[發明專利]面向銑削工況下雙轉臺五軸機床動力學特性實時預測方法

在審

• 申請號: 202210558844.2
• 申請日: 2022-05-21
• 公開（公告）號: CN114895565A
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發明（設計）人: 姜彥翠;羅廣丹;李哲銘
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了面向銑削工況下雙轉臺五軸機床動力學特性實時預測方法，屬于機床制造技術領域。包括以下步驟：運用標準D?H法描述機床運動學模型；利用拉格朗日方法建立機床動力學方程；采用吉村允孝積分法、Hertz理論及彈性力學，建立主軸?刀柄、主軸?軸承、導軌滑塊及滾珠絲杠結合部動力學模型，獲得結合部接觸特性參數；最后結合動力學方程和結合部接觸特性建立動力學模型。本發明在機床實際銑削狀態下根據銑削工況、工作位置、姿態實時預測機床動力學特性，不僅克服了傳統方法中對靜止機床動力學特性研究與實際銑削狀態下存在差異的問題，而且具有較高的計算效率，同時可作為數字孿生體模擬、跟蹤預測機床銑削操作中動力學特性。

技術領域

本發明屬于機床制造技術領域，特別是涉及銑削工況下雙轉臺五軸數控機床的動力學特性預測方法。

背景技術

多軸數控機床對于國家軍事、航空、航天、科研、精密器械、高精醫療設備等高端領域都有著很深的影響力。高水平的數控機床具備速度高、精度高，可靠性好等優點，其應用幾乎遍布現代工業的各個分支，是大多數工業制造起點。數控機床在加工過程中為了實現加工過程穩定，提高表面加工質量，避免出現顫振而導致工件加工表面惡化，要明確數控機床動力學特性，并以此指導加工工藝優化。因此進行數控機床動力學特性高效準確的模擬預測，對保障加工過程穩定和工件表面加工質量具有重要意義。

數控機床在實際加工過程中，機床的運行工況、加工位置、姿態、結合部間接觸、摩擦等因素處于動態變化的過程中，此時機床的動力學特性也隨之動態變化，與靜止狀態時差異明顯，所以考慮銑削工況、加工位置、姿態、結合部間接觸、摩擦等因素進行高效準確的數控機床動力學特性預測，對指導工藝優化、進行工件表面質量控制尤為重要。

目前，常用的動力學建模方法包括集中質量模型、傳遞矩陣模型、子結構模型與有限元分析模型。

1.集中質量模型法是將研究對象分段并通過固定質量限制的點連接，每段被看作無固定質量限制的剛體或彈性體，使連續系統轉化為有限自由的系統，但是想要結果更加精確集中質量的數目就非常多，計算量會變得非常大，很難實現實時預測的要求。

2.傳遞矩陣模型法是把整體結構看成多個子結構連接與傳遞的力學問題，建立子結構傳遞矩陣，通過矩陣相乘對整個結構進行分析，但當求解大型復雜轉子系統的動力學問題時由于試算頻率的增加導致計算速度低和數值不穩定的問題。

3.子結構模型法同傳遞矩陣模型法類似，與之不同的是通過理論研究、實際實驗和數值計算的方式獲得各子結構的動力學特性參數，再將各子結構動力學模型整合得出整體結構的動力學特性，該方法更加適用于研究復雜系統中的某一結構，對于系統整體而言建模步驟復雜且精度低。

4.有限元模型法是將完整結構看成是多個單元在節點位置相連，將相連節點位移當作未知參數用相關位移函數進行表述，再通過能量變分原理獲取整體結構的振動平衡方程。求解精度高且相關商業軟件成熟，但單次處理只能建立一種動力學模型，當變換工作位置、姿態和銑削工況，需要重新建立模型求解，不適用于銑削工況下機床動力學特性實時跟蹤模擬，且計算速度低耗時長，導致建模與分析效率很低。

機床的動力學特性在實際銑削狀態下隨著銑削工況和位姿的變換而改變，因此現有的動力學建模方法很難實現不同銑削工況下機床全部工作空間內位姿變換的高效率預測。而且目前對機床動力學特性研究時是對靜止狀態下的機床床身施加激勵獲取響應信號，通過對響應信號的處理來獲取機床模態參數，與實際運行工況存在很大差異，不貼近實際情況。

發明內容

本發明考慮銑削工況、加工位置、姿態、結合部接觸特性，建立具有低自由度的雙轉臺五軸機床動力學模型，根據變換位置雅克比矩陣和機床不同銑削工況實時預測機床動力學特性，更貼近于實際銑削狀態且計算效率高，同時可作為數字孿生體用于模擬跟蹤預測機床銑削操作中動力學特性，能夠解決傳統方法對靜止狀態下機床動力學特性研究時忽視機床實際運行工況、動力學模型計算速度低且不具備實時性、難以對機床全部工作空間內位姿變換分析的難點問題。