程为其中，Qa(t)表示刀柄‑刀具接合面的位移向量，Fa‑s(t)表示机床主轴‑刀柄对刀柄‑刀具接合面的力向量，Fa‑k(t)表示刀具柄部对刀柄‑刀具接合面的力向量，Ca表示刀柄‑刀具接合面的阻尼矩阵，Ka表示刀柄‑刀具接合面的刚度矩阵；步骤九、刀具柄部的动力学方程为其中，Qk(t)表示刀具柄部的位移向量，Fk‑a(t)表示刀柄‑刀具接合面对刀具柄部的力向量，Fk‑e(t)表示刀具刃部对刀具柄部的力向量，Mk表示刀具柄部的质量矩阵，Ck表示刀具柄部的阻尼矩阵，Kk表示刀具柄部的刚度矩阵；步骤十、刀具刃部的动力学方程为其中，Qe(t)表示刀具刃部的位移向量，Fe‑k(t)表示刀具柄部对刀具刃部的力向量，FA(t)表示施加在刀尖点的外力向量，Me表示刀具刃部的质量矩阵，Ce表示刀具刃部的阻尼矩阵，Ke表示刀具刃部的刚度矩阵；步骤十一、将步骤八、步骤九和步骤十的方程进行傅里叶变换，结合步骤七的方程，机床‑刀具系统的动态刚度矩阵通过下式计算：其中，U为转换矩阵；步骤十二、机床‑刀具系统的频率响应函数矩阵，通过公式H(ω)＝Z‑1(ω)计算；步骤十三、从步骤十二得到的机床‑刀具系统的频率响应函数矩阵H(ω)中提取刀具柄部测量点P处的频率响应函数；步骤十四、选取步骤十三的频率响应函数幅值平稳段的频率响应函数，计算所述平稳段内频率响应函数的平均值Φ；步骤十五、用公式计算刀杆测量点P的刚度；步骤十六、由步骤五确定的δc‑δac和步骤十五确定的Kδ，用公式F＝Kδ(δac‑δc)计算得到切削力。