[發明專利]一種電主軸銑削顫振魯棒主動控制方法及其主動控制系統

在審

• 申請號: 201810431694.2
• 申請日: 2018-05-08
• 公開（公告）號: CN108490789A
• 公開（公告）日: 2018-09-04
• 發明（設計）人: 張興武;張行;劉金鑫;陳雪峰
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 覃婧嬋

本發明公開了一種電主軸銑削顫振魯棒主動控制方法及其主動控制系統，應用于包含作動裝置的電主軸中，其中所述方法包括步驟：建立銑削顫振主動控制動力學模型；將銑削過程動力學模型轉化為線性時不變模型；分析模態攝動，并對模型進行電主軸模態攝動建模；建立銑削顫振主動控制狀態增廣模型，并利用結構奇異值方法求解控制算法；使用所設計控制算法計算電主軸系統的主動控制力，進而獲得驅動壓電作動器對電主軸系統施加主動控制力的驅動電壓。采用本發明方法和系統可有效抑制銑削加工時的顫振，擴大銑削穩定域，改善加工質量并提高加工效率。

技術領域

本發明屬于銑削加工控制技術領域，特別是一種銑削加工顫振魯棒主動控制方法及其系統。

背景技術

銑削加工廣泛應用于航空、航天、模具等行業。在銑削加工中，顫振是制約加工表面質量和生產率的關鍵因素。顫振是機床-刀具-工件構成的閉環切削系統的動態不穩定現象，根源于切削力的異常變化，造成刀具與工件之間十分強烈而持續的相對振動。顫振是切削加工中的自激振動現象，其中再生型顫振，因銑削厚度變化所產生的動態銑削力激起的自激顫振，是引起振動的主要因素。切削顫振會在零件表面留下振紋，從而降低零件加工質量；由于顫振的發生，在加工過程中不得不采取保守的切削用量從而降低機床加工效率；顫振會導致加工刀具的提前報廢，同時產生大量的噪聲污染環境。

針對銑削加工過程中的顫振現象，振動主動控制技術被應用于對銑削顫振的控制上。振動主動控制是指在振動控制過程中，根據所檢測到的振動信號，應用一定的控制策略，經過實時計算，進而驅動作動器對控制目標施加一定的影響，達到抑制或消除振動的目的。通過，實驗測定系統各動力學參數，建立銑削系統數學模型，繼而設計控制算法，這是顫振主動控制的核心；但是，銑削動力學系統比較復雜，銑削過程的復雜性不僅在于系統中時滯的存在，還在于銑削過程中刀齒旋轉切削運動的周期性，這導致銑削動力學方程中的系數呈周期性變化，從而加大了控制算法的設計難度。因此，銑削顫振主動控制方法的設計具有很大的挑戰性。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本發明提出一種電主軸銑削顫振魯棒主動控制方法及其主動控制系統，本發明考慮模型攝動的影響，從而獲得魯棒性更好的主動控制方法。

本發明的目的是通過以下技術方案予以實現，一種電主軸銑削顫振魯棒主動控制方法包括以下步驟：

第一步驟中：建立銑削顫振主動控制動力學模型：

其中：M為電主軸系統質量矩陣，C為電主軸系統阻尼矩陣，K為電主軸系統剛度矩陣，z(t)為刀具正交的x，y方向的位移向量，為刀具正交的x，y方向的速度向量，為刀具正交的x，y方向的加速度向量，b為軸向切削深度，z(t-τ)為切削系統時滯，H(t)為時變切削力系數矩陣，其周期與切削系統時滯相同為τ，F_a(t)為主動控制力；

第二步驟中：對時變切削力系數矩陣H(t)在其一個周期τ內取平均值：

式中：為平均后的切削力系數矩陣；和為平均后的切削力系數；

利用逼近算法和狀態增廣將切削系統時滯z(t-τ)線性化：

式中：表示2L維狀態向量，表示2L×2L維矩陣，表示2L×2維矩陣，表示2×2L維矩陣，為表示2×2維矩陣；

第三步驟中：利用線性分式變化方法建立電主軸模態攝動模型：