基于RCSA与GA的铣刀刀尖点频响函数预测

基于响应耦合子结构分析法建立了铣刀刀尖点的频响函数预测模型,针对其中主轴—刀柄基座系统频响函数矩阵难以理论计算和实验测试的问题,提出了基于实验模态测试与遗传算法寻优相结合的主轴—刀柄基座系统频响函数矩阵的优化拟合方法。以VMC850E型立式加工中心主轴系统为研究对象,基于上述方法对铣刀刀尖点频响函数进行了预测,并与其实测频响函数进行对比。结果表明:刀尖点的预测频响函数曲线与实测频响函数曲线符合较好,预测频响函数的固有频率与实测固有频率在0~4 000Hz范围内的相对误差小于4.37%。     

一种改进的基于响应耦合子结构法的刀尖点频响函数预测方法

针对现有的基于响应耦合子结构法(RCSA)的刀尖点频响函数预测方法需要辨识主轴-刀柄、刀柄-刀具结合面参数以及需要自制刀柄模型等引起的预测误差和预测过程复杂等问题,提出一种改进的基于RCSA的铣刀刀尖点频响函数预测方法。该方法首先改进已有的子结构划分方法,将机床-主轴-刀柄-刀具系统划分为机床-主轴-刀柄-部分刀杆、剩余刀杆和刀齿三个子结构;然后改进主轴-刀柄处转动频响函数的计算方法,通过铣刀的模态锤击实验采用反向RCSA和有限差分法计算机床-主轴-刀柄-部分刀杆结构的转动频响函数,并基于Euler梁模型计算出剩余刀杆、刀齿子结构的频响函数;最后将三个子结构的频响函数耦合确定刀尖点的预测频响函数。以一立式加工中心为研究对象,应用所提出的方法对铣刀刀尖点的频响函数进行了预测,并与其实测频响函数进行对比。对比结果表明：刀尖点的预测频响函数与实测频响函数符合程度较高,其预测、实测前三阶固有频率之间的误差在6.9%以内,所提出的方法可行有效、简单方便,且可直接基于铣刀的模态实验计算主轴-刀柄的频响函数,避免了相关结合面参数的辨识和刀柄模型的制作。     

考虑夹头与刀具过渡段的主轴系统精确建模

为解决主轴系统刀尖点频响函数预测中的主轴系统子结构划分问题,并提高各子结构建模的精确性,提出基于等转动惯量法对主轴系统中的夹头进行等效建模,基于等平均惯性矩的方法对铣刀的刀齿段和过渡段进行精确建模,以VMC850E主轴系统为研究对象,通过响应耦合子结构法建立主轴系统刀柄—夹头—刀具结合面等效模型,以刀尖点频响函数实验值...     

基于RCSA的刀尖频响函数预测方法

为快速获取构建铣床稳定性叶瓣图所需的主轴—刀柄—刀具系统频响函数,提出一种有限元和响应耦合子结构分析法(RCSA)相结合的预测方法。以某型号主轴系统为研究对象,利用有限元法分别计算主轴、刀柄、刀具端点频响函数,再使用RCSA分别耦合主轴—刀柄结合面、刀柄—刀具结合面,最终得到主轴—刀柄—刀具系统刀尖频响函数。将得到的频响函数与理论算法以及完全有限元方法对比,在5000Hz以内,前7阶模态最大误差不超过15%。该方法可以在机床更换刀柄或刀具时只计算对应部分的频响函数,从而实现主轴—刀柄—刀具系统刀尖频响函数的快速预测。     

一种新的预测铣刀刀尖频响函数的方法

为准确快速地预测铣刀刀尖点频响函数,提出一种基于逆响应耦合子结构分析（IRCSA）法辨识刀柄-刀具结合面参数的刀尖点频响函数预测方法。该方法通过建立计算刀柄末端频响函数矩阵和刀尖点频响函数矩阵的数学模型,利用逆响应耦合子结构分析法求取随频率变化的刀柄-刀具结合面参数。通过Cuckoo search算法及有限元分析确定刀尖点频响函数中对刀柄-刀具结合面复刚度矩阵变化最为敏感的固有频率,取该频率对应的结合面参数为刀柄-刀具结合面复刚度矩阵的辨识结果,由此计算出刀尖点频响函数。通过硬质合金圆柱棒、2刃铣刀和4刃铣刀进行验证,对比了所提预测方法、Cuckoo search优化算法预测的刀尖点频响函数与实测值三者之间的差异,实验结果表明该预测方法预测的刀尖点频响函数的固有频率和实测固有频率的误差在5%以内,所用时间约为Cuckoo search优化算法的1%,达到了较高的预测精度,并且更加省时、简便。     

从内圆磨床主轴的发展浅谈主轴产品创新

1　轴承内圆磨削的特点轴承是应用最广的机械基础件之一 ,随着科学技术进步 ,要求轴承的精度及运转速度越来越高 ,轴承套圈内圆 (外圈内沟道及内圈内孔 )的磨削精度是决定轴承精度的重要因素之一 ,此外 ,轴承的规模生产还要求有高的生产效率 ,这些都需要提高砂轮的磨削精度。由于轴承套圈内圆直径的限制 ,使得砂轮的直径不可能很大 ,因此 ,提高砂轮的转速即磨床主轴的转速 ,就成为提高砂轮磨削速度的唯一途径。2　内圆磨床主轴的发展过程图 1所示是内圆磨床主轴的发展过程示意图 ,可以看出 ,内圆磨床主轴大致经历了皮带轴(机械主轴 )、电主…     

用液体动静压轴承主轴提高内圆磨床加工精度

为提高内圆磨床的加工精度,对一台M2110普通内圆磨床主轴进行了技术改造,用液体动静压轴承主轴,取代了原用的滚动轴承主轴,试件精度(即工作精度)为:椭圆度<0.003 mm、圆锥度<0.003 mm,达到了高精内圆磨床工作精度的要求。     

数控内圆复合磨床几何误差建模及灵敏度分析

为提高孔、套筒类零件的加工精度、数控内圆复合磨床的磨削精度和加工效率,明确各误差参数对磨削精度的影响程度,针对某型号的数控内圆复合磨床进行误差分析.基于多体系统理论建立该磨床的拓扑结构,通过计算得到相应的几何误差模型,并对各误差参数进行求导,得到各自的灵敏度表达式,代入磨床结构参数以及检测得到的误差参数后,通过归一化处...     

加长内圆磨具

为了磨削深度达300毫米的内孔,我们对M131W万能磨床的内圆磨具进行了改装,经多年使用,加工潜孔钻机冲击器缸体内孔,效果很好。加长后的内圆磨具如图所示,将原内圆磨具的接长轴与主轴合成一体制作并加长,主轴接长轴端接长300毫米,接长部位呈圆锥形,轴承部位将跨度加大40毫米,对外套、内衬套等其它零件也相应地加长,修改其它结构、组装技术要求不变。     

磁悬浮轴承内圆磨床电主轴及其控制

为了解决内圆磨床电主轴用磁悬浮轴承控制系统工业应用的问题 ,利用线性二次型最优控制理论设计了模拟PID控制器 ,通过MATLAB软件仿真研究和实验 ,实现了磁悬浮轴承内圆磨床电主轴的实验室运转。又进行了工厂环境下的应用实验 ,结果表明 ,内圆磨床电主轴用磁悬浮轴承控制系统在主轴转速、运转精度、磨削刚度和稳定性等方面已经初步满足工厂应用的要求。附图 5幅 ,参考文献 2篇。     

用半理论法预测主轴系统刀尖点频响函数

采用半理论法,即理论与试验相结合的方法预测主轴系统刀尖点频响函数。首先,介绍半理论法的预测原理;然后,应用半理论法预测主轴系统刀尖点频响函数的流程,包括利用梁理论计算自由-自由状态刀具两端的阻抗矩阵、搭建主轴-刀柄频响函数测试系统、测试装卡短光滑圆柱的主轴-刀柄系统的频响函数、根据半理论法计算刀尖点频响函数和试验验证;最后,以某立式加工中心主轴系统为研究对象,应用该方法对刀尖点频响函数进行预测,并与试验进行对比以证明该方法的有效性。     

Tool Length-Dependent Stability Surfaces

This article describes the development of three-dimensional stability surfaces, or maps, that combine the traditional dependence of allowable (chatter-free) chip width on spindle speed with the inherent dependence on tool overhang length, due to the corresponding changes in the system dynamics with overhang. The tool point frequency response, which is required as input to existing stability lobe calculations, is determined analytically using Receptance Coupling Substructure Analysis (RCSA). In this method, a model of the tool, which includes overhang length as a variable, is coupled to an experimental measurement of the holder/spindle substructure through empirical connection parameters. The assembly frequency response at the tool point can then be predicted for variations in tool overhang length. Using the graphs developed in this study, the technique of tool tuning, described previously in the literature, can then be carried out to select a tool overhang length for maximized material removal rate. Experimental results for both frequency response predictions and milling stability are presented.     

用于内圆磨的电镀CBN砂轮结构设计与分析

针对长径比大于6和直径约为Φ7mm的小直径深孔磨削加工,将内圆磨接杆和电镀CBN砂轮设计为整体式结构,利用ANSYS软件对此结构进行了静力学、模态和谐响应分析,得到了弯曲变形的位移值、固有频率及振型以及谐响应载荷下的动态响应特性。结果表明：此内圆磨具的结构设计满足静刚度和动刚度的要求,能够保证零件的加工精度和表面质量。     

Model updating of damped structures using FRF data

Due to the important contribution of damping on structural vibration, model updating of damped structures becomes significant and remains an issue in most model updating methods developed to date. In this paper, the frequency response function(FRF) method, which is one of the most frequently referenced model updating methods, has been further developed to identify damping matrices of structural systems, as well as mass and stiffness matrices. In order to overcome the problem of complexity of measured FRF and modal data, complex updating formulations using FRF data to identify damping coefficients have been established for the cases of proportional damping and general non-proportional damping. To demonstrate the effectiveness of the proposed complex FRF updating method, numerical simulations based on the GARTEUR structure with structural damping have been presented. The updated results have shown that the complex FRF updating method can be used to derive accurate updated mass and stiffness modelling errors and system damping matrices.     

Tool Length-Dependent Stability Surfaces

Abstract

This article describes the development of three-dimensional stability surfaces, or maps, that combine the traditional dependence of allowable (chatter-free) chip width on spindle speed with the inherent dependence on tool overhang length, due to the corresponding changes in the system dynamics with overhang. The tool point frequency response, which is required as input to existing stability lobe calculations, is determined analytically using Receptance Coupling Substructure Analysis (RCSA). In this method, a model of the tool, which includes overhang length as a variable, is coupled to an experimental measurement of the holder/spindle substructure through empirical connection parameters. The assembly frequency response at the tool point can then be predicted for variations in tool overhang length. Using the graphs developed in this study, the technique of tool tuning, described previously in the literature, can then be carried out to select a tool overhang length for maximized material removal rate. Experimental results for both frequency response predictions and milling stability are presented.     

高速主轴系统静止及运转状态下动力学特性对比分析

在静止和运转状态下,高速主轴系统动力学特性会有一定程度的差异,因此,用静止状态刀尖点频响函数预测主轴系统切削加工过程中的稳定性,有时会引起较大的误差。基于此,在详细介绍高速主轴系统在运转状态下有限元建模及分析方法的基础上,以某高速主轴系统为研究对象,采用有限元法对比分析了该主轴系统静止状态、低速运转状态、高速运转状态时的固有特性和刀尖点频响函数的差异。结果表明,在低速运转状态下,该主轴系统的动力学特性同静止状态下基本相同;而在高速运转条件下,其动力学特性与静止状态下差异较大。为科学地分析同类主轴系统动力学特性和切削稳定性提供参考依据。     

机床结合部动力学建模与辨识方法的研究

针对机床结合部动力学建模与辨识过程中对子结构间耦合关系与内部激振对外部响应影响考虑不充分问题,采用频响函数矩阵建立完备的机床结合部动力学理论模型;基于力学平衡条件和位移兼容条件推导了辨识方程,提出一种新的动力学辨识方法;辨识过程中融入了子结构间耦合关系,将难测频响矩阵作为中间变量抵消,避免使用难以测量频响或估算难以测量频响所引入的方程误差。在此基础上,将辨识方程拓展至整个测量频段,构建包含辨识关系的矛盾方程,通过最小二乘法求解确定了结合部的等效动刚度,建立了结构的有限元模型。为验证方法的正确性与可行性,基于LMS试验平台进行了现场试验,获得了良好的试验效果;与缩减维度、忽略内部激振作用的建模方法进行了对比分析,结果表明本文方法具有更好的预测性。     

基于UMAC的高速磨床主轴系统的振动性能分析

首先介绍了UMAC控制器的硬件和软件特性,给出了高速磨床主轴系统的结构及其工作原理;然后进行了UMAC控制器的PID调节、激励方式的选择;使用INV306DF智能信号采集处理分析仪,完成了高速磨床主轴的振动性能分析,从而获得高速磨床主轴系统的前四阶固有频率.     

Model-based operating recommendations for high-speed spindles equipped with a self-vibratory drilling head

The drilling of deep holes requires the chips to be evacuated using retreat cycles and lubrication, which is problematic for both productivity and the environment. An alternative response to the chip evacuation problem is the use of a vibratory drilling head, which enables the chip to be split thanks to the axial self-excited drill, and hence it can easily be evacuated from the hole. The vibratory drilling head is composed of a specific tool holder with adjustable axial stiffness. In this paper, a dynamic high-speed spindle/drilling head/tool system model is elaborated on the basis of rotor dynamics predictions. The dynamic properties of interfaces between system components are identified by the receptance coupling method and integrated into the model. The model is validated by comparing the numerical FRF with experimental results. Then adequate self-vibratory cutting conditions are established by integrating the model-based tool tip FRF into the chatter approach of Budak-Altintas. Spindle rolling bearing lifespan is also investigated in order to guarantee a rational use of the spindle-tool set with respect to industrial lifespan.