[发明专利]基于超声检测的机床主轴-刀柄连接结构动力学建模方法

说明书

本发明涉及一种基于超声检测的机床主轴‑刀柄连接结构动力学建模方法，计算超声探头与锥孔外表面法线的夹角，以夹角采用超声探头得到结合面反射回波数据和不同的拉刀力下结合面反射回波数据；再测量计算校正试件在不同压力下的超声波反射率；以超声的数据在商业有限元软件中建立主轴‑刀柄连接结构动力学模型。本发明提出的超声方法能够准确检测主轴‑刀柄结合面的接触刚度，在此基础建立的主轴‑刀柄连接结构的动力学模型，与锤击法的实验结果偏差小于2.2％，准确性高，通用性好。

技术领域

本发明属于机床结构动力学分析领域，涉及一种基于超声检测的机床主轴-刀柄连接结构动力学建模方法。

背景技术

机床主轴是机床的核心部件，主轴-刀柄连接结合面是主轴中不可或缺的结合面。机床主轴-刀柄连接结构对于机床刀尖的变形、主轴系统动力学特性具有重要影响，比如，刀具端部变形的25％～50％来源于主轴刀柄结合面。随着机床以及主轴系统性能要求的不断提高，主轴-刀柄连接结构的动态特性分析成为评估主轴系统性能的一个重要手段。

目前一般采用有限元方法建立主轴-刀柄连接结构的动力学分析模型，而对于模型准确性影响最大的主轴-刀柄结合面则一般采用参数识别的方法，利用模态实验得到的频响函数等识别出结合面的刚度(见文献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.)。然而该方法通用性较差，且该方法一般限于动力学模型中接触结合面仅采用2-5组集中弹簧的情况。超声波是一种直接、无损的接触刚度检测方法，已被应用于多种常见结合面接触刚度的检测。利用超声方法检测得到的接触刚度，结合有限元方法，是建立主轴-刀柄结构动力学模型的新的思路。然而目前的接触刚度超声检测方法，依赖于描述超声波在结合面传播的声学模型。该方法在超声波垂直入射于结合面时，通过检测反射波与入射波的比值(即超声波反射率)，然后将其带入结合面的声学模型计算得到接触刚度。结合面声学模型建立了超声波反射率与接触刚度间的关系，弹簧模型是经典的声学模型，在接触刚度检测方面应用广泛，但由于其将接触结合面假设为纯弹性的，因此误差较大。为此洪军等人提出了串联弹簧-阻尼模型，大幅提高了接触刚度的检测精度，并将其应用于主轴-刀柄结合面的接触刚度检测(见文献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.)，然而超声在主轴锥孔-刀柄结合面的反射回波很小，得到的超声波反射率不可避免的存在较大的噪声，同时串联弹簧-阻尼模型对于超声反射率的测量误差非常敏感，在接触刚度的重复测量时，方差较大(见上述论文的图11，图12a)。测量误差会对主轴-刀柄动力学模型的准确性产生很大影响，因此现有方法不能实现主轴-刀柄连接结构的动力学建模。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于超声检测的机床主轴-刀柄连接结构动力学建模方法，解决了现有超声接触刚度检测方法对于噪声敏感的问题，实现了主轴-刀柄连接结构动力徐模型的准确构建。

技术方案

一种基于超声检测的机床主轴-刀柄连接结构动力学建模方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：在对主轴-刀柄连接结构的结合面进行扫描前，计算超声探头与锥孔外表面法线的夹角：