本文摘要:
本文綜合考慮銑削載荷、加工位置、機(jī)床姿態(tài)和結(jié)合部接觸特性,建立了一種具有低自由度的雙轉(zhuǎn)臺五軸加工中心動力學(xué)模型。并設(shè)計實際銑削工況時雙轉(zhuǎn)臺五軸加工中心動力學(xué)特性實驗,將實驗得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并與模型計算的結(jié)果進(jìn)行對比,驗證多體動力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計均勻設(shè)計試驗分析不同加工條件對雙轉(zhuǎn)臺五軸加工中心動力學(xué)特性的影響,并運(yùn)用支持向量機(jī)建立了預(yù)測模型,對均勻設(shè)計試驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析與驗證,最后得出不同工況下雙轉(zhuǎn)臺五軸機(jī)床動力學(xué)特性分布的規(guī)律。
本文主要研究內(nèi)容總結(jié)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(zhuǎn)臺五軸加工中心主軸-刀柄、主軸-軸承、導(dǎo)軌-滑塊和滾珠-絲杠結(jié)合面的動力學(xué)模型,獲取了主要結(jié)合面接觸特性參數(shù)。
(2)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)D-H參數(shù)法和坐標(biāo)系間的齊次坐標(biāo)變換通過雙轉(zhuǎn)臺五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動形式描述機(jī)床的運(yùn)動學(xué)模型,運(yùn)用雙轉(zhuǎn)臺五軸機(jī)床三維實體模型獲取主要特征參數(shù),結(jié)合雙轉(zhuǎn)臺五軸加工中心分組情況和運(yùn)動學(xué)模型得出可以變換機(jī)床位姿的位置雅可比矩陣,聯(lián)立各結(jié)合面特征參數(shù)得出雙轉(zhuǎn)臺五軸機(jī)床完整動力學(xué)模型。該動力學(xué)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(shù)是最低的,計算更為簡便,且考慮了銑削工況,使得預(yù)測結(jié)果更加貼近機(jī)床實際運(yùn)動狀態(tài),更加準(zhǔn)確。
(3)設(shè)計了銑削工況下的雙轉(zhuǎn)臺五軸機(jī)床動力學(xué)特性實驗,將銑削載荷做為外部激勵,運(yùn)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(zhuǎn)臺五軸機(jī)床的加速度傳感器收集的振動加速度信號作為響應(yīng)值,通過對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將其與動力學(xué)模型計算出來的結(jié)果進(jìn)行比較,分析結(jié)果表明機(jī)床靜止時得到的前3階固有頻率值與實驗結(jié)果誤差在11%~14%之間,而本文建立的動力學(xué)模型得到的前3階固有頻率值與實驗結(jié)果誤差在4%~7%之間,且考慮銑削載荷和機(jī)床位姿時得出頻響函數(shù)曲線與實驗得出的頻響函數(shù)曲線更貼近,更符合雙轉(zhuǎn)臺五軸機(jī)床實際工作狀態(tài),對建立的雙轉(zhuǎn)臺五軸機(jī)床動力學(xué)模型進(jìn)行了驗證。
(4)設(shè)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(diào)整銑削載荷,取前3階固有頻率值,通過對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得出雙轉(zhuǎn)臺五軸機(jī)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(zhuǎn)臺五軸機(jī)床動力學(xué)特性的預(yù)測模型,運(yùn)用均勻設(shè)計試驗中劃分的因素和水平,設(shè)計156組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集,將均勻試驗的12組數(shù)據(jù)作為測試集,采用評價函數(shù)驗證預(yù)測模型的準(zhǔn)確性后與動力學(xué)模型仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析,得出雙轉(zhuǎn)臺五軸機(jī)床前2階動態(tài)特性參數(shù)較穩(wěn)定即誤差變化較小,而第3階對應(yīng)的模型仿真值與預(yù)測值的誤差在允許范圍內(nèi)變化較為明顯。當(dāng)雙轉(zhuǎn)臺五軸機(jī)床工作姿態(tài)發(fā)生變化時,對應(yīng)的1階固有頻率最值通常出現(xiàn)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(zhuǎn)臺五軸機(jī)床的空間動態(tài)特性影響較為明顯,而Y軸和擺臺擺角對雙轉(zhuǎn)臺五軸機(jī)床的空間動態(tài)特性影響較弱,其中Z軸的位移變化對機(jī)床的1階固有頻率影響最大,因此在機(jī)床實際加工過程中應(yīng)盡量減少或避免Z軸的移動,優(yōu)先考慮Y軸的進(jìn)給及擺臺的轉(zhuǎn)動,確保機(jī)床能夠更加平穩(wěn)的工作。此外,機(jī)床振動幅值隨著各軸位移的增加也會產(chǎn)生相應(yīng)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(dá)0.17μm,影響較大,擺臺擺角改變也會引起機(jī)床振動幅值發(fā)生變化,變化量為0.14μm。當(dāng)沿各個方向銑削載荷發(fā)生變化時,沿Y方向和Z方向的銑削載荷對機(jī)床的1階固有頻率影響較為明顯,且當(dāng)Y方向銑削載荷增大的時候,機(jī)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(xiàn)逐漸變大,且機(jī)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(jī)床的空間動態(tài)特性影響最小。
由于作者時間和能力有限,在建立銑削狀態(tài)下的雙轉(zhuǎn)臺五軸機(jī)床動力學(xué)模型過程中,主要考慮了銑削載荷、加工位置、機(jī)床姿態(tài)以及主要結(jié)合面接觸特性,若要建立更精確的銑削工況下機(jī)床動力學(xué)模型,可以從以下幾個方面展開研究:
(1)可進(jìn)一步考慮銑削過程中機(jī)床運(yùn)動慣性沖擊、切削熱、工件動態(tài)特性以及刀具-工件接觸參數(shù)等因素的影響。
(2)進(jìn)行銑削過程多因素耦合影響下機(jī)床動力學(xué)預(yù)測時,可進(jìn)一步選用少樣本高精度的統(tǒng)計回歸方法,達(dá)到實時預(yù)測和分析,是一個值得深入研究的方向。
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2024-11
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2024-11
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