(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210757441.0 (22)申请日 2022.06.30 (71)申请人 天津大学 地址 300072 天津市南 开区卫津路9 2号 (72)发明人 张小珂　李君兰　张大卫　高卫国　 (74)专利代理 机构 天津市北洋 有限责任专利代 理事务所 12 201 专利代理师 刘子文 (51)Int.Cl. G01N 3/58(2006.01) G01N 3/02(2006.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种可模拟切削工艺特性的试验系统及方 法 (57)摘要 本发明公开一种可模拟切削工艺特性的试 验系统及方法， 系统包括激振模块、 位移测量模 块与应变测量模块； 激振模块包括基于LabVIEW 平台开发的虚拟信号发生器、 数模转换器、 功率 放大器、 非接触式电磁激振器、 直流电源和扼流 线圈； 虚拟信号发生器与数模转换器相连， 数模 转换器的输出端与功率放大器相连， 功率放大器 输出端与非接触式电磁激振器的交流输入端相 连， 直流电源输出端与扼流线圈相连后接入到非 接触式电磁激振器的直流输入端； 位移测量模块 包括位移传感器、 NI采集卡和测试电脑， 位移传 感器安装在被测点位上并与含有NI采集卡的采 集箱相连， NI采集卡输出的信号通过USB接口与 测试电脑相连； 位移测量模块用于检测机床受动 态激振作用的振动响应数据。 权利要求书2页 说明书7页 附图9页 CN 115032104 A 2022.09.09 CN 115032104 A 1.一种可模拟切削工艺特性的试验系统， 其特征在于， 包括激振模块、 位移测量模块与 应变测量模块； 所述激振模块包括基于LabVIEW平 台开发的虚拟信号发生器、 数模转换器、 功率放大器、 非接触式电磁激振器、 直流电源和扼流线圈； 所述虚拟信号发生器通过USB接 口与数模转换器相连， 数模转换器的输出端接口通过连接线与功率放大器的输入端相连， 功率放大器的输出端与非接触式电磁激振器的交流输入端通过连接线相连， 直流电源输出 端通过连接线与扼流线圈相连后接入到非接触式电磁激振器的直 流输入端； 位移测量模块包括位移传感器、 NI采集卡和测试电脑， 位移传感器安装在机床末端的 被测点位上并通过连接线与含有NI采集卡的采集箱相连， NI采集卡输出的信号通过USB接 口与测试电脑相连； 位移测量模块用于检测机床受动态激振作用的振动响应数据； 应变测量模块由电阻应变片组成， 所述电阻应变片贴放在被测点位上通过连接线与测 试电脑相连。 2.根据权利要求1所述一种可模拟切削工艺特性的试验系统， 其特征在于， 功率放大器 用于推动 非接触式电磁激振器， 作为模拟动态切削过程中激振力的激振源， 功率放大器设 有极限电流保护和高温保护， 在大于额定电流或工作温度过高时， 能够截断输入信号。 3.根据权利要求1所述的步骤六中的非接触式电磁激振器， 其特征在于， 非接触式电磁 激振器由激磁线圈、 铁 芯和壳体组成； 非接触式电磁激振器的外侧设有两个输入接口， 分别 用于直流输入与交流输入。 4.根据权利要求1所述的步骤七中的试验系统 的应变测量模块， 其特征在于， 所述电阻 应变片用于检测机床末端的动态激振力， 电阻应变片贴在被测点位上 的弹性变形元件上， 当激振力作用使弹性元件变形时， 电阻应变片将产生相应的变形， 通过测量电阻应变片产 生的应变计算力的大小。 5.一种基于所述可模拟切削工艺特性的试验系统进行机床静动态特性评价的方法， 其 特征在于， 包括： 步骤一， 根据刀具微元切削力的理论模型， 通过刀具微元切削力试验进行切削系数识 别， 构建出切削过程中反应切削力瞬时特性的动态切削力模型； 切削系 数包括剪切力的切 向、 径向、 轴向切削系数以及犁切力的切向、 径向、 轴向切削系数； 步骤二， 根据动态切削力模型， 对比不同切削参数对动态切削力频率成分的影响， 得到 不同切削参数下的动态切削力的频率成分系数均与每齿进给量成线性关系， 将动态切削力 模型表示成每齿进给量的函数， 建立分频段 的动态切削激振力模型； 所述切削参数包括切 削速度、 进给量及切削深度； 步骤三， 虚拟信号发生器用于生成周期性的任意函数激振信号； 根据步骤二中得到的 分频段的动态切削激振力模型， 利用虚拟信号发生器发出虚拟信号模拟切削过程中的动态 激振； 步骤四， 虚拟信号发生器发出的虚拟信号通过数模转换器转换成模拟的 电压信号， 模 拟的电压信号经 过功率放大器放大后， 输送到非接触式电磁激振器的交流输入； 步骤五， 非接触式电磁激振器的交流输入信号与直流输入信号共同构成动态激振信 号， 驱动非接触式电磁激振器工作， 通过非接触式电磁激振器输出动态切削激振力， 以模拟 加工过程中反映切削工艺特性的动态切削激振力。 步骤六， 通过位移测量模块与应 变测量模块测量机床传递 函数， 评价机床静动态特性。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115032104 A 26.根据权利要求5所述机床静动态特性评价的方法， 其特征在于， 步骤一中， 刀具微元 的切削力与剪切效应和犁切效应有关， 而刀具微元 的犁切力的大小与刀刃的长度有关， 刀 具微元对工件的切削力表示 为如下公式： 式中， t为每齿进给量， dh为微元切削刃厚度， θ为刀尖在一个周期内的转角， dft、 dfr、 dfa分别为刀具微元的切向剪切力、 径向剪切力和轴向剪切力， dA为微元刀刃产生的切屑剪 切端面面积； kts、 krs、 kas分别为剪切力的切向、 径向、 轴向切削系数， ktp、 krp、 kap分别为犁切 力的切向、 径向、 轴向切削系数。 7.根据权利要求5所述机床静动态特性评价的方法， 其特征在于， 步骤二中， 将动态切 削力模型表示成每齿 进给量的函数的表达式如下： 其中， F为总切削力， a为刀具角速度， t为每齿进给量， kn与bn为傅里叶展开 式系数， k0t+ b0是切削力成分中的静态力， knt+bn是不同每齿进 给量时切削力中各个频率成分的系数， 其 含义为不同每齿 进给量对应频率成分包 含的能量。 8.根据权利要求5所述机床静动态特性评价的方法， 其特征在于， LabVIEW是一种图形 化编程语言， 虚拟信号发生器能够模拟任意 函数作为输入端发出的信号。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115032104 A 3