[发明专利]基于工作模态分析的铣削过程阻尼标定方法

说明书

本发明公开了一种基于工作模态分析的铣削过程阻尼标定方法，用于解决现有铣削过程阻尼标定方法实用性差的技术问题。技术方案是首先获取刀具‑机床系统模态参数；然后进行无颤振‑稳定铣削实验，测量出铣刀刀杆x、y方向上、下两个位置处的振动信号；求出每个频率点下所测振动信号的功率谱密度矩阵，将该矩阵进行奇异值分解，然后剔除周期性切削力所对应的特征值，对所对应的较大特征值进行傅里叶逆变换，对逆变换结果的峰值和谷值提取平均阻尼系数。得到平均阻尼系数之后，先利用切削力和刀尖频响得到刀尖位置振动幅值，再将其连同平均过程阻尼系数一起带入x、y两个方向上建立的能量平衡关系式中，标定出铣削过程阻尼系数，实用性好。

技术领域

本发明涉及一种铣削过程阻尼标定方法，特别涉及一种基于工作模态分析的铣削过程阻尼标定方法。

背景技术

切削过程中振动的能量被两种形式的阻尼吸收，一种是由工件、刀具-刀柄和机床系统产生的结构阻尼，另一种是由刀具后刀面与工件之间挤压与摩擦作用而产生的过程阻尼。在稳定性叶瓣图绘制过程中，如果只考虑结构阻尼而忽略过程阻尼的影响，其稳定性预测结果在较低转速范围内与实验观测值偏差很大。因此，对过程阻尼的识别具有重要理论及工程应用价值。

文献“L.Tunc,E.Budak,Identification and modeling of process damping inmilling,Transactions of ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering135(2013)021001.”公开了一种适用于铣削过程阻尼的标定方法。该方法首先利用颤振实验，通过在转速固定的情况下逐渐增大切深来获取稳定性极限切深值；然后根据稳定性求解的逆过程，从获得的极限切深中反推出过程阻尼系数。但这种方法只适用于稳定切削状态与不稳定切削状态界限清晰可辨的情况。

上述文献的典型特点是：在铣削过程阻尼的识别过程中，如果在稳定性极限切深附近不能清楚判定该切削状态是稳定切削还是非稳定切削，那么阻尼识别精度就会有所降低。

发明内容

为了克服现有铣削过程阻尼标定方法实用性差的不足，本发明提供一种基于工作模态分析的铣削过程阻尼标定方法。该方法首先通过标准力锤冲击实验获得刀具-机床系统模态参数；然后进行无颤振-稳定铣削实验，利用位移传感器测量出铣刀刀杆x、y方向上、下两个位置处的振动信号；求出每个频率点下所测振动信号的功率谱密度矩阵，将该矩阵进行奇异值分解，然后剔除周期性切削力所对应的特征值，筛选出主导模态附近、MAC值接近1、随机力激励所对应的较大特征值进行傅里叶逆变换，对逆变换结果的峰值和谷值应用指数衰减法来提取平均阻尼系数。得到平均阻尼系数之后，为表征瞬态下的过程阻尼，先利用切削力和刀尖频响得到刀尖位置振动幅值，再将其连同平均过程阻尼系数一起带入x、y两个方向上建立的能量平衡关系式中，同时求得径向和切向的犁切力系数；此时，利用所标定出的犁切力系数来表示瞬态下动态犁切力，该动态犁切力即为过程阻尼产生的本质原因。本发明方法能适用于绝对稳定切削与绝对不稳定切削之间界限不明确的情况，通过少量稳定铣削实验即可标定出过程阻尼系数，实用性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种基于工作模态分析的铣削过程阻尼标定方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、将加速度计贴在刀尖、刀杆下端和刀杆上端处，力锤在刀尖处进行敲击，从获得的频率响应曲线中提取x和y方向的主导模态参数m_x，ζ_sr,x，ω_n,x，和m_y，ζ_sr,y，ω_n,y，其中m_x和m_y是刀尖处的模态质量，ζ_sr,x和ζ_sr,y是刀尖处的结构阻尼比，ω_n,x和ω_n,y是主导模态频率，和是刀杆下端和刀杆上端处的模态振型向量。