[發(fā)明專利]基于超聲檢測(cè)的機(jī)床主軸-刀柄連接結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811443052.0
• 申請(qǐng)日: 2018-11-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109657292B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-03-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 杜飛;徐超;張園園;張子涵
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/17
• 分類號(hào): G06F30/17;G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

本發(fā)明涉及一種基于超聲檢測(cè)的機(jī)床主軸?刀柄連接結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模方法，計(jì)算超聲探頭與錐孔外表面法線的夾角，以?shī)A角采用超聲探頭得到結(jié)合面反射回波數(shù)據(jù)和不同的拉刀力下結(jié)合面反射回波數(shù)據(jù)；再測(cè)量計(jì)算校正試件在不同壓力下的超聲波反射率；以超聲的數(shù)據(jù)在商業(yè)有限元軟件中建立主軸?刀柄連接結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型。本發(fā)明提出的超聲方法能夠準(zhǔn)確檢測(cè)主軸?刀柄結(jié)合面的接觸剛度，在此基礎(chǔ)建立的主軸?刀柄連接結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，與錘擊法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差小于2.2％，準(zhǔn)確性高，通用性好。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析領(lǐng)域，涉及一種基于超聲檢測(cè)的機(jī)床主軸-刀柄連接結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模方法。

背景技術(shù)

機(jī)床主軸是機(jī)床的核心部件，主軸-刀柄連接結(jié)合面是主軸中不可或缺的結(jié)合面。機(jī)床主軸-刀柄連接結(jié)構(gòu)對(duì)于機(jī)床刀尖的變形、主軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性具有重要影響，比如，刀具端部變形的25％～50％來(lái)源于主軸刀柄結(jié)合面。隨著機(jī)床以及主軸系統(tǒng)性能要求的不斷提高，主軸-刀柄連接結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性分析成為評(píng)估主軸系統(tǒng)性能的一個(gè)重要手段。

目前一般采用有限元方法建立主軸-刀柄連接結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析模型，而對(duì)于模型準(zhǔn)確性影響最大的主軸-刀柄結(jié)合面則一般采用參數(shù)識(shí)別的方法，利用模態(tài)實(shí)驗(yàn)得到的頻響函數(shù)等識(shí)別出結(jié)合面的剛度(見(jiàn)文獻(xiàn)Namazi M,Altintas Y,Abe T,et al.Modelingand identification of tool holder–spindle interface dynamics[J].InternationalJournal of Machine ToolsManufacture,2007,47(9):1333-1341.)。然而該方法通用性較差，且該方法一般限于動(dòng)力學(xué)模型中接觸結(jié)合面僅采用2-5組集中彈簧的情況。超聲波是一種直接、無(wú)損的接觸剛度檢測(cè)方法，已被應(yīng)用于多種常見(jiàn)結(jié)合面接觸剛度的檢測(cè)。利用超聲方法檢測(cè)得到的接觸剛度，結(jié)合有限元方法，是建立主軸-刀柄結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的新的思路。然而目前的接觸剛度超聲檢測(cè)方法，依賴于描述超聲波在結(jié)合面?zhèn)鞑サ穆晫W(xué)模型。該方法在超聲波垂直入射于結(jié)合面時(shí)，通過(guò)檢測(cè)反射波與入射波的比值(即超聲波反射率)，然后將其帶入結(jié)合面的聲學(xué)模型計(jì)算得到接觸剛度。結(jié)合面聲學(xué)模型建立了超聲波反射率與接觸剛度間的關(guān)系，彈簧模型是經(jīng)典的聲學(xué)模型，在接觸剛度檢測(cè)方面應(yīng)用廣泛，但由于其將接觸結(jié)合面假設(shè)為純彈性的，因此誤差較大。為此洪軍等人提出了串聯(lián)彈簧-阻尼模型，大幅提高了接觸剛度的檢測(cè)精度，并將其應(yīng)用于主軸-刀柄結(jié)合面的接觸剛度檢測(cè)(見(jiàn)文獻(xiàn)Du F,Li B,Zhang J,et al.Ultrasonic measurement of contact stiffness andpressure distribution on spindle–holder taper interfaces[J].InternationalJournal of Machine Tools and Manufacture,2015,97:18-28.)，然而超聲在主軸錐孔-刀柄結(jié)合面的反射回波很小，得到的超聲波反射率不可避免的存在較大的噪聲，同時(shí)串聯(lián)彈簧-阻尼模型對(duì)于超聲反射率的測(cè)量誤差非常敏感，在接觸剛度的重復(fù)測(cè)量時(shí)，方差較大(見(jiàn)上述論文的圖11，圖12a)。測(cè)量誤差會(huì)對(duì)主軸-刀柄動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性產(chǎn)生很大影響，因此現(xiàn)有方法不能實(shí)現(xiàn)主軸-刀柄連接結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)建模。

發(fā)明內(nèi)容

要解決的技術(shù)問(wèn)題

為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種基于超聲檢測(cè)的機(jī)床主軸-刀柄連接結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模方法，解決了現(xiàn)有超聲接觸剛度檢測(cè)方法對(duì)于噪聲敏感的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了主軸-刀柄連接結(jié)構(gòu)動(dòng)力徐模型的準(zhǔn)確構(gòu)建。

技術(shù)方案

一種基于超聲檢測(cè)的機(jī)床主軸-刀柄連接結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：在對(duì)主軸-刀柄連接結(jié)構(gòu)的結(jié)合面進(jìn)行掃描前，計(jì)算超聲探頭與錐孔外表面法線的夾角：