[發明專利]一種面向無顫振高效銑削的主軸轉速自適應調整方法

有效

• 申請號: 202010435891.9
• 申請日: 2020-05-21
• 公開（公告）號: CN111618658B
• 公開（公告）日: 2021-08-10
• 發明（設計）人: 張星;陳昆弘;閆文彪;趙萬華;尹佳
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B23Q17/09
• 分類號: B23Q17/09;B23Q15/08
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

一種面向無顫振高效銑削的主軸轉速自適應調整方法，先搭建銑削顫振主軸轉速自適應調整系統；在機床銑削加工過程中，對主軸頭振動加速度數據進行采集、動態提取與拼接，對拼接后的振動加速度數據進行頻域變換計算獲得其能量譜，通過能量頻譜特征頻率能量比與閾值比較來實現銑削顫振判別；在銑削顫振狀態下，結合刀具系統固有頻率與穩定域最優轉速的量化關系，對主軸轉速自適應有向調整，并同步改變進給率，實現銑削顫振的主動抑制；在銑削無顫振狀態下，通過在確定區間逐步增大主軸轉速，對主軸轉速進行自適應增效有向調整，來提高銑削加工效率；本發明實施簡單、便捷，便于在企業加工現場進行使用。

技術領域

本發明屬于高精高效數控銑削加工技術領域，特別涉及一種面向無顫振高效銑削的主軸轉速自適應調整方法。

背景技術

高效高精度銑削加工是零件生產制造過程追求的永恒目標，銑削過程中的顫振是制約加工效率和精度進一步提高的主要不利因素之一。顫振是一種由于刀具與工件動態相互作用而形成的自激振動，除非能夠避免這種振動，否則它將導致差的表面質量和低的加工精度，嚴重時會損壞刀具或者機床。實際上，為了獲得好的加工質量和高的加工效率，銑削過程必須在無顫振狀態下進行，并且在無顫振時還需盡可能的提高加工參數。因此，如何在加工過程中實現無顫振高效加工成為了企業現場迫切解決的問題。

顫振監測是實現無顫振高效加工的手段之一，該方法利用相應機理模型和算法對切削過程中的顫振進行識別，通常可分為離線辨識法和在線辨識法。在離線辨識法中，應用最廣泛的是通過切削動力學分析來確定銑削過程的穩定域圖，并以該圖作為判斷顫振是否發生的依據，指導加工參數的選擇。但是，這種離線監測方法只能在加工前進行分析和預測，無法實現切削過程中顫振的實時監測，更無法根據監測結果在切削過程中對顫振進行主動抑制。對于顫振在線監測方法，多數利用傳感器采集切削過程中的力、振動加速度等信號，分析采樣信號的時域和頻率特征來建立顫振監測模型，然后將監測模型集成至控制系統，進而來辨識切削過程是否發生顫振。目前，國內外許多高校和科研單位都對顫振的在線辨識法進行了研究，但是現有方法僅提到了辨識的結果和效果，并未提及如何更精確和快速地實現顫振辨識，而為了減少顫振對加工過程的影響，保證加工過程的穩定性，應盡可能在最短的時間內利用對顫振最敏感的信號實現顫振的準確監測。

對于銑削顫振抑制研究，主要是通過運用主動或被動的策略或手段改變銑削系統的動力學特性，從而達到增加銑削過程穩定域、抑制銑削顫振發生和提高加工精度的目的。具體而言，常用的銑削顫振控制策略主要有以下三類：(1)變主軸轉速銑削：在加工過程中，以某種規律連續不斷地改變主軸轉速是一種備受關注的銑削顫振抑制策略。該方法的主要思路和變齒距/螺旋角類似，同樣是通過擾動加工過程中再生效應以達到顫振抑制的目的。轉速變化的類型主要包括三角、隨機、正弦以及矩形等。一般而言，如何確定最優的轉速變化幅值和頻率是一個比較復雜的問題。(2)銑削顫振的被動控制：主要通過增加銑削工藝系統的阻尼，或者使用附加系統來吸收工藝系統的振動能量，從而實現銑削顫振的抑制。比較常見的安裝在機床上的被動阻尼裝置有摩擦阻尼器、質量阻尼器和調諧質量阻尼器。(3)銑削顫振的主動控制：對于結構振動主動控制而言，在選取合適的控制策略之后，根據采集到的反饋信號(比如振動位移、加速度等)，驅動執行部件提供作動力，實現消除結構振動的目的。主動控制系統一般由監測部件、診斷部件和執行部件三個部分組成。近年來，壓電作動器和電磁作動器因其魯棒性好成為了主動控制研究中最常用的作動器，其它智能材料比如磁致伸縮材料以及磁流變液等同樣被應用于主動控制研究中。綜上所述，現有顫振抑制策略多數需要外加輔助裝置，這在企業現場復雜加工工況條件下很難被付諸實施，同時也增加了加工成本。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供了一種面向無顫振高效銑削的主軸轉速自適應調整方法，通過振動加速度數據的位移能量頻譜特征頻率能量比來實現顫振判別，在銑削顫振狀態下通過主動改變主軸轉速來實現顫振抑制，在銑削無顫振狀態下通過主動調整主軸轉速來增加切削效率，以實現無顫振高效加工；本發明具有較高實時性，能夠將顫振所造成的危害盡量降低，實施簡單、便捷，便于在企業加工現場進行使用。