专利名称：一种基于指令序列的数控车削加工过程振动抑制方法
技术领域：
本发明属于机械制造自动化领域，具体涉及一种基于数控加工程序指令序列的数 控车削加工过程振动抑制方法。该方法旨在提高数控加工的稳定性，避免加工过程中出现 强烈的振动，即抑制颤振的发生。该方法适用于精密加工、柔性制造、无人化加工等领域。
背景技术：
数控机床是一种高效的自动化加工设备，它严格按照加工程序，自动的对被加工 工件进行加工，把从数控系统外部输入的直接用于加工的程序称为数控加工程序，数控加 工程序表示了数控机床要完成的全部动作。一个完整的数控加工程序由程序名、程序内容 和程序结束指令三部分组成，程序内容是整个数控加工程序的核心，它由若干个程序段组 成，每个程序段是一个完整的加工工步单元，它由若干个指令字组成。指令字是指一系列按 规定排列的字符，作为一个信息单元存储、传递和操作。指令字是由一个英文字母与随后的 若干位十进制数字组成，这个英文字母称为地址符。如“X250”是一个指令字，X为地址符， 数字“250”为地址中的内容。指令字是数控加工程序中最小的有效单位。把一个数控加工 程序的程序段按照加工顺序进行排列，所构成的一个序列，称为指令序列。通常，数控加工 程序在执行过程中，会预先把即将要执行的程序段加载到缓冲区，经过解释后，再进行插补 等一系列处理，最后被执行。机床切削颤振是发生在刀具系统与工件系统之间的强烈自激振动，它的产生，与 机床本身的动态特性以及加工材料的力学特性均有关，影响因素非常多。随着无人化工厂 以及柔性制造等的发展，切削颤振日益成为一个制约因素；与此同时，在航空航天等领域， 为了提高加工效率，往往采用较大的切削用量(包括背吃刀量、侧吃刀量、进给速度等)，这 也对切削颤振的控制提出了较高的要求。在下面的叙述中，为简单起见，将机床切削颤振简 称为颤振。任何机床，在以给定的工艺参数(包括机床主轴转速、进给速度、切削宽度等)进 行加工时，都可能发生颤振。然而，并非在所有的工艺参数下的加工都会发生颤振。理论 与实践均表明机床在加工过程中是否会发生颤振，与机床主轴转速及切削宽度密切相关。 称机床主轴转速与切削宽度组成的二元向量为关键参数组，记为(n，b)，其中，η表示机床 主轴的转速值，b表示切削宽度值。在此处，对切削宽度的含义做一解释对于数控车削而 言，如
图1所示，在切削过程中存在待加工表面、过度表面、已加工表面三个表面，待加工表 面与已加工表面之间的垂直距离称为背吃刀量，记为ap，有ap = (Cl2-Cl1)^(I)其中，d2为待加工表面外圆直径，Cl1为已加工表面外圆直径。过度表面与车刀的 主后刀面接触，接触部分的长度称为切削宽度，其反应了切削刃参加切削的工作长度，记为 b，有b = ap/Sinkr (2)其中&为刀具的主偏角。
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对于特定机床的任何一个具体的主轴转速值，均存在一个确定的切削宽度值blim， 称为极限切削宽度，当实际的切削宽度b满足b > blim时，颤振必然会发生；当实际的切削 宽度b满足b < blim时，加工是稳定的；当实际的切削宽度b满足b = blim时，称为临界情 形，此时一个微小的干扰即可导致颤振的发生，考虑到实际加工过程难以避免的存在各种 各样的外界或内部干扰，因此此种情形亦是不稳定的。为了将主轴转速、切削宽度与机床加 工稳定性的这种关系直观地表示出来，以主轴转速为横坐标，以主轴转速对应的极限切削 宽度为纵坐标，绘制一条曲线，称为机床加工稳定性极限曲线(图2)。曲线上方代表颤振发 生的区域，曲线下方代表稳定加工的区域，曲线本身则代表临界情形。通过刀具系统的模态 试验及切削力试验，可以获得机床加工稳定性极限曲线。具体到数控车床时，针对车刀刀尖 的模态试验(图3)，可获得数控车床的动力学参数；切削力试验则可获得切削力系数，依据 动力学参数和切削力系数可获得数控车床的稳定性极限曲线。切削力是刀具切入工件使被 加工材料发生变形而需要的力，切削力的大小与切削宽度及切削厚度的乘积成正比，比例 系数称为切削力系数，一般情况下，由于认为在给定的工艺参数下，切削力不变，故称此时 的切削力系数为静态切削力系数。当前的数控加工程序在设计编写时，只基于加工零件的几何轮廓特征，是加工轨 迹的几何信息表达，没有考虑数控机床刀具系统的动力学特性，因此，一旦在加工过程中形 成强烈的振动，由于没有有效的解决措施，将会导致零件加工质量的下降，严重的甚至会损 坏刀具乃至机床。为保证加工精度及加工安全，必须采取措施抑制切削颤振的产生。如前所述，调整 切削宽度值与转速值都是可行的方法，但在实际加工过程中，调整切削宽度值会导致零件 轮廓的变化，违背了加工意图，因此，本专利所提供的方法，将通过调整主轴转速值对数控 加工程序进行优化，以避免加工颤振的发生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于指令序列的数控车削加工过程振动抑制方法，该 方法依据数控机床动力学特性，从数控加工程序中读取加工工艺参数，实时判断加工状态， 提醒操作者是否有颤振发生并给出相应控制策略。本发明提供的一种基于指令序列的数控车削加工过程振动抑制方法，其特征在 于，该方法包括下述步骤第1步识别机床动力学参数，包括固有频率ωη，阻尼比ζ和刚度系数k ；第2步通过切削力实验，得到静态切削力系数ks切削力F模型如式(I)所示F = ksbh 式(I)其中，h为切削厚度，b为切削宽度，ks为静态切削力系数，在变化切削厚度h和切 削宽度b条件下，进行切削力实验，得到一系列数据值(h，b，F)，经线性最小二乘法辨识得 到静态切削力系数ks;第3步获取机床加工稳定性极限，制作机床加工稳定性极限曲线加工稳定性极限是指颤振发生的临界条件下的一组(n，blim)的值，η表示转速，blim 表示在该转速下的极限切削宽度；
禾Ij用式(II)和式(III)获得机床加工稳定性极限 __60w_
权利要求
一种基于指令序列的数控车削加工过程振动抑制方法，其特征在于，该方法包括下述步骤第1步识别机床动力学参数，包括固有频率ωn，阻尼比ζ和刚度系数k；第2步通过切削力实验，得到静态切削力系数ks切削力F模型如式(I)所示F＝ksbh式(I)其中，h为切削厚度，b为切削宽度，ks为静态切削力系数，在变化切削厚度h和切削宽度b条件下，进行切削力实验，得到一系列数据值(h，b，F)，经线性最小二乘法辨识得到静态切削力系数ks；第3步获取机床加工稳定性极限，制作机床加工稳定性极限曲线加工稳定性极限是指颤振发生的临界条件下的一组(n，blim)的值，n表示转速，blim表示在该转速下的极限切削宽度；利用式(II)和式(III)获得机床加工稳定性极限 <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>60</mn><mi>w</mi> </mrow> <mrow><mn>2</mn><mi>jπ</mi><mo>+</mo><msup> <mi>sin</mi> <mrow><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msup><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>ξλ</mi> </mrow> <msqrt><msup> <mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mi>ξλ</mi><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msup> <mi>λ</mi> <mn>2</mn></msup><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </msqrt></mfrac><mo>-</mo><msup> <mi>tan</mi> <mrow><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mn>2</mn> <mi>ξλ</mi></mrow><mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup><mi>λ</mi><mn>2</mn> </msup></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow>式(II) <mrow><msub> <mi>b</mi> <mi>lim</mi></msub><mo>=</mo><mo>-</mo><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>ξλk</mi> </mrow> <mrow><msub> <mi>k</mi> <mi>s</mi></msub><mi>sin</mi><mrow> <mo>(</mo> <msup><mi>sin</mi><mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn></mrow> </msup> <mfrac><mrow> <mn>2</mn> <mi>ξλ</mi></mrow><msqrt> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>ξλ</mi> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup><mi>λ</mi><mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup></msqrt> </mfrac> <mo>-</mo> <msup><mi>tan</mi><mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn></mrow> </msup> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>ξλ</mi> </mrow> <mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><msup> <mi>λ</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow>式(III)其中，ω为比ωn值稍大的频率值，j是一个整数，且大于或等于0；第4步将稳定性极限曲线保存到数控系统，在数控系统加工的过程中，根据指令序列信息得到由当前主轴转速值及切削宽度值组成的关键参数组(n，b)，将关键参数组与稳定极限曲线对比，并对数控加工程序进行优化。FDA0000029392490000013.tif
2.根据权利要求1所述的基于指令序列的数控车削加工过程振动抑制方法，其特征在 于，第3步具体包括下述过程(3. 1)在ωη附近等间距的选取比(^值稍大的频率值ω，记为ωω，m表示频率值ω 的序号；(3.2)对于j =0、1、2、…，依次以一系列频率值ωω分别代入式(II)和式(III)，求 得一系列值(n, blim)；(3. 3)以η为横坐标，blim为纵坐标绘制稳定性极限曲线。
3.根据权利要求1所述的基于指令序列的数控车削加工过程振动抑制方法，其特征在 于，第4步具体包括下述过程(4. 1)从数控系统的插补缓冲区中获取已解释完毕的待插补的指令序列信息，该信息 中包含了主轴转速值、待加工表面直径和已加工表面直径等数据，计算出切削宽度值，得到 当前主轴转速值及切削宽度值组成的关键参数组(n，b)；(4. 2)将关键参数组(n，b)与稳定性极限曲线图比照，确定(n，b)在稳定性极限中的 位置，对于超过极限范围的(n，b)，需要对其所对应的数控加工程序进行优化，此处的优化 指的是调整机床主轴转速的大小，具体如下若(n，b)处于稳定区域，则不需优化；若(n，b)处于颤振发生区域或位于曲线上，则进行优化，(b)若(n，b)处于颤振发生区域或位于曲线 上，则进行优化，调整转速，使新的关键参数组处于最临近的稳定区域； (4. 3)不断重复步骤(4. 1)和(4. 2)，直至加工结束。
全文摘要
本发明公开了一种基于指令序列分析的数控车削加工过程振动抑制方法，步骤为①通过模态实验，识别出数控机床的动力学参数；②通过切削力实验，识别切削过程的静态切削力系数；③根据①得到的动力学参数及②得到的切削力系数，制作加工过程的稳定性曲线；④将稳定性曲线存于数控系统后，便可开始加工并不断将当前工艺参数与稳定性曲线比照，对当前数控加工程序进行优化，从而实现对加工过程振动的抑制。本发明突破了传统方式先通过稳定性曲线确定工艺参数再编制数控加工程序的模式，可以直接事先编制程序，再通过数控系统实时优化程序，从而大大提高了编程效率，也使得数控加工程序的编制变得更加简易。
文档编号G05B19/404GK101984379SQ20101051874
公开日2011年3月9日 申请日期2010年10月25日 优先权日2010年10月25日
发明者周向东, 周彬, 唐小琦, 尹玲, 张敏, 毛宽民, 陈吉红 申请人:武汉华中数控股份有限公司;华中科技大学