五轴机床工作台轴向振动双位非接触检测装置及预测方法
阅读说明：本技术 五轴机床工作台轴向振动双位非接触检测装置及预测方法 (Axial vibration double-position non-contact detection device and prediction method for five-axis machine tool workbench ) 是由 吴石 刘涛瑞 刘献礼 于 2021-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明提出了五轴机床工作台轴向振动双位非接触检测装置及预测方法。解决了现有机床加工过程中工作台振动不易测量,影响生产效率和加工质量的问题。分析计算包括设定工作台几何参数和材料参、建立回转工作台轴向振动模型,并通过回转工作台振动模型推导出动力学方程各项系数从而得到转台动力学方程。检测装置包括激光位移传感器电涡流传感器和磁力台架,磁力台架底座有一个磁力开关可将磁力台架牢固的吸附在机床摆台侧壁该结构利于拆装,台架有三个关节用于调节传感器位置该结构确保了传感器测量的精度,台架头部有弹簧卡槽该结构即可以固定传感器,同时关节连接处装有隔振装置据有好的减震性能。激光位移传感器与电涡流传感器放置于回转工作台上方并于工作台保持一定间隙,且间隙不应大于5mm,它主要用于双转台五轴机床回转工作台轴向振动的检测。(The invention provides an axial vibration double-position non-contact detection device and a prediction method for a five-axis machine tool workbench. The problem of among the current lathe course of working table vibration difficult measurement, influence production efficiency and processingquality is solved. The analysis and calculation comprises the steps of setting the geometric parameters and material parameters of the working table, establishing an axial vibration model of the rotary working table, and deducing each coefficient of a kinetic equation through the vibration model of the rotary working table so as to obtain a rotary table kinetic equation. The detection device comprises a laser displacement sensor and an eddy current sensor and a magnetic force rack, a magnetic force switch is arranged on a base of the magnetic force rack, the magnetic force rack can be firmly adsorbed on the side wall of the machine tool swing table through the magnetic force switch, the structure is favorable for disassembly and assembly, the rack is provided with three joints for adjusting the position of the sensor, the structure ensures the measuring precision of the sensor, the head of the rack is provided with a spring clamping groove, the structure can fix the sensor, and meanwhile, the joint connection part is provided with a vibration isolation device which has good vibration isolation performance. The laser displacement sensor and the eddy current sensor are arranged above the rotary worktable, a certain gap is kept between the rotary worktable and the laser displacement sensor, the gap is not larger than 5mm, and the laser displacement sensor and the eddy current sensor are mainly used for detecting the axial vibration of the rotary worktable of the five-axis machine tool with double rotary tables.)
技术领域
本发明涉及五轴机床工作台轴向振动双位非接触检测装置及预测方法，属于刚性旋转结构的振动检测领域。
背景技术
随着高精度机床在工业领域的广泛应用，由回转工作台轴向振动引起加工工件精度下降的情况层出不穷。其中，回转工作台属于工业应用中基本旋转机械结构，如涡轮机、圆锯、陀螺仪等，随着回转工作台的厚度减小和转速升高，由于安装轴的偏心或外界扰动导致的轴向振动会影响或限制机械的使用性能，轴向振动加大，加工精度下降，影响工件的加工表面质量。因而对回转工作台结构的轴向稳定性要求越来越严格。但对于旋转结构，有线式的传感器安装成为难题，实施非接触式的测量以及在线轴向振动特征分析是对回转工作台轴向振动预测的关键环节。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种回转工作台轴向轴向振动检测装置，该装置可以实现对回转工作台轴向振动的快速稳定检测及分析预测。
本发明的另一目的在于提供一种回转工作台轴向振动检测和分析预测方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
回转工作台轴向振动检测装置，包括传感器、磁力台架以及数据处理机构，所述工作台平行于水平面；所述振动传感器包括激光位移传感器和电涡流传感器，所述激光位移传感器的测量头正对工作台的表面距离为5mm，所述电涡流传感器测量头正对工作台的表面距离小于5mm，通过数据采集线与数据采集箱和计算机连接。
进一步的，所述回转工作台下端由摆动台架支撑，磁力台架的磁力底座吸附与摆动台架侧面随摆动台架的摆动而随动，所述磁力底座装有磁力开关用于磁力台架的装卸，所述磁力磁力底座与磁力台架关节连接处装有隔振装置使台架在随摆台摆动时产生的轴向振动不会影响传感器采集的信号出现干扰。
进一步的，所述装置还包括测头，所述测头由激光位移传感器和电涡流传感器，传感器可以根据需要任意选择，测头更换方便，更换时仅需要将传感器从磁力台架头部的弹簧卡槽内拔出。
进一步的，所述轴向振动检测机构包括电涡流传感器、激光位移传感器，所述电涡流传感器和激光位移传感器安装于两个台架上(双位置)，磁力台架吸附于工作台下端摆台两个侧面，磁力台架对称放置。
进一步的，所述轴向振动检测机构磁力台架由三个关节和一个磁力底座构成，各个关节可进行大角度转动，各个关节连接处均装有隔振装置，防止关节在转动过程中引起的振动传导到传感器，导致测量的精度下降，所述关节的转动由分度盘控制。
进一步的，所述轴向振动检测机构由传感器采集到轴向振动信号后通过数据采集线传输到数据采集箱后，通过采集箱对轴向振动信号进行信号转换和滤波处理，所述采集箱将处理后的信号在传输到计算机，所述计算机内装有采集软件，所述采集软件可进行二次开发，通过建立回转工作台动力学模型得到回转工作台动力学方程，将方程编写成python语言嵌入到数据采集软件中，所述二次开发后的软件可对实际测量的轴向振动信号进行误差补偿和拟合，对一些难以测到的工况二次开发后的软件可进行预测分析。
进一步的，激光位移传感器和电涡流传感器通过球形凹槽安装固定在磁力台架上，所述激光位移传感器和电涡流传感器测头均朝向工作台并于工作台保持垂直，所述激光位移传感器与回转工作台距离为5mm，电涡流传感器与回转工作台距离小于5mm。
进一步的，所述激光位移传感器和电涡流传感器传感器测头朝向工作台表面，其内置有传感模块、电源模块、采集模块。
所述检测装置有磁力台架、激光位移传感器、电涡流传感器、数据采集系统，所述检测装置中磁力台架底座通过磁力吸附于回转工作台下端摆台侧面上，所述检测装置磁力台架由三个关节构成，三个关节均可做大角度转动；所述轴向振动检测装置头部可安装激光位移传感器和电涡流传感器，所述激光位移传感器的测量头正对工作台的表面，所述电涡流传感器测量头正对工作台的表面，并将测量机构与数采系统通过采集线连接；所述工作台振动为回转工作台的轴向振动。工作台轴向振动检测装置与工作台轴向振动模型相结合能够快速的检测和预测出工作台轴向振动的振型；测试台架在各关节连接处采用隔振装置提高了测试台架的减振性能，且结构简单；测试台架由三个关节构成，具有多自由度调节的能力，能使传感器达到一个最佳测试位置；测试台架下端装有磁力底座并配有磁力开关，当需要测试时仅需要拧磁力开关就可以将台架固定在机床上，方便了测试台架的装卸，提高了测试效率；测试台架顶端接口能够安装多种传感器，具有可变转换器接口的能力。测试装置具有减振性能、多自由度调节性能、磁吸附性能、可变传感器接口。
有益效果：
本发明主要涉及五轴机床工作台轴向振动双位非接触检测装置及预测方法，主要针对五轴机床加工过程中回转工作台轴向振动，通过对五轴机床工作台轴向振动双位非接触检测装置及预测，对五轴机床加工过程中回转工作台选择合理的输出转矩提供指导。
本发明是通过对五轴机床工作台轴向振动双位非接触检测装置及预测，通过采集装置提取出回转工作台轴向振动位移数值，运用板壳理论建立回转工作台动力学模型计算出回转工作台的位移值，再通过李雅普诺夫稳定性计算，计算出稳定域，最终指导回转工作台选择合理的输出转矩，以及根据轴向振动位移分叉图可以通过机床回转工作台补偿系统对回转工作台轴向振动进行实时补偿，减小了回转工作台轴向振动幅值，避免了回转工作台共振，从而使被加工的工件精度得到提高。
本发明对于五轴机床回转工作台，运用激光位移传感器和电涡流传感器检测工作台表面轴向振动并通过数次系统对检测到的数据进行数据处理后通过计算机内编写好的函数方程对回转工作台的轴向振动近况进行分析和预测。
附图说明
图1为本发明所述的五轴机床工作台轴向振动双位非接触检测装置结构示意图。
图2为本发明所述的五轴机床转台轴向振动检测装置系统工作结构示意图。
图3为本发明所述激光位移传感器与电涡流传感器与台架连接结构示意图。
图4为本发明所述台架底部磁力座结构示意图。
图5为本发明所述五轴机床回转工作台轴向振动检测台架减振控制流程图
图6为本发明所述的五轴机床回转工作台轴向振动检测系统流程图。
图7为本发明所述的五轴机床回转工作台轴向振动检测分析预测混沌分叉图。
其中，1-五轴机床，2-数据采集箱，3-计算机，4-第一关节分度盘，5-第二关节分度盘，6-第三关节分度盘，7-磁力底座开关，8-激光位移传感器，9-电涡流传感器，10-第一关节调节杆，11-预紧螺栓，12-关节保护外壳，13-旋转轴，14-第二关节调节杆，15-水平旋转轴，16-磁力底座外壳，17-磁力底座吸附面，18-可拆卸台架头拆卸孔，19-弹簧，20-小铁球，21-球形卡槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
参见图1-7说明本实施方式：
五轴机床加工过程中回转工作轴向振动检测装置安装于五轴机床1摆台侧面随摆台摆动而摆动，五轴机床工作台轴向振动双位非接触检测装置，它包括激光位移传感器8、电涡流传感器9连接数据采集箱2通过数据采集箱2将采集到的信号传输到计算机3后对轴向振动信号进行分析和预测，激光位移传感器8、电涡流传感器9通过磁力台架顶端球形卡槽21与磁力台架相连，球形卡槽21中装有小铁球20、弹簧19，磁力台架分装有三个关节，第一个关节装有第一关节分度盘4，第一关节分度盘4转动第一关节调节杆10调节第一关节转动，第一关节调节杆10与第二个关节相连，第二关节装有第二关节分度盘5，第二关节分度盘5转动第二关节调节杆14，第二关节调节杆14与第三关节相连，第三关节装有第三关节分度盘6，第三关节分度盘6下方连接磁力底座，磁力底座由磁力底座外壳16保护，磁力底座下端连接磁力开关7用于控制磁力台架的装卸。磁力台架装卸由磁力底座吸附面17贴在摆台侧面上。
如图1所示，本实施例提供了一种回转工作台轴向振动检测装置，该装置安装在双站台五轴机床1摆台侧面，通过数据采集线与数据采集箱2和计算机3相连，检测装置包括激光位移传感器，电涡流传感器，通过磁力台架固定在摆台上，弹簧卡槽用于固定激光位移传感器和电涡流传感器，磁力台架三个关节可同时转动用于调节激光位移传感器与电涡流传感器对工作台的相对距离。
如图2所示，本实施例提供了一种回转工作台轴向振动检测装置，该装置分为两组，对称布置与五轴机床工作台两端。激光位移传感器8、电涡流传感器9连接数据采集箱2通过数据采集箱2将采集到的信号传输到计算机3后对轴向振动信号进行分析和预测，激光位移传感器8、电涡流传感器9通过磁力台架顶端球形卡槽21与磁力台架相连，球形卡槽21中装有小铁球20、弹簧19，磁力台架分装有三个关节，第一个关节装有第一关节分度盘4，第一关节分度盘4转动第一关节调节杆10调节第一关节转动，第一关节调节杆10与第二个关节相连，第二关节装有第二关节分度盘5，第二关节分度盘5转动第二关节调节杆14，第二关节调节杆14与第三关节相连，第三关节装有第三关节分度盘6，第三关节分度盘6下方连接磁力底座，磁力底座由磁力底座外壳16保护，磁力底座下端连接磁力开关7用于控制磁力台架的装卸。磁力台架装卸由磁力底座吸附面17贴在摆台侧面上。
如图3所示，激光位移传感器和电涡流传感器顶端均有球形卡槽，磁力台架头部有弹簧卡槽，球形卡槽21中装有小铁球20、弹簧19可将传感器固定于卡槽内。且激光位移传感器8与电涡流传感器9卡槽型号大小相同方便激光位移传感器与电涡流传感器在同一磁力台架上的更换。
如图4所示，磁力台架低端的磁力底座装有磁力底座开关7方便磁力台架的拆装。在测试时将磁力底座吸附面17贴在摆台侧面，磁力底座吸附面为提高稳定性成凹字形，将磁力底座挡位调至ON档，磁力台架牢固的吸附在摆台侧面随摆台的摆动而随动。
如图5所示，为磁力台架的控制方法流程图，建立磁力台架动力学模型，建立台架运动规划算法，设计台架各关节角运动控制算法，台架位置与动力混合控制系统，控制台架各分度盘转动，对整个台架进行减振控制。
如图6所示，通过初始化模块组建转台工作空间设置转台几何材料参数，组建激光位移传感器和电涡流传感器，当转台转速大于500r/min时利用激光位移传感器测试转台轴向振动频率，当转台转速小于500r/min时利用电涡流传感器测试转台轴向振动频率。当测试得到的结果与理论计算的结果相差小于10％时测试结果会输出到计算机得到转台轴向振动的位移分叉图。
如图7所示，是通过数据处理后得到的轴向振动分叉图。以及振动位移图、相平面轨迹图、庞加莱截面图。振动分岔图可以分析回转工作台可能出现的工作不稳定区域。对加工过程中不稳定区域的控制提供了理论指导，提高了工件加工精度。
通过在计算机内编写五轴机床轴向振动动力学模型用于分析预测回转工作台轴向振动规律，模型计算方法；
将圆形工作台看作柱状体对机床回转工作台进行受力分析，由图1可以看出机床回转工作台受到沿机床X轴转动的翻转力矩T1，沿Z轴转动的转动力矩T2，同时受到加工过程中不断变化的工件对工作台的压力q。
对机床回转工作台受到的外力与回转工作台自生的内应力相耦合，基于板壳理论将回转工作台拆分成无穷多个单元，对单元进行受力分析如图2所示，此单元受到Nr径向力，Nθ周向力，Mr径向弯矩，Mθ周向弯矩，Qr径向剪切力，q(x,t)是质量为m的工件对回转工作台产生的单位载荷。
建立工作台的平衡方程，其中c是阻尼系数，ρ是回转工作台的材料密度，h是回转工作台厚度，将回转工作台所受到的惯性力阻尼力弹性恢复力之和与所受外载荷-q(x,t)相等达到平衡状态。方程写为：
根据冯卡门位移应变关系，建立圆形工作台周向和径向的位移应变方程：
在按应力求解平面问题时，需要从几何和物理方程中导出一个含有应力分量的补充方程，因此建立应变和位移的相容性方程作为求解应力函数Nr的补充方程。由位移应变方程得到相容性方程：
式中，回转工作台在Z方向上的位移w，径向长度r，工作台的径向位移u，εr和εh是径向和周向的应变分量。杨氏模量E，是泊松比v。
对于当前的连续系统在非线性自由振动的响应可以假定系统在模态方向上的动态位移为因此由伽辽金位移方程对空间求积分，将关于时空的函数降维得到关于时间的函数，可求得：
通过伽辽金位移方程对空间进行积分后仅剩下对时间的微分函数，所以可以得到回转工作台对时间求导的动力学方程：
式中τ＝ωt，c1、c2、c3、c4为动力学方程系数。
建立初始化模块，通过组建转台工作空间，设置转台几何参数，组建激光位移传感器和电涡流传感器设置初始化参数，对于不同转速下回转工作台，选择不同传感器采集的信号，当转台转速大于等于500r/min时采用激光位移传感器采集到的信号，当转台小于500r/min时采用电涡流传感器采集到的信号。磁力台架采用自适应控制传感器与转台间距，传感器与转台间距根据测量的轴向振动的精确度实时调整，通过建立磁力台架动力学模型、台架运动规划算法、设计台架各关节角运动控制算法，控制台架各分度盘转动。结合理论分析将传感器实测到的振动信号与理论分析得到的振动信号对比分析，当实测轴向振动信号与理论分析相差大于10％时，磁力台架进行自动调整对振动信号进行重新采样，当实测轴向振动信号与理论分析相差小于10％时，振动信号输入到转台振动模型中。经过处理过的振动信号传输到转台振动模型中，分析检测数据建立转台轴向振动数学模型，根据检测系统修正转台轴向振动模型，建立转台轴向振动的非线性动力学模型，多维数据融合，重建转台振动模型，得到系统振动分岔图。创新之处在于：可对工作台不同转速时采用不同传感器组合测量；当实测的轴向振动幅值和频率与理论值相差大于10％时传感器与工作台间距可以进行自适应调整；根据实验值检验转台轴向振动理论值模型的正确性，进行多数据融合对系统的轴向振动进行各种非线性分析及位置工况预测。根据检测装置测得回转工作台轴向振动数值，基于板壳理论和冯卡门位移方程，得到回转工作台动力学方程将测得数值代入动力学方程，得到混沌分叉图从而预测出回转工作台轴向振动位移情况。通过非线性动力学方程可以得到工作台在不同工况下的振动分岔图、根据振动分叉图可以生成在某一点下的振动位移图、相平面轨迹图、庞加莱截面图。振动分岔图可以分析回转工作台可能出现的工作不稳定区域。对加工过程中不稳定区域的控制提供了理论指导，提高了工件加工精度。
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