本文摘要:
本文綜合考慮銑削載荷、加工位置、機床姿態和結合部接觸特性,建立了一種具有低自由度的雙轉臺五軸加工中心動力學模型。并設計實際銑削工況時雙轉臺五軸加工中心動力學特性實驗,將實驗得到的數據進行處理并與模型計算的結果進行對比,驗證多體動力學模型的準確性。在此基礎上,設計均勻設計試驗分析不同加工條件對雙轉臺五軸加工中心動力學特性的影響,并運用支持向量機建立了預測模型,對均勻設計試驗的數據進行了分析與驗證,最后得出不同工況下雙轉臺五軸機床動力學特性分布的規律。
本文主要研究內容總結如下:
(1)基于吉村允孝積分法和Hertz接觸理論,建立了考慮銑削載荷的雙轉臺五軸加工中心主軸-刀柄、主軸-軸承、導軌-滑塊和滾珠-絲杠結合面的動力學模型,獲取了主要結合面接觸特性參數。
(2)依據標準D-H參數法和坐標系間的齊次坐標變換通過雙轉臺五軸機床的結構以及運動形式描述機床的運動學模型,運用雙轉臺五軸機床三維實體模型獲取主要特征參數,結合雙轉臺五軸加工中心分組情況和運動學模型得出可以變換機床位姿的位置雅可比矩陣,聯立各結合面特征參數得出雙轉臺五軸機床完整動力學模型。該動力學模型不需要額外的約束方程和拉格朗日乘子,得到的方程階數是最低的,計算更為簡便,且考慮了銑削工況,使得預測結果更加貼近機床實際運動狀態,更加準確。
(3)設計了銑削工況下的雙轉臺五軸機床動力學特性實驗,將銑削載荷做為外部激勵,運用奇異譜分析方法剔除銑削載荷中包含的諧頻成分,以安裝在雙轉臺五軸機床的加速度傳感器收集的振動加速度信號作為響應值,通過對實驗數據進行處理,將其與動力學模型計算出來的結果進行比較,分析結果表明機床靜止時得到的前3階固有頻率值與實驗結果誤差在11%~14%之間,而本文建立的動力學模型得到的前3階固有頻率值與實驗結果誤差在4%~7%之間,且考慮銑削載荷和機床位姿時得出頻響函數曲線與實驗得出的頻響函數曲線更貼近,更符合雙轉臺五軸機床實際工作狀態,對建立的雙轉臺五軸機床動力學模型進行了驗證。
(4)設計7因素12水平的均勻試驗,通過更改位置雅可比矩陣變換位姿和調整銑削載荷,取前3階固有頻率值,通過對試驗數據進行回歸分析,得出雙轉臺五軸機床前3階固有頻率對7種因素的敏感程度和最佳組合。
(5)建立基于支持向量回歸的雙轉臺五軸機床動力學特性的預測模型,運用均勻設計試驗中劃分的因素和水平,設計156組數據作為訓練集,將均勻試驗的12組數據作為測試集,采用評價函數驗證預測模型的準確性后與動力學模型仿真結果進行對比分析,得出雙轉臺五軸機床前2階動態特性參數較穩定即誤差變化較小,而第3階對應的模型仿真值與預測值的誤差在允許范圍內變化較為明顯。當雙轉臺五軸機床工作姿態發生變化時,對應的1階固有頻率最值通常出現在各個工作軸工作范圍的中間或兩端,最小1階固有頻率為46Hz,最大1階固有頻率為49.02Hz。并且X軸和Z軸工作位置的改變對雙轉臺五軸機床的空間動態特性影響較為明顯,而Y軸和擺臺擺角對雙轉臺五軸機床的空間動態特性影響較弱,其中Z軸的位移變化對機床的1階固有頻率影響最大,因此在機床實際加工過程中應盡量減少或避免Z軸的移動,優先考慮Y軸的進給及擺臺的轉動,確保機床能夠更加平穩的工作。此外,機床振動幅值隨著各軸位移的增加也會產生相應的變化,其中X軸振動幅值變化量為0.12μm,變化較小,Y軸和Z軸振動幅值變化量達0.17μm,影響較大,擺臺擺角改變也會引起機床振動幅值發生變化,變化量為0.14μm。當沿各個方向銑削載荷發生變化時,沿Y方向和Z方向的銑削載荷對機床的1階固有頻率影響較為明顯,且當Y方向銑削載荷增大的時候,機床的1階固有頻率先增大后減小,隨Z方向銑削載荷的增大表現逐漸變大,且機床振動幅值隨Z方向銑削載荷增大呈線性增長,沿X方向的銑削載荷對機床的空間動態特性影響最小。
由于作者時間和能力有限,在建立銑削狀態下的雙轉臺五軸機床動力學模型過程中,主要考慮了銑削載荷、加工位置、機床姿態以及主要結合面接觸特性,若要建立更精確的銑削工況下機床動力學模型,可以從以下幾個方面展開研究:
(1)可進一步考慮銑削過程中機床運動慣性沖擊、切削熱、工件動態特性以及刀具-工件接觸參數等因素的影響。
(2)進行銑削過程多因素耦合影響下機床動力學預測時,可進一步選用少樣本高精度的統計回歸方法,達到實時預測和分析,是一個值得深入研究的方向。
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