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(tái)五軸加工中心動(dòng)力學(xué)模型。并設(shè)計(jì)實(shí)際銑削工況時(shí)雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸加工中心動(dòng)力學(xué)特性實(shí)驗(yàn),將實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并與模型計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證多體動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)分析不同加工條件對(duì)雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸加工中心動(dòng)力學(xué)特性的影響,并運(yùn)用支持向量機(jī)建立了預(yù)測(cè)模型,對(duì)均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析與驗(yàn)證,最后得出不同工況下雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性分布的規(guī)律。
本文主要研究?jī)?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(tái)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(dòng)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(tái)五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)形式描述機(jī)床的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,運(yùn)用雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床三維實(shí)體模型獲取主要特征參數(shù),結(jié)合雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸加工中心分組情況和運(yùn)動(dòng)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(tái)五軸機(jī)床完整動(dòng)力學(xué)模型。該動(dòng)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(jì)算更為簡(jiǎn)便,且考慮了銑削工況,使得預(yù)測(cè)結(jié)果更加貼近機(jī)床實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài),更加準(zhǔn)確。
(3)設(shè)計(jì)了銑削工況下的雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性實(shí)驗(yàn),將銑削載荷做為外部激勵(lì),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(tái)五軸機(jī)床的加速度傳感器收集的振動(dòng)加速度信號(hào)作為響應(yīng)值,通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將其與動(dòng)力學(xué)模型計(jì)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(shí)得到的前3階固有頻率值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在11%~14%之間,而本文建立的動(dòng)力學(xué)模型得到的前3階固有頻率值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在4%~7%之間,且考慮銑削載荷和機(jī)床位姿時(shí)得出頻響函數(shù)曲線與實(shí)驗(yàn)得出的頻響函數(shù)曲線更貼近,更符合雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床實(shí)際工作狀態(tài),對(duì)建立的雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。
(4)設(shè)計(jì)7因素12水平的均勻試驗(yàn),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(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得出雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床前3階固有頻率對(duì)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(tái)五軸機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性的預(yù)測(cè)模型,運(yùn)用均勻設(shè)計(jì)試驗(yàn)中劃分的因素和水平,設(shè)計(jì)156組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集,將均勻試驗(yàn)的12組數(shù)據(jù)作為測(cè)試集,采用評(píng)價(jià)函數(shù)驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性后與動(dòng)力學(xué)模型仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,得出雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床前2階動(dòng)態(tài)特性參數(shù)較穩(wěn)定即誤差變化較小,而第3階對(duì)應(yīng)的模型仿真值與預(yù)測(cè)值的誤差在允許范圍內(nèi)變化較為明顯。當(dāng)雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床工作姿態(tài)發(fā)生變化時(shí),對(duì)應(yīng)的1階固有頻率最值通常出現(xiàn)在各個(gè)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(duì)雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床的空間動(dòng)態(tài)特性影響較為明顯,而Y軸和擺臺(tái)擺角對(duì)雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床的空間動(dòng)態(tài)特性影響較弱,其中Z軸的位移變化對(duì)機(jī)床的1階固有頻率影響最大,因此在機(jī)床實(shí)際加工過程中應(yīng)盡量減少或避免Z軸的移動(dòng),優(yōu)先考慮Y軸的進(jìn)給及擺臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng),確保機(jī)床能夠更加平穩(wěn)的工作。此外,機(jī)床振動(dòng)幅值隨著各軸位移的增加也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化,其中X軸振動(dòng)幅值變化量為0.12μm,變化較小,Y軸和Z軸振動(dòng)幅值變化量達(dá)0.17μm,影響較大,擺臺(tái)擺角改變也會(huì)引起機(jī)床振動(dòng)幅值發(fā)生變化,變化量為0.14μm。當(dāng)沿各個(gè)方向銑削載荷發(fā)生變化時(shí),沿Y方向和Z方向的銑削載荷對(duì)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(shí)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(dòng)幅值隨Z方向銑削載荷增大呈線性增長(zhǎng),沿X方向的銑削載荷對(duì)機(jī)床的空間動(dòng)態(tài)特性影響最小。
由于作者時(shí)間和能力有限,在建立銑削狀態(tài)下的雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸機(jī)床動(dòng)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(dòng)力學(xué)模型,可以從以下幾個(gè)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(dòng)慣性沖擊、切削熱、工件動(dòng)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(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)時(shí),可進(jìn)一步選用少樣本高精度的統(tǒng)計(jì)回歸方法,達(dá)到實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和分析,是一個(gè)值得深入研究的方向。
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2024-11
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