基于工況的數(shù)控加工熱誤差與切削振動(dòng)預(yù)測(cè)方法研究.pdf

1、在高速高精加工過程中,由于數(shù)控機(jī)床力學(xué)特性、熱學(xué)特性以及力熱耦合特性的影響,機(jī)床熱誤差和切削振動(dòng)已經(jīng)成為制約加工質(zhì)量和效率提高的主要因素。數(shù)控機(jī)床作為復(fù)雜的機(jī)電裝備,是典型的非線性系統(tǒng)。本文以非線性系統(tǒng)辨識(shí)及控制為理論基礎(chǔ),綜合運(yùn)用赫茲接觸理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、有限差分理論和信號(hào)分析理論等方法,以數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)和切削過程為對(duì)象,深入研究了加工過程中工況參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、軸向切深等)與進(jìn)給軸熱定位誤差以及切削振動(dòng)的關(guān)系模型,提出了基于工

2、況參數(shù)調(diào)整的加工過程進(jìn)給軸熱定位誤差以及切削振動(dòng)優(yōu)化方法。
　　以準(zhǔn)高速進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為對(duì)象,分析了各種工況因素對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)支撐軸承的溫度變化的影響。以葉輪銑削加工為對(duì)象,分析了切削參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切深等)對(duì)切削振動(dòng)狀態(tài)的影響。實(shí)驗(yàn)分析表明,數(shù)控加工過程中工況參數(shù)是機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的決定性因素。在此基礎(chǔ)上,以NARMA-L2非線性系統(tǒng)辨識(shí)模型為理論依據(jù),結(jié)合小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法,提出了WNN-NARMAL2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,建立

3、了工況參數(shù)與機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的關(guān)系模型,實(shí)現(xiàn)了變工況條件下的數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性預(yù)測(cè)。
　　針對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中支撐滾動(dòng)軸承由于滾動(dòng)球體與內(nèi)、外滾道之間的不完全接觸而引起的接觸熱阻和摩擦發(fā)熱問題,以赫茲接觸理論為依據(jù),研究了軸承內(nèi)部載荷分布和橢圓接觸區(qū)域參數(shù)的確定方法,結(jié)合半空間橢球坐標(biāo)系Laplace溫度分布方程,提出了滾動(dòng)球體與內(nèi)、外滾道之間接觸熱阻的理論計(jì)算方法;研究了接觸區(qū)域滾動(dòng)球體旋轉(zhuǎn)和滑移摩擦力矩的計(jì)算方法,提出了滾動(dòng)球體與

4、內(nèi)、外滾道之間的摩擦發(fā)熱率理論計(jì)算方法;分析了不同工況參數(shù)對(duì)滾動(dòng)球體與內(nèi)、外滾道之間接觸熱阻及發(fā)熱率的影響,并在自制準(zhǔn)高速進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　以準(zhǔn)高速進(jìn)給系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為對(duì)象,通過正交實(shí)驗(yàn)分析了工況參數(shù)對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)熱源溫升的影響,通過定義工況距離參數(shù)和進(jìn)行聚類分析,建立了針對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)熱源溫升預(yù)測(cè)的工況規(guī)則庫。在此基礎(chǔ)上,以WNN-NARMAL2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為依據(jù),建立了工況參數(shù)與進(jìn)給系統(tǒng)熱源溫升的關(guān)系模型,實(shí)現(xiàn)了基

5、于工況參數(shù)的進(jìn)給系統(tǒng)熱源溫升預(yù)測(cè)。
　　以兩端支撐軸承溫度、接觸熱阻和摩擦發(fā)熱量以及絲杠螺母移動(dòng)熱源為邊界條件,采用改進(jìn)的分組顯式有限差分方法對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠熱傳導(dǎo)方程進(jìn)行數(shù)值求解,得到了不同工況條件下的滾珠絲杠溫度場(chǎng)和熱變形分布。在此基礎(chǔ)上,建立了滾珠絲杠熱變形與進(jìn)給系統(tǒng)熱誤差的關(guān)系模型,實(shí)現(xiàn)了以工況參數(shù)為初始輸入的進(jìn)給系統(tǒng)熱誤差預(yù)測(cè);以接觸分析為理論依據(jù),采用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)與分析語言建立了進(jìn)給系統(tǒng)熱分析有限元參數(shù)化模型

6、,進(jìn)行了進(jìn)給系統(tǒng)溫度場(chǎng)和滾珠絲杠熱變形仿真求解,并與數(shù)值求解結(jié)果進(jìn)行了比較。
　　以葉輪銑削加工為實(shí)例,以銑削過程動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ),分析了切削過程中的振動(dòng)頻率;基于小波包分析理論,分析了切削狀態(tài)變化時(shí)振動(dòng)信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)移特性和諧振信號(hào)幅值變化規(guī)律,提出了振動(dòng)狀態(tài)預(yù)先判別關(guān)鍵特征量的提取方法。在此基礎(chǔ)上,基于WNN-NARMAL2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,建立了工況參數(shù)與諧振信號(hào)幅值的關(guān)系模型,實(shí)現(xiàn)了基于工況參數(shù)的切削振動(dòng)幅值實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。
　

7、　以最小二乘支持向量機(jī)多分類算法為基礎(chǔ),以支撐軸承以及絲杠螺母溫度信號(hào)的均值、方差、均方值和最大值作為特征量,對(duì)于數(shù)控加工過程中的進(jìn)給軸熱定位誤差進(jìn)行有效識(shí)別;基于振動(dòng)信號(hào)的小波包分解,以振動(dòng)倍頻成分的相對(duì)小波包能量以及標(biāo)準(zhǔn)偏差作為特征量,對(duì)于加工過程失穩(wěn)而引起的振動(dòng)誤差進(jìn)行準(zhǔn)確判別;以基于工況參數(shù)的進(jìn)給系統(tǒng)熱定位誤差和切削振動(dòng)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)為基礎(chǔ),結(jié)合粒子群多目標(biāo)優(yōu)化算法,提出了基于多目標(biāo)優(yōu)化Pareto最優(yōu)解集的工況參數(shù)調(diào)整方法,實(shí)現(xiàn)了基