عنوان انگلیسی:
Modal identification of spindle-tool unit in high-speed machining
عنوان فارسی:
شناسایی کیفی واحد اسپیندل در عملیات ماشین کاری سریع
تعداد صفحات مقاله اصلی: 11 صفحه
تعداد صفحات ترجمه: 23 صفحه
سال انتشار: 2011
مجله
Mechanical Systems and Signal Processing 25 (2011) 2388–2398
The accurate knowledge of high-speed motorised spindle dynamic behaviour during machining is important in order to ensure the reliability of machine tools in service and the quality of machined parts. More specifically, the prediction of stable cutting regions, which is a critical requirement for high-speed milling operations, requires the accurate estimation of tool/holder/spindle set dynamic modal parameters. These estimations are generally obtained through Frequency Response Function (FRF) measurements of the non-rotating spindle. However, significant changes in modal parameters are expected to occur during operation, due to high-speed spindle rotation.
The spindle’s modal variations are highlighted through an integrated finite element model of the dynamic high-speed spindle-bearing system, taking into account rotor dynamics effects. The dependency of dynamic behaviour on speed range is then investigated and determined with accuracy. The objective of the proposed paper is to validate these numerical results through an experiment-based approach. Hence, an experimental setup is elaborated to measure rotating tool vibration during the machining operation in order to determine the spindle’s modal frequency variation with respect to spindle speed in an industrial environment. The identification of natural frequencies of the spindle under rotating conditions is challenging, due to the low number of sensors and the presence of many harmonics in the measured signals. In order to overcome these issues and to extract the characteristics of the system, the spindle modes are determined through a 3-step procedure. First, spindle modes are highlighted using the Frequency Domain Decomposition (FDD) technique, with a new formulation at the considered rotating speed. These extracted modes are then analysed through the value of their respective damping ratios in order to separate the harmonics component from structural spindle natural frequencies. Finally, the stochastic proper- ties of the modes are also investigated by considering the probability density of the retained modes. Results show a good correlation between numerical and experiment- based identified frequencies. The identified spindle-tool modal properties during machining allow the numerical model to be considered as representative of the real dynamic properties of the system
Keywords:
High-speed machining
Spindle
Rotor dynamics
Modal identification
چکیده
شناخت دقیق رفتار دینامیکی اسپیندل موتوری سریع، حین عملیات ماشین کاری به منظور اطمینان از کارکرد صحیح ابزار ماشینی ، در خدمات و کیفیت قطعات ماشینی، مهم است. بعلاوه، پیش بینی نواحی برش پایدار، که نیازی حیاتی برای عملیات های فرزکاری سریع است، نیازمند تخمین دقیق پارامترهای کیفی دینامیکی مجموعه ابزار، ابزارگیر و اسپیندل است. این تخمین ها، معمولاً از طریق اندازه گیری های تابع (عملکرد) پاسخ فرکانس اسپیندل غیرچرخان بدست آمده اند. از این رو، با توجه به چرخش سریع اسپیندل، تغییرات قابل توجهی در پارامترهای کیفی در حین عملیات، انتظار می رود.
تغییرات کیفی اسپیندل، با استفاده از یک مدل یکپارچه ی المان محدود از سیستم دینامیکی یاتاقان اسپیندل سریع، با توجه به تاثیرات دینامیکی روتور، نمایان شده است. سپس ارتباط رفتار دینامیکی بر تغییرات سرعت ، با دقت بررسی و تعیین گردید. هدف این مقاله، تائید نتایج عددی از طریق یک روش آزمایشگاهی (تجربی) است. از این رو، یک تست آزمایشی برای اندازه گیری ارتعاش ابزار چرخان، در حین عملیات ماشین کاری، به منظور تعیین تغییرات کیفی فرکانس اسپیندل، با توجه به سرعت اسپیندل در یک محیط صنعتی، به تفصیل شرح داده شده است. شناسایی فرکانس های طبیعی اسپیندل تحت شرایط چرخشی، به علت تعداد کم سنسورها و وجود هارمونیک های زیاد در سیگنال های اندازه گیری شده، یک چالش است. به منظور غلبه بر این مسائل و برای استخراج خواص سیستم، حالات (مدها) اسپیندل با استفاده از یک روش سه مرحله ای تعیین شدند. نخست، وضعیت اسپیندل ، با استفاده از تکنیک تجزیه دامنه فرکانس ، با یک فرمول جدید و در سرعت چرخش مطلوب ، مشخص گردید. سپس وضعیت بدست آمده با استفاده از مقادیر نسبت های میرایی نسبی، به منظور تفکیک اجزای هارمونیک از فرکانس های طبیعی اسپیندل تجزیه و تحلیل شدند. در نهایت، خواص تصادفی از حالات (مدها)، با در نظر گرفتن چگالی احتمالی حالات (مدها) باقیمانده، بررسی شدند. نتایج بین فرکانس های شناسایی شده عددی و آزمایشی ، همبستگی خوبی را نشان دادند. خواص کیفی ابزار اسپیندل شناسایی شده در حین ماشین کاری اجازه دادند که مدل عددی به عنوان بیان کننده ی خواص دینامیکی واقعی سیستم در نظر گرفته شوند.
کلمات کلیدی: ماشین کاری سریع، اسپیندل، دینامیک روتور، شناسایی کیفی
شناسایی کیفی واحد اسپیندل در عملیات ماشین کاری سریع
