机床动力学特测试与仿真实验报告x
时间：2020-11-27 13:14:30 来源：勤学考试网 本文已影响 人 
机床动力学特性测试与仿真
实验报告
学生姓名
同组人员
学号
专业名称
指导教师
提交日期：2018年05月30日
机床动力学特测试与仿真实验报告
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实验目的
通过对机床-刀具系统进行锤击实验，采集冲击与响应信号。通过Cutpro软件的FFT模块处理分别得到特定刀具在x方向与y方向的频响函数。在此基础上，还可以获得工艺系统的模态参数。这些频响函数或模态参数是进行铣削加工和颤振稳定性仿真所必需的，可以用它们来指导后面的铣削加工。
实验设备
表1 实验设备及仪器
实验设备
型号
图片
三轴立式加工中心
VMC850B
小型力锤
PCB-086C03
单向加速度传感器
Kistler-8778A500
数控切削动力学仿真与优化系统 (Cutpro)
V9.3
动态信号采集卡
NI 9233
个人计算机
IBM R61笔记本
线缆
BNC连接线×2
USB连接线×1
刀具
株洲钻石整体平头立铣刀Φ12一把
刀具
面铣刀
Φ40一把
实验步骤
数控机床的开机
开启气泵。
打开机床总电源开关
接通操作面板上NC开关以启动数控系统
待数控系统完全启动后，松开急停按钮，并按下操作面板上面的reset键，解除警报。系统进入待机状体，可以进行操作。
让机床回参考点，并安装好刀具。
机床锤击实验
将力锤通过带BNC接口的数据线与数据采集卡接口相连。
将加速度计通过带BNC接口的数据线与数据采集卡接口相连。
将采集卡的一端与力锤和加速度计连接好之后，另一端通过数据线USB接口与计算机相连。
在将上述设备连接好之后，将加速度计粘接到刀尖。启动Cutpro软件，并且设置好各项参数包括灵敏度、频率范围、取样率等之后可以开始锤击。
开始用力锤锤击，锤击时，力锤应该正对着加速度计。
获取原始数据。
数控机床的关机
首先将倍率调到最小并按下急停按钮，让数控机床进入急停状态，之后按红色按钮关闭数控系统，最后将机床总电源从TRIP推到ON以关闭电源。
实验结果
T1（D40）刀具X\Y方向激励和响应的幅频曲线和相频曲线：
图1 X方向幅频曲线和相频曲线
图2 Y方向幅频曲线和相频曲线
图3 T1（D40）刀具稳定域分析
T2（D12）刀具X\Y方向激励和响应的幅频曲线和相频曲线：
图4 X方向幅频曲线和相频曲线
图5 Y方向幅频曲线和相频曲线
图6 T2（D12）刀具稳定域分析
结果分析
通过锤击实验，从幅频相位图（图1，2，4，5）中可以得到一阶频率：
T1(D40)刀具X/Y方向第一阶固有频率：1255 Hz、1387 Hz
T2(D12)刀具X/Y方向第一阶固有频率：1293 Hz、1425 Hz
从颤振稳定域叶瓣图（图3，6）中可以得到一定的切削速度下使得系统稳定的切削深度，只有保证所取的参数在稳定域图的下方，切削才不会出现大幅度颤振现象。
椭圆振动抛光技术简介
一，研究现状及意义
现有精密抛光方法主要以金刚石切削和精密磨削为主，对于更高表面质量的元器件，现有技术难以达到。而振动辅助抛光对于硬脆难加工材料微结构表面高质量的获得具有很好的应用前景，能够显著提高难加工材料的表面质量，延长刀具寿命。现有的振动方式一般是一维振动和二维椭圆振动，其中正交型二维椭圆振动兼有横向一维振动和纵向一维振动的作用，具有较好的强化磨粒对加工表面的作用，但只能实现加工表面工具抛光轨迹沿一个方向局部复杂化；而平行型二维椭圆振动只能实现加工表面工具抛光轨迹沿两个方向局部复杂化，这对获得均匀性材料去除效果很好，目前还尚未出现同时具有这两种作用的振动抛光方法。三维椭圆振动的工具振动轨迹在已加工平面和其正交法平面内的投影均为椭圆，能同时具有两种二维椭圆振动的作用。
考虑到微小非球面玻璃透镜的曲率通常比较小，传统表面抛光方法难以处理，因此日本中部大学的 H. Suzuki等人[1-2]采用振动辅助抛光（Vibration assisted polishing, VAP）方法对微小非球面玻璃透镜及其模具进行高效率和高精度的抛光处理，该方法通过压电驱动器激励抛光头以获得高频的横向往复振动，然后将抛光头安装在三自由度工作平台上以完成非球面微透镜的碳化钨或碳化硅模具的抛光处理。此外，H. Suzuki等人[3-6]采用磁致伸缩振动器设计了一个圆形振动抛光机构，然后将该抛光机构安装于五轴数控平台上，以进行对碳化钨模具的抛光处理，如图1所示，其工作频率和振幅分别为 9.2 kHz 和 30 μm。实验结果表明抛光表面的算术平均粗糙度 Ra 可达 1 nm，平均峰谷深度 Rz 则达到 9 nm。
图1 基于磁致伸缩器的 MVP 装置
研究表明，微结构表面通过振动辅助抛光可以显著地提高加工表面质量，对硬脆难加工材料微结构表面高质量的获得具有很好的应用前景[7-11]。现有技术对一维振动和二维振动研究比较多，特别是在加工表面的切平面或其正交法平面内做椭圆轨迹运动的研究方向[12-15]。正交型椭圆轨迹运动对工件表面可以起到强化磨粒的作用，可以使得抛光轨迹沿一个方向运动；平行型可以使得抛光轨迹沿两个方向运动，然而目前还尚未出现同时兼顾具有这两种作用的振动抛光方式。因此，深入理解并揭示振动抛光过程的物理现象，探索有效的振动方式，是提高振动抛光加工质量而急需解决的一项关键问题。
二、椭圆振动抛光理论分析
超声椭圆振动一般利用超声波发生器将脉冲信号发出，经变幅杆放大后，驱动刀具完成加工操作，因为上述方法较复杂，所以可采用压电叠堆进行驱动，将两个压电叠堆 m、n 正交放置，如图 2所示。
图 2 正交放置的压电叠堆
对m、n施加以下正弦信号：
（2.1）
上式中，a、b 分别为振幅，t 为时间，φ为相位差，当φ为 π/2 时，式 2.1的椭圆参数方程变为标准方程如方程 2.2 所示：
（2.2）
同时施加信号时，压电叠堆带动抛光磨头完成椭圆运动，同时还可以通过调节相位差、幅值等，来改变椭圆轨迹形状。
任意给一组函数如下所示：
（2.3）
用 Matlab 对轨迹进行生成，椭圆图形如下图 3 所示：
图3 椭圆图形
由上述图形可以看出，通过控制两个正交放置的压电叠堆，对其施加相位差为 π/2 脉冲信号，正交的压电叠堆带动抛光磨头完成椭圆运动。
如下图 4 所示，a、b、c、d 为抛光磨头抛光的过程，首先，工件在主轴的带动下高速旋转，柔性铰链带动抛光磨头到达 a 图所示的位置，然后磨头与高速运动的工件相接触压平工件表面的凸起、填平表面的凹坑进行抛光，如 b、c 图所示，d 图为磨头回到下一个运动周期的起始位置，准备下一次抛光过程。
图 4 椭圆运动轨迹图
在上述抛光过程中，每一次抛光过程的结束和下一个抛光过程的开始，都会在工件表面形成表面残高，表面残高的出现大大降低了工件的表面质量，吉林大学的周晓勤课题组对驱动电压的简谐信号进行了修改，将半个周期的振幅进行了修剪，另一个压电驱动供给正常的相位差为 π/2 的电压信号，图 5 为吉林大学的闫贺亮改进后的电压信号，最终获得了如下图 6 所示的运动轨迹，通过此方法有效的较低了加工工件表面的残高，提高了表面质量。
图 5 正弦信号对比图
图 6 改进后的抛光轨迹图
参考文献
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