基于時間常數的切入磨削接觸剛度測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種加工測量技術，特別涉及一種基于時間常數的切入磨削接觸剛度 測量方法。
【背景技術】
[0002] 磨削顫振是機床磨削系統加工過程中一種動態不穩定現象，研究表明砂輪與工件 之間的磨削接觸剛度是影響顫振頻率的一個重要的參數，磨削接觸剛度大小不僅影響磨削 加工尺寸精度及表面粗糙度，也是建立磨削動力學模型與分析磨削顫振的基礎，由于磨削 過程中的接觸剛度的非線性變化特征，使磨削動力學系統成為一個非線性系統。因此，為有 效分析磨削顫振系統提高磨削加工精度，非常有必要對磨削接觸剛度進行準確測量。
[0003] 磨削接觸剛度是指加工過程中磨削力與砂輪與工件之間接觸變形之比，通常包括 砂輪接觸剛度和工件接觸剛度兩部分。由于磨削過程中的接觸變形無法直接測量，目前常 用測量手段方法難以獲得較為準確的接觸剛度絕對值，這對分析磨削顫振機理與提高磨削 精度造成很大影響。
【發明內容】
[0004] 本發明是針對目前常用測量手段方法難以獲得較為準確的接觸剛度的問題，提出 了一種基于時間常數的切入磨削接觸剛度測量方法，通過實驗設計利用力傳感器和位移傳 感器直接測量磨削砂輪剛度、工件剛度及切入磨削力信號，并基于磨削去除率模型中時間 常數測量來準確獲得磨削加工過程中的磨削接觸剛度。該方法易操作，有很強的實用性，對 研究優化磨削工藝參數避免或抑制磨削顫振有著重要意義。
[0005] 本發明的技術方案為:一種基于時間常數的切入磨削接觸剛度測量方法，具體包 括如下步驟：
[0006] 1)磨削接觸剛度計算表達式獲得:將切入磨削力模型簡化成有三個彈簧系統，由 工件與床身之間彈簧、工件與砂輪之間彈簧、砂輪與滑座之間彈簧構成，對應力產生工件剛 度1^，砂輪與工件之間的磨削接觸剛度k a，砂輪剛度ks，磨削系統等效剛度ke由上述三個剛 度形成，法向磨削力為F n，切向磨削力為Ft，在法向磨削力Fn作用下砂輪與工件的變形量分 別為Δ χ#Ρ Δ χ2,磨削接觸剛度1^表達式為：
[0008] 2)用實驗方法求磨削工件剛度kw和砂輪剛度ks:
[0009]
，Fns為實驗設定施加在工件和砂輪上給定的力；
[0010] 3)基于時間常數的磨削系統等效剛度計算：
[0011] 搭建切入磨削力測量裝置，工件采用雙頂尖裝夾方式，即通過磨床頭架和尾架自 帶的頭架頂尖和尾架頂尖將工件固定在中間，設定砂輪進給磨削工件，一次磨削加工過程 分為進給階段和駐留階段，在磨床頭架與頭架頂尖處安裝了三向測力傳感器，實時測量磨 削加工法向磨削力為F4P切向磨削力為F t，根據測量的法向磨削力?"獲得時間常數τ與磨削 力系數kc:
[0012]
，其中？/傳感器測量穩定階段的磨削力信號，??為數控指令設定的 砂輪進給速度，nw為工件轉速；
[0013]
為磨削加工時磨削力信號變化率；
[0014] 將獲得時間常數τ與磨削力系數k。代入時間常數τ表達式得到磨削系統等效剛度 ke，
[0016] 4)將步驟2)和3)獲得的工件剛度1^、砂輪剛度ks和磨削加工過程的磨削系統等效 剛度k e，代入步驟1)中磨削接觸剛度1^表達式，即可獲得磨削加工過程的磨削接觸剛度ka。
[0017] 所述步驟2)中實驗方法為：
[0018]將壓力傳感器安裝于工件一側并在其上施加一垂直定力Fns，在施力點對應工件的 另一側安裝位移傳感器，用以測量出工件被施加力后工件另一側測點的變形量A X1;
[0019] 將壓力傳感器安裝于砂輪外圓一側并在其上施加一垂直圓心的定力Fns，在砂輪施 力點對應另一側外圓安裝位移傳感器，用以測量出工件被施加力后砂輪中心對稱測點的變 形量A X2。
[0020] 本發明的有益效果在于:本發明基于時間常數的切入磨削接觸剛度測量方法，在 切入磨削去除率模型基礎上，提出了一種基于時間常數與實驗測量相結合的方法準確確定 磨削接觸剛度，該磨削接觸剛度測量方法操作容易，實用性強。由于磨削接觸剛度是影響顫 振頻率的一個重要的參數，建立磨削動力學模型的基礎，接觸剛度大小也是影響磨削加工 尺寸精度及表面粗糙度的重要因素。因此，該發明專利測量磨削接觸剛度方法對避免實際 磨削顫振和提高磨削效率有重要意義。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為本發明切入磨削系統簡化模型圖；
[0022] 圖2為本發明磨削工件剛度測量示意圖；
[0023] 圖3為本發明磨削砂輪剛度測量示意圖；
[0024]圖4為本發明切入磨削力測量裝置示意圖；
[0025]圖5為本發明切入磨削力測量信號圖。
【具體實施方式】
[0026]基于時間常數的切入磨削接觸剛度測量方法如下：
[0027] 1、磨削接觸剛度計算表達式：
[0028] 如圖1所示切入磨削系統簡化模型圖，切入磨削力模型可以簡化成有三個彈簧系 統，由工件與床身之間彈簧、工件與砂輪之間彈簧、砂輪與滑座之間彈簧構成，所對應的工 件剛度k w，砂輪與工件之間的磨削接觸剛度ka，砂輪剛度ks。圖1中砂輪質量為m s，轉速為vs; 工件質量為mw，轉速為，法向磨削力為Fn，切向磨削力為Ft。在法向磨削力F n作用下砂輪與 工件的變形量分別為A xjP △ X2。該磨削系統等效剛度b可表示為：
[0030]根據上式(1)，磨削接觸剛度1^可表示為：
[0032] 根據上式(2)，通過實驗測量出砂輪剛度ks，工件剛度kw及磨削系統等效剛度ke后， 則可計算出磨削接觸剛度k a。
[0033] 2、砂輪剛度ks與工件剛度kw測量：
[0034] 如圖2所示磨削工件剛度測量示意圖，利用實驗方法求磨削工件剛度kw，將壓力傳 感器安裝于工件一側并在其上施加一垂直定力F ns，在施力點對應工件的另一側安裝位移傳 感器，用以測量出工件被施加力后工件另一側測點1的變形量A X1，利用下式計算出工件剛 度：
[0036]如圖3所示磨削砂輪剛度測量示意圖，利用上述類似實驗方法求磨削砂輪剛度ks， 將壓力傳感器安裝于砂輪外圓一側并在其上施加一垂直圓心的定力Fns，在砂輪施力點對應 另一側外圓安裝位移傳感器，用以測量出工件被施加力后砂輪中心對稱測點2的變形量△ X2,利用下式計算出砂輪剛度：
[0038] 3、基于時間常數的磨削系統等效剛度計算：
[0039] 根據切入磨削原理，提出基于時間常數τ計算其磨削系統等效剛度h。切入磨削進 給過程中，由于法向磨削力Fn產生的系統彈性變形δ可表示為：
[00411式中，Fn為磨削砂輪與工件接觸點的法向磨削力。
[0042]切入磨削中法向磨削力實際進給速度服從一定的線性關系，其表達式為：
[0044]式中，a為工件每轉下的進給深度，k。為磨削力系數，/為工件半徑增大速度(實際 進給速度），nw為工件轉速。
[0045] 當忽略砂輪磨損磨削系統中（切入磨削瞬時砂輪磨損量很小），數控指令設定的砂 輪進給速度0和實際磨削進給速度/之間的磨削差值為系統彈性變形變化率名，可表示為：
[0046] ?-Γ = δ (7)
[0047] 聯立式(5)、（6)和(7)可得磨削系統控制公式，f為實際進給速度的積分：
[0051]式中，τ為磨削系統時間常數，可表示為：
[0053]該時間常數τ與磨削系統等效剛度ke，磨削力系數k。及工件轉速nw有關。
[0054]根據磨削力系數kc、工件轉速nw以及時間常數τ，即可獲得磨削系統剛度k e。上式 (10)中工件轉速11?根據磨削加工參數可知，時間常數τ和磨削力系數k。未知；因此，通過實 驗方法測量出時間常數τ和磨削力系數k。，即可獲得磨削系統剛度k e。
[0055] 4、時間常數τ與磨削力系數kc的測量：
[0056] 基于切入磨削過程，如圖4所示切入磨削力測量裝置示意圖，工件采用雙頂尖裝夾 方式，即通過磨床頭架和尾架自帶的頭架頂尖和尾架頂尖將工件固定在中間，程序設定砂 輪進給磨削工件，一次磨削加工過程分為進給階段和駐留階段。為測量在磨床頭架與頭架 頂尖處安裝了三向測力傳感器，可實時測量磨削加工法向磨削力為F4P切向磨削力為F t。因 此，根據測量的法向磨削力獲得時間常數τ與磨削力系數k。。
[0057] 對上述常系數非齊次微分方程式(9)進行求解，可獲得切入磨削進給階段和駐留 階段的關于當前磨削時間t下面函數表達式：
[0058] 實際磨削進量r的時間函數r(t)，可表示為：
[0062]由上述式(6)、式(11)和式(12)聯立得法向磨削力Fn的時間函數Fn(t)為：
[0064]上式中的磨削系統時間常數τ、和磨削力系數k。均未知，而這些參數可根據穩態磨 削力信號K "和磨削力變化率變化來確定，如下式所示
[0067]任何時間都可以帶入式（13)計算磨削力變化率，求導計算，為了計算方便根據式 (15)可以獲得磨削力變化率^，然后計算出時間常數。
[0068]根據測量的磨削力信號，如圖5所示切入磨削力測量信號圖，根據穩態磨削力信號 K "獲得磨削力系數k。，如下式：
[0070]根據穩定階段的磨削力信號F/，可通過圖5中磨削加工時磨削力信號變化率/ζ可 計算出磨削加工過程時間常數τ，如下式：
[0072] 將式(16)和式(17)代入式(10)后，可獲得磨削加工過程的磨削系統等效剛度ke。
[0073] 綜合上述分析計算，將式（10)中磨削加工過程的磨削系統等效剛度I，式(3)中工 件剛度kw，式⑷中砂輪剛度匕，代入式⑵中，即可獲得磨削加工過程的磨削接觸剛度k a。
【主權項】
1. 一種基于時間常數的切入磨削接觸剛度測量方法，其特征在于，具體包括如下步驟： 1) 磨削接觸剛度計算表達式獲得:將切入磨削力模型簡化成有三個彈簧系統，由工件 與床身之間彈簧、工件與砂輪之間彈簧、砂輪與滑座之間彈簧構成，對應力產生工件剛度 kw，砂輪與工件之間的磨削接觸剛度ka，砂輪剛度ks，磨削系統等效剛度ke由上述三個剛度 形成，法向磨削力SF n，切向磨削力為Ft，在法向磨削力Fn作用下砂輪與工件的變形量分別 為Δ xjP Δ X2,磨削接觸剛度1^表達式為：2) 用實驗方法求磨削工件剛度kw和砂輪剛度ks:s為實驗設定施加在工件和砂輪上給定的力； 3) 基于時間常數的磨削系統等效剛度計算： 搭建切入磨削力測量裝置，工件采用雙頂尖裝夾方式，即通過磨床頭架和尾架自帶的 頭架頂尖和尾架頂尖將工件固定在中間，設定砂輪進給磨削工件，一次磨削加工過程分為 進給階段和駐留階段，在磨床頭架與頭架頂尖處安裝了三向測力傳感器，實時測量磨削加 工法向磨削力為F4P切向磨削力為F t，根據測量的法向磨削力?"獲得時間常數τ與磨削力系 數kc:，其中F'df感器測量穩定階段的磨削力信號，為數控指令設定的砂輪進 給速度，nw為工件轉速；,/；為磨削加工時磨削力信號變化率； 將獲得時間常數τ與磨削力系數k。代入時間常數τ表達式得到磨削系統等效剛度ke，4) 將步驟2)和3)獲得的工件剛度1^、砂輪剛度k4P磨削加工過程的磨削系統等效剛度 ke，代入步驟1)中磨削接觸剛度1^表達式，即可獲得磨削加工過程的磨削接觸剛度ka。2. 根據權利要求1所述基于時間常數的切入磨削接觸剛度測量方法，其特征在于，所述 步驟2)中實驗方法為： 將壓力傳感器安裝于工件一側并在其上施加一垂直定力Fns，在施力點對應工件的另一 側安裝位移傳感器，用以測量出工件被施加力后工件另一側測點的變形量A X1; 將壓力傳感器安裝于砂輪外圓一側并在其上施加一垂直圓心的定力Fns，在砂輪施力點 對應另一側外圓安裝位移傳感器，用以測量出工件被施加力后砂輪中心對稱測點的變形量 A Χ2〇
【專利摘要】本發明涉及一種基于時間常數的切入磨削接觸剛度測量方法，通過實驗設計利用力傳感器和位移傳感器直接測量磨削砂輪剛度、工件剛度及切入磨削力信號，并基于磨削去除率模型中時間常數測量來準確獲得磨削加工過程中的磨削接觸剛度。該方法易操作，有很強的實用性，由于磨削接觸剛度是影響顫振頻率的一個重要的參數，建立磨削動力學模型的基礎，接觸剛度大小也是影響磨削加工尺寸精度及表面粗糙度的重要因素。因此，該發明專利測量磨削接觸剛度方法對避免實際磨削顫振和提高磨削效率有重要意義。
【IPC分類】B24B49/16, G06F17/50
【公開號】CN105710782
【申請號】CN201610203230
【發明人】遲玉倫, 李郝林, 衷雪蓮
【申請人】上海理工大學