精密加工中心工具系统典型结合部特性辨识研究

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切削颤振会导致零件加工质量变差、加工过程中噪音过大、机床主轴易受到损坏、刀具寿命缩短等。目前,避免切削颤振最有效的方法是绘制机床切削稳定性叶瓣图,进而据此优化切削加工参数,以期实现稳定切削状态。绘制稳定性叶瓣图的前提是事先获得机床刀尖点频响函数,因此,本文对机床刀尖点频响函数预测过程中涉及到的工具系统典型结合部动力学特性辨识技术进行了研究,主要成果如下:(1)基于Timoshenko梁理论、有限单元法建立了子结构的动力学模型,并借助ABAQUS软件求解某一固支梁的前四阶固有频率,与解析解进行了对比,验证了ABAQUS软件对子结构动力学问题求解的有效性与精确性。(2)基于柔度耦合子结构分析方法(Receptance Coupling Substructure Analysis,RCSA)、Timoshenko 梁理论及粒子群算法(Particle Swarm Optimization,PSO)辨识出机床-主轴-刀柄锥结合部的等效动力学参数,对比其计算和实测的机床-主轴-刀柄末端点的频响函数,结果表明:辨识得到的机床-主轴-刀柄锥结合部的等效动力学参数是正确的。(3)基于改进的RCSA方法、Timoshenko梁理论建立了刀具-刀柄结合部的辨识模型,分别利用PSO算法和模拟退火粒子群算法(Particle Swarm Optimization with Simulated Annealing Algorithm,SAPSO)辨识出刀具-刀)柄结合部的等效动力学参数,对比计算和实测的刀尖点频响函数,结果表明:SAPSO算法搜索效率高于PSO算法,且基于SAPSO算法得到的机床刀尖点频响函数的固有频率、幅值与实验值的误差分别为3.48%和 9.59%。(4)提出基于改进RCSA方法及SAPSO算法快速准确预测机床刀尖点频响函数的方法,以另一把刀具NO.2为例,预测装夹刀具NO.2时机床刀尖点频响函数,并和实验值进行对比,结果表明:预测值和实验值的幅值与固有频率的误差分别为9.37%和4.02%,验证了所提预测方法具有良好的鲁棒性和准确性。(5)基于Matlab GUI平台开发出工具系统典型结合部特性辨识软件,工程师利用该软件能够方便快捷的辨识出刀具-刀柄结合部动力学参数,预测出装夹任意刀具时机床刀尖点的频响函数。以上的研究工作为快速准确辨识精密加工中心典型结合部等效动力学参数提供了新思路。
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