[發明專利]一種深孔鏜削加工顫振的在線監測與抑制方法

有效

• 申請號: 201910013374.X
• 申請日: 2019-01-07
• 公開（公告）號: CN109746762B
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 劉志兵;陳掣;王西彬;王耀武;焦黎;梁志強;滕龍龍;沈文華;陳暉
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: B23Q17/00
• 分類號: B23Q17/00;B23B47/00;B23Q11/00
• 代理公司: 北京慕達星云知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11465
• 代理人: 李冉

1.一種深孔鏜削加工顫振的在線監測方法，其特征在于，顫振的在線監測方法如下：

步驟（1），構建深孔鏜削加工顫振的在線監測系統，其包括：深孔鏜床、電流放大器、數據采集卡、工控機和控制器；所述電流放大器、數據采集卡、工控機和控制器依次電性連接；

所述深孔鏜床上固定連接夾具部、電機及鏜桿，所述電機與所述鏜桿固定連接，工件置于所述夾具部內，所述鏜桿的端部設置浮動鏜刀，所述浮動鏜刀對所述工件進行深孔鏜削加工；所述夾具部及電機分別與所述電流放大器電性連接；所述夾具部及電機分別與所述控制器電性連接；

步驟（2），構建浮動鏜刀鏜削加工動力學模型：包括以下步驟：

（2.1），所述浮動鏜刀為對稱結構，選取其中一半刀具作為研究對象；

（2.2），依據動力學公式：，對刀具進行動力學分析；其中，M為系統質量、C為系統阻尼、k為系統剛度，β為刀具切削方向與豎直平面的夾角，F（t）為顫振狀態下切削力的大小，為浮動鏜刀位移量，為浮動鏜刀鏜削速度，為浮動鏜刀鏜削加速度；

（2.3），在再生型顫振的影響下計算得到浮動鏜刀實際切削量為：；其中，為理論切削量，單位mm，T為鏜削加工周期，單位s，為浮動鏜刀位移量，為鏜削一個周期后浮動鏜刀位移量；

（2.4），假設所述顫振狀態下切削力的大小為：；其中，b為鏜削寬度系數，k_s為鏜削剛度系數；

（2.5），將所述步驟（2.3）和（2.4）中的公式代入步驟（2.2）中的動力學公式中，對進行拉普拉斯變換得到傳遞函數；其中，是對進行拉普拉斯變換得到傳遞函數，，其中，ζ為鏜削振動系統的阻尼比，，p為鏜削系統的固有頻率，；

（2.6），依據所述步驟（2.5），當時，再生型顫振處于臨界狀態，利用Nyquist穩定性判據，將帶入到公式中計算得到再生型顫振臨界狀態下的公式：；其中，j為虛部常數，i為虛數單位；

（2.7），對所述步驟（2.6）中的臨界狀態公式進行求解得到：；其中；

（2.8），根據所述步驟（2.7）中的臨界狀態公式推導得到鏜削加工周期T：；a為任意常數；

（2.9），根據所述步驟（2.6）中的臨界狀態公式以及步驟（2.8）中的鏜削加工周期T，計算得到臨界狀態下的轉速和極限切削厚度：

；

步驟（3），建立驅動電機電流信號與鏜削加工動態特性的關系，包括如下步驟：

（3.1），計算主軸電機轉矩和有效電流的比例關系：；其中，M_m為主軸電機轉矩，K為轉矩常數，i為主軸電機輸出有效電流，M_f為摩擦切割轉矩，M_c為機床傳動系統等效到電機上的轉矩，ω為角速度，J為轉動慣量，ε為角加速度，C為系統等效阻尼；

（3.2），假設鏜削系統凈切削功率為p，系統載荷磨損系數為k₁，；

（3.3），鏜削系統隨著時間的變化，機床動態特性也會發生改變，假設隨時間變化的機床動態特性為：；

（3.4），根據所述步驟（2.4）和步驟（3.3）計算得到切削力與機床動態特性的關系式：；

（3.5），根據所述步驟（3.4）中的公式計算得到鏜削系統的凈切削功率：；其中，v(t)為加工過程中的瞬時速度；

（3.6），將所述步驟（3.2）-（3.5）的公式帶入到步驟（3.1）的公式中，并進行整理得到：；由上式可知，系統的動態特性發生改變會直接影響驅動電機電流信號的改變；

步驟（4），提供一種基于狀態空間法估計電流放大器和系統結構模態的干擾，其中，狀態空間建立具體包括如下步驟：

（4.1），所述步驟（3.6）中整理得到的公式：；為驅動電機電流信號與系統動態特性相關的關系式；

（4.2），系統加工連續時域中的空間模型由狀態矩陣A、輸入矩陣B、輸出矩陣C、直接傳遞矩陣D組成；

（4.3），假設鏜削加工系統是一個線性定常系統，該系統的狀態方程和輸出方程的經驗公式為：，其中，是系統干擾噪聲，是測量噪聲，是系統中的輸入向量；電流放大器和系統結構模態的干擾導致的擾動轉矩為，在實際計算中為簡化計算不考慮噪聲的干擾，且系統中直接傳遞矩陣D也忽略不計；

（4.4），在不考慮噪聲的情況下鏜削加工系統的傳遞函數為：，其中I是單位矩陣；

（4.5），設在線監測系統中狀態矩陣為、輸入矩陣為、輸出矩陣為，系統中反饋增益系數為U，鏜削加工周期為T，根據所述步驟（4.3）中的經驗公式，計算得到監測系統的狀態函數為；輸出函數為：；

（4.6），實際監測系統與理論檢測系統的誤差為：，經過一個周期后的監測系統誤差為：，由誤差公式表明電流放大器誤差傳遞與輸入矩陣無關；

（4.7），根據所述步驟（4.5）中的公式，得到監測系統的傳遞函數為：；

（4.8），根據所述步驟（4.4）、（4.7）中的公式得到測量轉矩與擾動轉矩之間的傳遞函數為：；

步驟（5），通過步驟（4）去除電流放大器與結構模態的干擾后，將電流放大器采集到的實際加工電流與理論加工電流進行對比，實現對早期顫振的在線監測。