[發明專利]一種多軸銑削加工顫振主動控制設備及抑制方法

在審

• 申請號: 202210812026.0
• 申請日: 2022-07-11
• 公開（公告）號: CN115138903A
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發明（設計）人: 唐小衛;彭芳瑜;高順;閆蓉;楊慰
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B23C9/00
• 分類號: B23C9/00;B23Q11/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 孔娜

本發明屬于銑削加工相關技術領域，其公開了一種多軸銑削加工顫振主動控制設備及抑制方法，所述抑制方法包括以下步驟：(1)采集刀具的振動狀態，并基于采集到的振動狀態數據依據控制律計算得到此時壓電作動器用于抑制顫振所需的控制電壓；(2)施加計算得到的該控制電壓給壓電作動器，使得壓電作動器進行作動以產生作動力而作用于刀桿，由此實現對刀具顫振的抑制。本發明利用激光位移傳感器實時測量刀具的振動狀態，基于主動控制律計算控制電壓并輸出給壓電作動器，以實現實時控制，且提高了準確性。

技術領域

本發明屬于銑削加工相關技術領域，更具體地，涉及一種多軸銑削加工顫振主動控制設備及抑制方法。

背景技術

在銑削加工中，顫振是影響加工效率的重要因素，發生顫振時，刀具與工件發生劇烈的相對振動，影響零件的加工表面質量，損傷刀具，嚴重時甚至會造成機床本體的破壞，多軸銑削加工在諸如螺旋槳，渦輪葉片等復雜曲面類零件的加工中應用越來越廣，通過變換刀軸矢量可以在一個工序中完成復雜的刀路加工，其刀具可達性好，可以避免刀具與工件之間的干涉，然而，刀軸矢量變化帶來銑削力的變化，同時，考慮銑削加工中的再生效應，系統為時滯時變系統，在加工時可能導致顫振。因為刀軸矢量發生變化的過程中刀具在空間中的位置發生改變，如果固定作動器在空間中的位置，則不能實現對于刀軸矢量改變時的顫振控制，因此，必須使得多軸銑削顫振主動控制裝置與主軸端固定連接。作動器是銑削加工顫振主動控制的核心部件，提供主動控制所需要的主動控制力，壓電作動器具有體積小，響應快，輸出力大等優點，在顫振控制領域被廣泛使用。

針對銑削加工系統施加主動控制以抑制顫振的發生，保證加工質量，本質是抑制刀具與工件之間的相對振動，因此，可以對工件或者刀具施加控制來抑制其振動。現有的在工件端施加主動控制的方式需要作動器作動工件以抵消刀具與工件之間的相對振動，但在大型零件加工中應用較為困難，作動工件運動需要提供較大的能量。同時，現有的對工件端施加控制主要針對三軸銑削，在使用細長刀具進行多軸銑削加工時刀具更易發生振動，此時作動器的作動力在工件端所在的平面與刀軸矢量不再垂直，經過投影之后的控制力才能直接控制刀具與工件之間的相對振動，造成控制力的浪費。現有的控制刀具端的主動控制中，作動器大都被安裝于電主軸端，然而在拆裝主軸的過程中可能會造成電主軸損壞，同時，在電主軸端施加主動控制力以抑制集中在刀尖的銑削力導致的刀具振動需要較大的控制力，消耗較大的能量。同時現有的主動控制方法對模型本身的變化探究極少，且一般認為控制作用于刀尖點，這與實際不相符，控制模型不夠精確，對控制作用下實際的物理系統特性變化求解也不夠精確。

針對上述問題，本發明針對多軸銑削加工的顫振，控制刀桿處的振動以抑制刀尖的振動，降低了作動器的能量消耗，為了方便地調節作動力控制刀桿的位置，本發明設計的控制設備擁有垂直與水平位置調節功能。同時，本發明提出了控制設備的使用方法。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種多軸銑削加工顫振主動控制設備及抑制方法，其控制銑削加工中刀具的振動以抑制顫振。主動控制設備以壓電作動器為核心，當刀具因銑削加工中銑削力的作用導致振動時，采用激光位移傳感器實時測量刀具的振動狀態并將其傳遞到上位機顫振控制軟件中，控制軟件根據選定的控制方法和當前的系統振動狀態值計算此時的控制電壓值，輸出數字信號給壓電作動器的控制器進而輸出電壓來控制壓電作動器來進行運動，壓電作動器伸長，因控制設備與刀具限制了壓電作動器的首尾端的位移，因此被限制的位移轉換為輸出力施加于刀具，以此來控制刀具的振動狀態以達到減小刀具與工件之間的相對振動的目的，實現顫振控制。同時，針對設計的基于壓電作動器的多軸銑削加工顫振主動控制裝置，根據壓電作動器作動力輸出的位置推導了以壓電作動器作動力為輸入，刀桿位移響應為輸出的傳遞函數模型，結合選定的控制規則推導了控制作用下的刀尖傳遞函數模型。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種多軸銑削加工顫振的抑制方法，該抑制方法包括以下步驟：