數(shù)控機(jī)床切削加工過程顫振抑制技術(shù)的研究

1、第18卷第1期2006年3月北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)J.NORTHCHINAUNIV.OFTECH.Vol.18No.1Mar.2006韓志華(,總結(jié)了國(guó)內(nèi)外對(duì)切削顫振,探討了通過控制主軸轉(zhuǎn)速抑制顫振的原理、方法、可行性,并提出了,從而為提高加工效率提供可循的加工依據(jù).關(guān)鍵詞切削自振;顫振抑制;切削寬度分類號(hào)TH161+.6數(shù)控機(jī)床的加工精度在一定程度上取決于切削加工中顫振對(duì)其產(chǎn)生的影響,顫振的產(chǎn)生不僅制約了數(shù)控機(jī)床在加工過程中的生產(chǎn)效率,而且還會(huì)在加工工件的表面留下波紋,影響加工精度.目前,通過廣泛的研究發(fā)現(xiàn):切削自振頻率往往接近于主軸部件橫向振動(dòng)的低階固有頻率,這說明此時(shí)主軸部件是主振部件,它的低

2、階橫向振動(dòng)模態(tài)是決定機(jī)床抵抗切削自振能力的主要模態(tài)1.因此,在單獨(dú)分析主軸部件時(shí),可以認(rèn)為主軸前端在切削部位的激振點(diǎn)動(dòng)柔度反映主軸部件抵抗切削自振的能力,往往也在很大程度上反映了整機(jī)抵抗切削自振的能力,此動(dòng)柔度最大負(fù)實(shí)部的值越小,主軸部件抵抗切削自振的能力越強(qiáng),可以用來作為相對(duì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)2.同時(shí),機(jī)床主軸部件的轉(zhuǎn)速與切削自振有很大的聯(lián)系.近年來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的實(shí)驗(yàn)研究,設(shè)計(jì)了通過改變主軸轉(zhuǎn)速來抑制顫振的各種系統(tǒng).本文將對(duì)其中通過控制主軸前后轉(zhuǎn)的相位差抑制顫振的方法加以分析.作用下,刀具與工件之間也可能產(chǎn)生強(qiáng)烈的相對(duì)振動(dòng).振動(dòng)時(shí),將產(chǎn)生動(dòng)態(tài)切削力,并在工件的加工表面殘留明顯的、有規(guī)律的振紋

3、,這種現(xiàn)象的振動(dòng)屬于自激振動(dòng),簡(jiǎn)稱顫振.如圖1示.自激振動(dòng)是穩(wěn)定的等幅振動(dòng),因此,自激振動(dòng)形成的條件是,在同一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)從能源輸入系統(tǒng)的能量等于系統(tǒng)消耗的能量.顯然,當(dāng)消耗的能量得不到補(bǔ)充,振動(dòng)就會(huì)逐漸衰減;反之,輸入的能量如果有余,振動(dòng)就會(huì)增大2.1.1自振系統(tǒng)中輸入能量的條件在一定條件下才能對(duì)自振系統(tǒng)輸入能量起自激振動(dòng).常見的有:振動(dòng)位移滯后于系統(tǒng)的交變作用力P,或?qū)坝谙到y(tǒng)的交變阻力F.設(shè)交),振動(dòng)體的位移變的作用力P=Qcos(t+x=Acost,為振動(dòng)的角頻率,即振動(dòng)位移滯后于交變作用力角.因此,交變作用力在一個(gè)振動(dòng)周期T=2/內(nèi),向系統(tǒng)所做的功為UP=P xdt)(-=Qcos(

4、t+0T1切削顫振的產(chǎn)生機(jī)理機(jī)床進(jìn)行切削加工時(shí),在沒有周期性外力Asint)dt(1)=QAsin),它在一對(duì)于交變阻力F=Rcos(t-收稿日期:2005-09-20第一作者簡(jiǎn)介:韓志華,碩士研究生.主要研究方向:機(jī)電一體化技術(shù)、設(shè)備故障診斷等.© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 26北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第18卷化量.(2)個(gè)周期內(nèi)對(duì)系統(tǒng)所做的功為:Uf=-F xdt=-RAsin由式(1)可知,在0<<180°時(shí),Up>0,

5、有能量輸入系統(tǒng),且=90°時(shí),Up達(dá)到最大值;由(2)可知,當(dāng)-180°<<0時(shí),Up>0,且=-90°時(shí),Up達(dá)最大值.由第一種情況可知:當(dāng)=90°時(shí),顫振振幅最大,對(duì)加工過程危害極大,當(dāng)=270°時(shí)加工最穩(wěn)定.度變化引起)和下降特性().目前國(guó)內(nèi)外的3.再生顫振原理可以利用簡(jiǎn)單的直角切削過程加以解釋.如圖1所示.2顫振的抑制顫振的控制方法現(xiàn)已有多種,其主要包括:5.振動(dòng)控.如主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、刀具參數(shù)等.其中,以對(duì)調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速控制顫振的方法研究最為深入.Smith發(fā)現(xiàn)顫振頻率、切削系統(tǒng)固有頻率和主軸轉(zhuǎn)速之間有一個(gè)復(fù)雜關(guān)系,

6、當(dāng)調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速,使顫振頻率等于切削系統(tǒng)固有頻率時(shí),刀具振動(dòng)波形和工,系統(tǒng)穩(wěn)定性最件表面波紋之間相位差等于2佳,顫振得到抑制5.其中一種通過主軸轉(zhuǎn)速抑制顫振的方法是通過連續(xù)改變主軸轉(zhuǎn)速來抑制切削顫振,簡(jiǎn)稱為變速切削法.它的減振機(jī)理是通過連續(xù)改變主軸轉(zhuǎn)速,使切削過程剛度特性和阻尼特性在很短時(shí)間內(nèi)快速改變,破壞再生型顫振產(chǎn)生和發(fā)展的條件,以此避免再生型顫振的產(chǎn)生和惡化.變速切削法的優(yōu)點(diǎn)是它適用于不同動(dòng)態(tài)特性的切削系統(tǒng),不存在最佳切削速度的選擇問題,對(duì)它來說,調(diào)整的參數(shù)只是速度變化的形式和幅度.但變速切削法在實(shí)際應(yīng)用中還存在一定的問題.在后來的試驗(yàn)中指出:由于機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)存在較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和低的響應(yīng)特

7、性,大的轉(zhuǎn)速變動(dòng)率和大的轉(zhuǎn)速變動(dòng)量幅值不易得到.在機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)剛度很低,加工時(shí)非常容易產(chǎn)生再生顫振的情況下,變速切削對(duì)抑制顫振不僅沒有效果,反而會(huì)加劇顫振.此外,變速切削不適用于精加工中的顫振抑制,而且還會(huì)造成很大的瞬間電流通過驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī).圖1直角切削中的再生顫振假定一個(gè)平面直角切削刀沿垂直于圓柱型軸的方向進(jìn)給,軸夾在卡盤和車床尾架之間.主軸在進(jìn)給方向是柔性的,并且進(jìn)給切削力Ff引起主軸振動(dòng).初始工件表面是光滑沒有波紋的,第一轉(zhuǎn)切削后由于在進(jìn)給y方向工件的彎曲振動(dòng),在工件表面留下波紋,方向?yàn)閺较蚯邢髁f的方向.當(dāng)?shù)诙D(zhuǎn)開始,刀具將在上次切削所產(chǎn)生的振紋y(t-T)的基礎(chǔ)上繼續(xù)切削,并在工件表

8、面留下本次切削的振紋y(t).4因此,隨之產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)切削厚度不再是常數(shù),而是隨振動(dòng)頻率和工件轉(zhuǎn)速變化的函數(shù).一般動(dòng)態(tài)切削厚度可以表示為:h(t)=h0-y(t)-y(t-T)3主軸轉(zhuǎn)速的在線尋優(yōu)控制在線尋優(yōu)控制機(jī)床轉(zhuǎn)速的3種方法6:(1)基于穩(wěn)定區(qū)搜索在線尋優(yōu)控制主軸轉(zhuǎn)速;(2)通過測(cè)定顫振頻率對(duì)主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行在這里h0是已知的切削厚度,它等于機(jī)床的進(jìn)給率.y(t)-y(t-T)本次切削所殘留下的振紋與上次切削所產(chǎn)生振紋之差,即切削厚度的變線尋優(yōu)控制;(3)通過控制工件相鄰兩轉(zhuǎn)間的顫振相位© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Pub

9、lishing House. All rights reserved. 第1期韓志華羅學(xué)科張超英:數(shù)控機(jī)床切削加工過程顫振抑制技術(shù)的研究差進(jìn)行主軸轉(zhuǎn)速在線尋優(yōu)控制.目前,控制工件相鄰兩轉(zhuǎn)間的顫振相位差進(jìn)行主軸轉(zhuǎn)速在線尋優(yōu)控制理論和技術(shù)已發(fā)展較為成熟:吉林大學(xué)于俊一給出:以切削表面前后兩轉(zhuǎn)切削振紋間的相位差=270°作為調(diào)整機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速的尋優(yōu)目標(biāo),該方法給出了在小范圍主軸轉(zhuǎn)速尋優(yōu)的前提下,尋找機(jī)床切削穩(wěn)定性的袋狀曲線的兩袋之間最高點(diǎn)的簡(jiǎn)捷有效的方法7.削寬度,.連續(xù)改振的穩(wěn)定切削點(diǎn).以穩(wěn)定切削點(diǎn)對(duì)應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行切削可以提高機(jī)床切削效率.通過試驗(yàn)證明:隨著顫振的產(chǎn)生,該相位差由無序狀態(tài)

10、逐漸過渡到穩(wěn)定狀態(tài),并且相位差在顫振產(chǎn)生初期就已經(jīng)相對(duì)穩(wěn)定.鑒于在切削加工過程中,主軸的轉(zhuǎn)速是在一定的范圍內(nèi)變化的,可以利用等工件間隔采樣通過互功率譜密度方法實(shí)現(xiàn)相位差的精確在線測(cè)試.27行研究,找出其各階固有頻率和主振型、主軸前端在切削部位的激振點(diǎn)動(dòng)柔度,以激振力作用點(diǎn)的激振力為輸入,主軸前端切削部位所測(cè)得的位移響應(yīng)為輸出的交叉動(dòng)柔度等.主軸部件的動(dòng)力特性分析可采用有限元分析法,可將主軸部件簡(jiǎn)化為一系列彈性梁,由于阻尼對(duì)9.,根據(jù)前兩階或三階固有頻率和振型分析:主軸部件哪階模態(tài)對(duì)前端切削點(diǎn)處的直接和交叉動(dòng)柔度影響很大,哪階是優(yōu)勢(shì)模態(tài),這樣便可找出容易激發(fā)系統(tǒng)的自激振動(dòng).并能在主軸部件動(dòng)態(tài)優(yōu)化

11、設(shè)計(jì)時(shí)加以改進(jìn)8.利用此法分析機(jī)床的顫振,需要對(duì)機(jī)床的局部部件,尤其是主軸部件、機(jī)床-工件-刀具系統(tǒng)做模態(tài)分析,這需要專門的實(shí)驗(yàn)設(shè)備(正弦掃描信號(hào)發(fā)生器、激振器、功率放大器)等,盡管可以知道機(jī)床的各階固有頻率,但測(cè)試周期長(zhǎng),而且由于是在靜態(tài)下測(cè)量,和實(shí)際切削加工還有一定的誤差.4機(jī)床切削穩(wěn)定性的判別方法機(jī)床切削的穩(wěn)定性,就是指機(jī)床抵抗顫振的能力.機(jī)床切削時(shí),從穩(wěn)定切削到發(fā)生顫振存在著明顯的邊界,這個(gè)邊界極限就是穩(wěn)定性的極限.由于在一定的切削條件下,極限切削寬度blim的大小直觀反映機(jī)床切削穩(wěn)定性的好壞,因此,常用它作為評(píng)定機(jī)床切削穩(wěn)定性的指標(biāo),blim越大的機(jī)床,其切削穩(wěn)定性越好.再生顫振中,

12、blim=)max2kc-U(圖2極限切削深度裝置示意圖此外,還有一種較簡(jiǎn)便的極限切削深度的確定方法:將試件切出若干段圓錐表面,如圖2(a)所示.試驗(yàn)時(shí)將圓錐表面切削成圓柱面.這樣在開始切削時(shí)保證了切削寬度足夠小,不會(huì)引起切削顫振,振動(dòng)響應(yīng)的幅值很小,切削過程穩(wěn)定.隨著切削的深入,切削寬度加大,振動(dòng)幅值也迅速增大,產(chǎn)生顫振3.此時(shí)的切削深度即為極限切削深度:plim=L+p0式中p0為初始切深,mm;L為從開始切削到顫振刀具起振在軸線方向上移動(dòng)的位移,mm;為被切工件表面斜角.起振點(diǎn)的判斷采用如下方法:,其中)為機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性的實(shí)部,kc為切削U(剛度,表示單位切削寬度下,單位切削厚度產(chǎn)生

13、的切削力.)只有在進(jìn)行整機(jī)分析才能獲然而,U(得,通過大量的整機(jī)分析和切削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):切削自振頻率往往接近于主軸部件橫向振動(dòng)的低階固有頻率,這說明此時(shí)主軸部件是主振部件,它的低階橫向振動(dòng)模態(tài)是決定機(jī)床抵抗切削自振能力的主要模態(tài)8.因此,有必要對(duì)主軸部件進(jìn)© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 28北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第18卷(1)連續(xù)拾取機(jī)床切削系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)信號(hào),因而得到了廣泛的研究.試驗(yàn)證明:通過計(jì)算機(jī)仿真可以很好地對(duì)不同的加工條件下的切削狀態(tài)做出模擬,很好地

14、預(yù)測(cè)機(jī)床加工狀態(tài),從而可以選取合適的加工參數(shù)優(yōu)化加工過程,提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本.這種模擬仿真技術(shù)是基于數(shù)字計(jì)算機(jī),切削機(jī)理,.,而且6.因此,有助于更全面理解機(jī)床系統(tǒng),同時(shí)可以輔助機(jī)床操作者選擇優(yōu)化的切削參數(shù).目前,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)銑削加工過程做了較深入的研究,并且建立了符合實(shí)際生產(chǎn)需求的仿真系統(tǒng).對(duì)于本文所探討的車削仿真技術(shù),在現(xiàn)有的銑削加工仿真研究基礎(chǔ)上,主要要解決好以下幾個(gè)問題.(1)對(duì)車削加工過程中的切削力建模.以測(cè)試切削力比和切削厚度比為基礎(chǔ),在穩(wěn)態(tài)自由切削過程的量綱分析基礎(chǔ)上,考慮刀具的前角對(duì)切削過程的幾何形狀的影響,切削厚度和切削速度對(duì)切削過程的應(yīng)變速率和熱效應(yīng)的影響.通過

15、有限的幾次穩(wěn)態(tài)切削試驗(yàn),測(cè)量出切削厚度比和切削力比,根據(jù)Merchant模型計(jì)算出剪切角和摩擦角,并計(jì)算出由切削厚度比、切削力比和剪切角表達(dá)的動(dòng)態(tài)切削力的公式.此方法建立的數(shù)學(xué)模型認(rèn)為,剪切角在動(dòng)態(tài)切削時(shí)是變化的,較切合實(shí)際,因此,可獲得較好的試驗(yàn)結(jié)果.(2)根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的切削力模型,求出模型系數(shù),用統(tǒng)計(jì)回歸方法分析.(3)切削過程顫振穩(wěn)定域研究與仿真實(shí)現(xiàn).并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理;(2)分段求取歸一化后振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)落在-0.8412,0.8412區(qū)間內(nèi)頻率(概率)P值;(3)P>0.5時(shí),切削過程起振,此時(shí)的切削深度即為極限切削深度1,3.用此法可方便的測(cè)出穩(wěn)定切削點(diǎn)的極限切削深度

16、.圖3中穩(wěn)定性極限耳垂線之上為不穩(wěn)定區(qū),耳垂線之下為穩(wěn)定區(qū),(b)min.中,因此往往很難判定顫振發(fā)生的特征閾值,因此很難避免誤判和漏判.而平穩(wěn)切削和顫振時(shí)切削系統(tǒng)振動(dòng)在頻域內(nèi)能量分步有著顯著的差別,在顫振增幅剛剛開始增大階段,切削振動(dòng)能量就已集中在一個(gè)十分窄的頻段內(nèi),而且頻率中心往往與切削系統(tǒng)的低階固有頻率接近,因此在頻域內(nèi)提取的特征量比在時(shí)域內(nèi)提取的特征量具有更大的準(zhǔn)確性和可預(yù)測(cè)性5.圖3切削過程穩(wěn)定性圖5加工過程不穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀及以實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)為基礎(chǔ)求出刀具-工件系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)(固有頻率、等效剛度、等效阻尼、固有振型、模態(tài)矩陣等),計(jì)算系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)切削力,在主模態(tài)附近選擇顫振頻率并求

17、解特征方程,計(jì)算臨界切削寬度,對(duì)于每個(gè)穩(wěn)定葉瓣計(jì)算主軸轉(zhuǎn)速,掃描所有模態(tài)附近的顫振頻率,并重復(fù)以上工作.在此基礎(chǔ)上分析影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要參數(shù)(如主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、阻尼、剛度)對(duì)穩(wěn)定性的影響,從而進(jìn)一步精確顫振穩(wěn)定域仿真模型.趨勢(shì)目前,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,利用各種仿真技術(shù)模擬機(jī)床的加工過程,從而預(yù)報(bào)機(jī)床的不穩(wěn)定性已經(jīng)成為一種趨勢(shì),而且這種模擬可以把機(jī)床加工過程中的非線性因素考慮進(jìn)去,© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第1期韓志華羅學(xué)科張超英:數(shù)控

18、機(jī)床切削加工過程顫振抑制技術(shù)的研究在國(guó)內(nèi),目前已開發(fā)出面向銑削加工過程動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)化系統(tǒng).基于此,考慮車削加工過程的特殊性,在綜合考慮生產(chǎn)效率、加工成本、最大利潤(rùn)的前提下,同時(shí)考慮相關(guān)約束條件建立合理目標(biāo)函數(shù)來優(yōu)化模型.基于計(jì)算機(jī)仿真的數(shù)控車削加工過程顫振的研究,可以為生產(chǎn)加工節(jié)省不必要的浪費(fèi),同時(shí)為加工過程提供合理的參數(shù).隨著計(jì)算機(jī)仿真、信號(hào)處理、自動(dòng)控制、等一系列理論、,29工況的顫振控制要求,需研究多自由度系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速尋優(yōu)控制策略.另外還要研究時(shí)變系統(tǒng)條件下的自適應(yīng)主軸轉(zhuǎn)速尋優(yōu)控制方法,使在線尋優(yōu)控制機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速發(fā)展成為一門實(shí)用的顫振控制技術(shù).基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展(如TL.通過

19、對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)過程,可以對(duì)機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).利用各種建模軟件(如ANSYS)對(duì)機(jī)床系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,找出整體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié).結(jié)合振動(dòng)模態(tài)分析理論,通過對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化和選擇合適的參數(shù),在最大切削效率同時(shí)保證切削精度的前提下加工工件.6結(jié)論現(xiàn)有的主軸轉(zhuǎn)速在線尋優(yōu)控制研究都是以單自由度線性系統(tǒng)為研究對(duì)象,為了適應(yīng)復(fù)雜參考文獻(xiàn)1李寶靈,高尚晗,高中庸,韋高.金屬切削過程中自激OnMachiningInstabilityAndTheAssociatedMoni2toryControlAlgorithms.ProceedingsofFifthInter2nationalConferenceonFro

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