本發(fā)明涉及機(jī)械加工領(lǐng)域，特別是一種刀具車削溫升均值的預(yù)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
：車削過程中，刀具與工件之間直接接觸。由于刀具與工件之間的擠壓、剪切、摩擦等會(huì)產(chǎn)生大量的車削熱，因此車削刀具溫度升高，同時(shí)產(chǎn)生車削振動(dòng)。車削熱會(huì)導(dǎo)致車削熱應(yīng)力、刀具變軟等，從而加速刀具的磨損造成刀具的破損、加工表面粗糙度變大、尺寸精度降低等，同時(shí)車削振動(dòng)也會(huì)加劇刀具的磨損及車削溫度的升高，因此基于車削振動(dòng)研究刀具溫升有著重要的意義，對(duì)于車削過程車削參數(shù)的選擇、刀具的更換、加工表面質(zhì)量的控制有著重要的指導(dǎo)意義。影響車削溫度的因素有很多，現(xiàn)有的溫度經(jīng)驗(yàn)公式一般只給出了溫度與車削參數(shù)的關(guān)系，沒有考慮車削振動(dòng)以及環(huán)境溫度對(duì)車削溫度的影響。現(xiàn)有的熱力耦合分析中，目前應(yīng)用的本構(gòu)方程一般只給出了車削應(yīng)力與應(yīng)變及溫度的關(guān)系，沒有考慮車削振動(dòng)的影響。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明提供一種刀具車削溫升均值的預(yù)測(cè)方法，包括信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、車削溫升關(guān)于車削振動(dòng)加速度、車削參數(shù)之間的回歸模型；信號(hào)采集系統(tǒng)包括溫度采集系統(tǒng)和振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)；溫度采集系統(tǒng)采集刀具前刀面刀尖處的實(shí)時(shí)溫度及每次車削前刀具測(cè)溫點(diǎn)的溫度(環(huán)境溫度)；振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)采集刀具前刀面刀尖處刀柄下表面處的三向振動(dòng)加速度信號(hào)；將信號(hào)采集系統(tǒng)采集到的信號(hào)經(jīng)過處理后獲得各次車削試驗(yàn)中的三向加速度均值、溫升均值，基于最小二乘法得到刀具溫升均值關(guān)于車削三向振動(dòng)加速度及車削參數(shù)的多元回歸模型。將信號(hào)采集系統(tǒng)采集到的信號(hào)經(jīng)過計(jì)算機(jī)和matalab處理，提取特征值，根據(jù)特征值及車削參數(shù)建立所需溫升均值計(jì)算公式。具體過程如下：步驟一、按設(shè)定的車削參數(shù)完成車削試驗(yàn)：按上面設(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)車削參數(shù)、擬定試驗(yàn)方案，在車削試驗(yàn)中實(shí)時(shí)同步采集各車削參數(shù)下的三向加速度、溫度的時(shí)域信號(hào)以及每次車削前刀具測(cè)溫點(diǎn)處的初始溫度。步驟二、按照下述方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理以獲得敏感特征：將樣本集中所有樣本的溫度信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，獲得各參數(shù)下的溫度-時(shí)間曲線，由該時(shí)間曲線及測(cè)得的初始溫度可以計(jì)算得到該次車削試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的溫升均值，同理，將樣本集中所有樣本的三向振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，獲得三向振動(dòng)加速度-時(shí)間曲線，并進(jìn)一步得到各次試驗(yàn)中的三向振動(dòng)加速度均值；步驟三、整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到回歸模型所需的數(shù)據(jù)表：將各次車削試驗(yàn)中的車削參數(shù)(切削速度、背吃刀量、進(jìn)給速度)、溫度升高平均值、三向加速度各向的均值繪制成表，為下步運(yùn)行程序、調(diào)用數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備；步驟四、基于最小二乘法原理擬合上述表中數(shù)據(jù)，得到車削溫升均值的一個(gè)多元回歸模型；基于最小二乘法原理，推導(dǎo)出車削溫升均值關(guān)于車削振動(dòng)均值及車削參數(shù)擬合公式中的未知參量的表達(dá)式；再利用matlab軟件編程求解這些未知參量；步驟五、計(jì)算相關(guān)性系數(shù)，分析擬合公式的可靠性：將試驗(yàn)中所用的車削參數(shù)及車削振動(dòng)均值代入車削溫升均值擬合公式中，可得到擬合的溫升均值，與實(shí)測(cè)的溫升均值進(jìn)行比較，并計(jì)算相關(guān)系數(shù)，分析預(yù)測(cè)公式的可靠性。刀具車削溫升均值的預(yù)測(cè)方法，建立預(yù)測(cè)公式的具體過程如下：設(shè)刀具溫升均值的預(yù)測(cè)公式為其中為溫升平均值的擬合值，ap、vf、v分別為車削時(shí)的背吃刀量、進(jìn)給速度、車削速度，是車削時(shí)三向振動(dòng)加速度某一方向的均值，c是系數(shù)，x,y,z,w是指數(shù)，對(duì)式(1)兩邊同時(shí)取對(duì)數(shù)，得到對(duì)給定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)api,vi,vfi,ai，擬合溫升均值與實(shí)測(cè)溫升均值的對(duì)數(shù)誤差為由最小二乘法，各次試驗(yàn)誤差的平方差令設(shè)lnc＝η，則由分別得到五個(gè)關(guān)于x,y,z,w,η的方程，運(yùn)用克萊姆法則可得到：通過matlab編程(程序1)解出x,y,z,w,c的值；程序1：其中，得到x,y,z,w,η，從而就得到了溫升均值的擬合方程在上述程序的基礎(chǔ)上運(yùn)用下面程序(程序2)得到擬合溫升均值與實(shí)測(cè)溫升均值的相關(guān)性系數(shù)及相關(guān)性為零的概率值，確定刀具車削溫升與車削振動(dòng)及車削參數(shù)之間的相關(guān)密切程度，并可進(jìn)一步繪制擬合溫升均值與實(shí)測(cè)溫升均值的對(duì)比曲線；程序2：本發(fā)明提出了對(duì)于給定的刀具，在設(shè)定車削參數(shù)的車削過程中，由振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)采集刀具前刀面刀尖處刀柄下表面處的三向振動(dòng)加速度信號(hào)，依據(jù)車削過程中某一方向的振動(dòng)加速度均值及車削參數(shù)，可以預(yù)測(cè)車削過程中刀具前刀面刀尖附近的溫度升高均值。該方法綜合車削振動(dòng)及車削參數(shù)來預(yù)測(cè)車削溫度升高，不同于以往文獻(xiàn)中的車削溫度計(jì)算公式(一般只給出了溫度和車削參數(shù)的關(guān)系，沒有考慮車削振動(dòng)對(duì)車削溫升的影響)；該方法采用溫升值(相對(duì)溫度)分析車削熱，能消除不同環(huán)境溫度的差異對(duì)車削熱的影響；該預(yù)測(cè)公式還能為理論及數(shù)值模擬計(jì)算車削熱力耦合特性提供一個(gè)必要的本構(gòu)方程；由于車削振動(dòng)相對(duì)于車削溫度容易測(cè)量，該方法一定程度上可以緩解實(shí)時(shí)測(cè)量車削溫度的困難。該種刀具車削溫升均值的預(yù)測(cè)方法適用于數(shù)控機(jī)床和普通機(jī)床刀具溫升模型的建立，其原理及所用傳感器也同樣適用于銑床刀具溫升模型的建立；該預(yù)測(cè)方法簡(jiǎn)單適用，操作方便，使用的傳感器比較通用、價(jià)格便宜，易于組建試驗(yàn)系統(tǒng)，大大減少了試驗(yàn)成本，能夠?yàn)樵跓o溫度測(cè)試設(shè)備條件下提供一種預(yù)測(cè)車削過程中刀具溫升均值的方法。附圖說明圖1溫升預(yù)測(cè)原理框圖。圖2車削溫度時(shí)間曲線圖。圖3車削溫升時(shí)間曲線圖。圖4軸向振動(dòng)加速度時(shí)間曲線圖。圖5徑向振動(dòng)加速度時(shí)間曲線圖。圖6切向振動(dòng)加速度時(shí)間曲線圖。圖7由軸向振動(dòng)數(shù)據(jù)及車削參數(shù)擬合得到的溫升均值曲線。圖8由徑向振動(dòng)數(shù)據(jù)及車削參數(shù)擬合得到的溫升均值曲線。圖9由切向振動(dòng)數(shù)據(jù)及車削參數(shù)擬合得到的溫升均值曲線。具體實(shí)施方式結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。選擇正常使用狀態(tài)下的車刀，按照表1的試驗(yàn)方案進(jìn)行車削試驗(yàn)，每一個(gè)背吃刀量ap進(jìn)行12次試驗(yàn)，一共進(jìn)行36次車削試驗(yàn)，每次試驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為1分鐘。表一：試驗(yàn)車削參數(shù)如圖1所述，建立車削溫度信號(hào)采集和刀具三向振動(dòng)信號(hào)采集試驗(yàn)系統(tǒng)。所述溫度采集系統(tǒng)通過美國(guó)omega公司生產(chǎn)的os523e-2型紅外測(cè)溫儀采集刀具前刀面刀尖處的溫度。所述振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)通過壓電式三向加速度傳感器，采集刀具前刀面刀尖處所對(duì)應(yīng)的刀柄的下表面處的三向振動(dòng)信號(hào)，所述三向振動(dòng)包括沿工件軸向進(jìn)給方向的振動(dòng)、沿工件徑向的振動(dòng)和沿工件切向的振動(dòng)。將采集的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域處理，得到溫升和某一方向振動(dòng)加速度的平均值，所得平均值用于溫升均值預(yù)測(cè)回歸模型的建立。所述溫升均值模型建立過程如下：步驟一、按設(shè)定的車削參數(shù)完成車削試驗(yàn)：按上面設(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)車削參數(shù)、擬定試驗(yàn)方案，在車削試驗(yàn)中實(shí)時(shí)同步采集各車削參數(shù)下的三向加速度與溫度的時(shí)域信號(hào)以及每次車削前刀具測(cè)溫點(diǎn)處的初始溫度。步驟二、按照下述方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理以獲得敏感特征：將溫度信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，獲得各車削參數(shù)下的溫度-時(shí)間曲線，由該時(shí)間曲線及測(cè)得的初始溫度可以計(jì)算得到該次車削試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的溫升均值；同理，將三向振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析，獲得三向振動(dòng)加速度-時(shí)間曲線，并進(jìn)一步得到各次試驗(yàn)中的三向振動(dòng)加速度均值；步驟三、整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到回歸模型所需的數(shù)據(jù)表；將各次車削試驗(yàn)中的車削參數(shù)(切削速度、背吃刀量、進(jìn)給速度)、溫度升高平均值、三向加速度各向的均值繪制成表，為下步運(yùn)行程序調(diào)用數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備；步驟四、基于最小二乘法原理擬合上述表中數(shù)據(jù)，得到車削溫升均值的一個(gè)多元回歸模型；基于最小二乘法原理，推導(dǎo)出車削溫升均值關(guān)于車削振動(dòng)均值及車削參數(shù)擬合公式中的未知參量的表達(dá)式；再利用matlab軟件編程求解這些未知參量；步驟五、計(jì)算相關(guān)性系數(shù)，分析溫升均值與加速度均值及車削參數(shù)之間的相關(guān)密切度。將試驗(yàn)中所用的車削參數(shù)及車削振動(dòng)均值代入車削溫升均值擬合公式中，可得到擬合的溫升均值，與實(shí)測(cè)的溫升均值進(jìn)行比較，并計(jì)算相關(guān)系數(shù)，分析預(yù)測(cè)公式的可靠性。將采集的信號(hào)進(jìn)行處理，獲得以下試驗(yàn)數(shù)據(jù)。溫度-時(shí)間曲線圖2為采集的溫度-時(shí)間曲線，車削參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速n＝1200r/min、背吃刀量ap＝0.3mm、進(jìn)給速度為40mm/min；考慮環(huán)境溫度的影響得到溫升-時(shí)間曲線，如圖3所示。三向振動(dòng)加速度-時(shí)間曲線圖4-圖6為車刀三個(gè)方向的振動(dòng)加速度-時(shí)間曲線，對(duì)應(yīng)的車削參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速n＝800r/min、背吃刀量ap＝0.3mm、進(jìn)給速度為40mm/min。對(duì)所得的曲線進(jìn)一步進(jìn)行處理，得到實(shí)測(cè)的溫升均值和三向振動(dòng)加速度均值，如表2所示。表2：實(shí)測(cè)信號(hào)均值根據(jù)試驗(yàn)中的主軸轉(zhuǎn)速及工件直徑計(jì)算車削速度。根據(jù)每次試驗(yàn)中車削工件的直徑d及主軸轉(zhuǎn)速n得到各次試驗(yàn)的車削速度v：由上式計(jì)算出來的車削速度如表3所示。表3車削速度計(jì)算建立溫升預(yù)測(cè)模型其中表示擬合溫升均值、ap表示背吃刀量、vf表示進(jìn)給速度、v表示車削速度、三向振動(dòng)加速度均值。其中c是系數(shù)，x,y,z,w是指數(shù)。利用前面所述方法，基于最小二乘法，運(yùn)行前面matlab程序1，調(diào)用車削參數(shù)及軸向、徑向及切向振動(dòng)加速度均值的一組數(shù)據(jù)，得到對(duì)應(yīng)三組加速度下的x,y,z,w,c的值，如表4所示。表4計(jì)算得到的x,y,z,w,c值cxyzw軸向2.10e-031.431.340.50-0.21徑向3.68e-041.611.620.62-0.13切向2.6e-041.421.590.68-0.11再運(yùn)行程序2得到擬合溫升均值與實(shí)測(cè)溫升均值的相關(guān)性系數(shù)r和相關(guān)性為零的概率值p，如表5。相關(guān)性系數(shù)均高于0.8，該預(yù)測(cè)方法是可行的。表5相關(guān)性系數(shù)方向相關(guān)性系數(shù)rp值軸向0.812.38e-09徑向0.832.91e-10切向0.841.96e-10繪制各次試驗(yàn)中擬合溫升均值與實(shí)測(cè)溫升均值的對(duì)比曲線，如圖7-圖9所示。圖7為由軸向振動(dòng)及車削參數(shù)得到的擬合溫升均值與實(shí)測(cè)溫升均值的對(duì)比曲線；圖8為由徑向振動(dòng)及車削參數(shù)得到的擬合溫升均值與實(shí)測(cè)溫升均值的對(duì)比曲線；圖9為由切向振動(dòng)及車削參數(shù)得到的擬合溫升均值與實(shí)測(cè)溫升均值的對(duì)比曲線；總之，在相同的車削條件下，對(duì)于同一車刀，根據(jù)車削刀具三向振動(dòng)的某一方向加速度均值及車削參數(shù)可以預(yù)測(cè)車削過程中刀具的溫升均值。該方法綜合車削振動(dòng)及車削參數(shù)來預(yù)測(cè)車削溫度升高，不同于以往文獻(xiàn)中的車削溫度計(jì)算公式(一般只給出了溫度和車削參數(shù)的關(guān)系，沒有考慮車削振動(dòng)對(duì)車削溫升的影響)；該方法采用溫升值(相對(duì)溫度)分析車削熱，能消除不同環(huán)境溫度的差異對(duì)車削熱的影響；該預(yù)測(cè)公式還能為理論及數(shù)值模擬計(jì)算車削熱力耦合特性提供一個(gè)必要的本構(gòu)方程；由于車削振動(dòng)相對(duì)于車削溫度容易測(cè)量，該方法一定程度上可以緩解實(shí)時(shí)測(cè)量車削溫度的困難。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁(yè)12