基于刚度变化的铣削颤振抑制方法及铣削颤振优化系统与流程

本发明属于铣削加工领域，特别是一种基于刚度变化的铣削颤振抑制方法及铣削颤振优化系统。
背景技术：
：目前的数控加工正朝着高速化的方向发展，在高速加工环境下不但能实现高的加工效率，保持较低的切削温度延长铣刀使用寿命，同时也使得加工薄壁零件成为了可能。然而在机床高速加工过程中，存在一种严重影响加工质量和加工效率的颤振现象。颤振是在刀具和工件之间的一种自激振动，颤振的发生会造成巨大的经济损失，比如刀具磨损，工件表面质量恶化，降低加工效率等等。颤振抑制的研究可以大幅度增加刀具寿命，提高加工效率和加工质量，对实际生产加工有着重要的意义。在以往铣削颤振抑制中，尚未发现关于通过刚度实时变化来抑制颤振的研究。通过变刚度的方法进行铣削颤振抑制，算法简单，不需要构造复杂算法，控制信号由信号发生器即可产生；实验设备简单，仅需要在原有刀柄的基础上外加一个轴承，并把作动器顶在轴承外圈即可。因此，研究通过刚度变化的方式进行铣削颤振抑制具有很大的实际应用潜力。在
背景技术：
部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。技术实现要素：针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于刚度变化的铣削颤振抑制方法与系统，本发明通过铣削系统刚度实时变化来提高稳定性叶瓣图，从而达到铣削颤振抑制的目的。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。本发明的一个方面，一种基于刚度变化的铣削颤振抑制方法包括以下步骤：第一步骤中，首先建立坐标系，以铣刀顶部中心为原点，以进给方向为ox轴，oy轴垂直于进给方向，对铣刀进行锤击模态测试以得到x和y方向的模态质量mx，my、模态刚度kx，ky、模态阻尼cx，cy。第二步骤中，对预定的工件材料进行铣削力系数测试以得到铣削力系数，其中，铣刀直线铣削以测试不同进给速度下的铣削力，对铣削力和进给速度进行拟合得到切向切削力系数和径向切削力系数ktc和krc。第三步骤中，建立刚度时变铣削动力学方程：其中，fx(t)和fy(t)分别表示x和y方向的铣削力，其中，i表示第i个刀齿，n表示铣刀齿数，a表示轴向切削深度，f为每齿进给量，第i个刀齿的位置φi(t)＝2πω/60+(i-1)2π/n，ω为主轴转速，时延τ＝60/n/ω，s＝sin(φi(t))，c＝cos(φi(t))，x(t)和y(t)为铣刀当前时刻t的x和y方向的振动位移，x(t-t)和y(t-t)为t-t时刻的x和y方向的振动位移，g(φi(t))为分段函数，其中，φst为铣刀刀齿切入角度，φex为铣刀刀齿切出角度。第四步骤中，各种刚度变化下的刚度时变铣削动力学方程稳定性分析，得到不同条件下的铣削稳定性叶瓣图，比较所述叶瓣图，选择切削极限深度最大的作为切削参数以抑制颤振。在所述的方法中，第一步骤中，在铣刀刀尖处的x和y方向分别安装加速度传感器，在刀尖的自由端用力锤分别在x和y方向进行敲击，通过对铣刀进行锤击模态实验测得的信号通过数据采集器进行采集、分析和运算以得到x和y方向的模态质量mx，my、模态刚度kx，ky、模态阻尼cx，cy。在所述的方法中，第二步骤中，所述铣刀在压电式测力平台上进行直线铣削测得不同进给速度下的铣削力，对铣削力和进给速度进行拟合得到切向切削力系数和径向切削力系数ktc和krc。在所述的方法中，第三步骤中，采用数值法、频域法或时域有限元法获得所述叶瓣图，然后，选择切削参数优化铣刀切削。在所述的方法中，第四步骤中，所述刚度变化包括正弦、余弦、方波、三角波，其中，所述刚度变化在x和/或y方向的变化频率或幅值不同。在所述的方法中，第四步骤中，不同的变刚度方式在不同转速下对稳定性叶瓣图的提升可能不同，可以提出一些指标来确定哪种刚度变化方式是最优的，比如平均增加高度，最高增加高度以及某些特定常用转速下的增加高度等等。同时可以根据不同的切削工艺需要，选取不同的指标来确定最优的刚度变化方式。例如，如果加工过程中，切削参数只集中在某几个转速，那个就主要看叶瓣图这几个转速处的提高高度；如果要求整体机床性能提高，那么可能就需要采用叶瓣图平均增加高度；还有最高增高高度等等，这些都是根据具体的加工要求确定的，不能单纯的提出一个指标来判断采用哪种刚度变化方式。根据本发明的另一方面，一种实施所述方法的铣削颤振优化系统，包括铣刀部分、模态参数测量部分、压电式测力平台和计算部分，铣刀部分包括铣刀和刚度变化装置，铣刀经由轴承连接在所述刚度变化装置，刚度变化装置包括连接轴承外圈的作动器以及发出刚度变化的信号的信号发生器，模态参数测量部分包括设在铣刀刀尖x和y方向上的第一加速度传感器和第二加速度传感器、用于敲击铣刀刀尖的力锤以及采集加速度和力锤作用力的数据采集器，所述压电式测力平台包括用于测量铣削力的铣削力传感器和速度传感器，连接所述模态参数测量部分和压电式测力平台的所述计算部分包括用于计算模态参数的模态参数计算单元、用于计算切削力系数的拟合单元、用于建立刚度时变铣削动力学方程的建模模块和生成叶瓣图的计算模块在所述的铣削颤振优化系统中，第一加速度传感器和/或第二加速度传感器为电阻式或电容式加速度传感器。在所述的铣削颤振优化系统中，模态参数计算单元包括模态质量计算单元、模态刚度计算单元和模态阻尼计算单元。在所述的铣削颤振优化系统中，所述信号发生器经由功率放大器连接所述作动器。在所述的铣削颤振优化系统中，计算部分为通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路asic或现场可编程门阵列fpga，所述铣削颤振优化系统包括存储器，所述存储器包括一个或多个只读存储器rom、随机存取存储器ram、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器eeprom。上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。附图说明通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：图1是根据本发明一个实施例的基于刚度变化的铣削颤振抑制方法的步骤示意图；图2是根据本发明一个实施例的基于刚度变化的铣削颤振抑制方法的流程示意图；图3是根据本发明一个实施例的基于刚度变化的铣削颤振抑制方法的两自由度铣削示意图；图4是根据本发明一个实施例的基于刚度变化的铣削颤振抑制方法的不同刚度变化函数类型下的稳定性叶瓣图；其中，细实线表示无变刚度控制下原始的稳定性叶瓣图，粗实线表示变刚度控制下的稳定性叶瓣图，“sin-square”表示x方向和y方向分别施加正弦和方波形式的刚度变化；图5是根据本发明一个实施例的基于刚度变化的铣削颤振抑制方法的刚度不同频率变化下的稳定性叶瓣图；其中，细实线表示无变刚度控制下原始的稳定性叶瓣图，粗实线表示变刚度控制下的稳定性叶瓣图，“40hz-60hz”表示x方向和y方向分别施加40hz和60h正弦的刚度变化；图6是根据本发明一个实施例的基于刚度变化的铣削颤振抑制方法的刚度不同幅值变化下的稳定性叶瓣图；其中，细实线表示无变刚度控制下原始的稳定性叶瓣图，粗实线表示变刚度控制下的稳定性叶瓣图，“0.1-0.3”表示x方向和y方向分别施加幅值为0.1和0.3正弦形式的刚度变化；图7是根据本发明一种基于变刚度的铣削颤振抑制方法的稳定性叶瓣图数值验证示意图；图8是根据本发明的图7的特征点的数值验证结果示意图；图9是本发明一个实施例的实施所述方法的铣削颤振优化系统的结构示意图；图10是根据本发明一个实施例的实施所述方法的铣削颤振优化系统的铣刀部分的结构示意图；图11是根据本发明一种基于变刚度的铣削颤振抑制方法的有无变刚度控制下的x方向铣削力时域对比图。以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。为了更好地理解，图1为基于刚度变化的铣削颤振抑制方法的步骤示意图，如图1所示，基于刚度变化的铣削颤振抑制方法包括以下步骤：第一步骤s1中：首先建立坐标系，以铣刀顶部中心为原点，以进给方向为ox轴，oy轴垂直于进给方向，对铣刀进行锤击模态测试以得到x和y方向的模态质量mx，my、模态刚度kx，ky、模态阻尼cx，cy。第二步骤s2中：对预定的工件材料进行铣削力系数测试以得到铣削力系数，其中，铣刀直线铣削以测试不同进给速度下的铣削力，对铣削力和进给速度进行拟合得到切向切削力系数和径向切削力系数ktc和krc。第三步骤s3中：建立刚度时变铣削动力学方程：其中，fx(t)和fy(t)分别表示x和y方向的铣削力，其中，i表示第i个刀齿，n表示铣刀齿数，a表示轴向切削深度，f为每齿进给量，第i个刀齿的位置φi(t)＝2πω/60+(i-1)2π/n，ω为主轴转速，时延τ＝60/n/ω，s＝sin(φi(t))，c＝cos(φi(t))，x(t)和y(t)为铣刀当前时刻t的x和y方向的振动位移，x(t-t)和y(t-t)为t-t时刻的x和y方向的振动位移，g(φi(t))为分段函数，其中，φst为铣刀刀齿切入角度，φex为铣刀刀齿切出角度；。第四步骤s4中：各种刚度变化下的刚度时变铣削动力学方程稳定性分析，得到不同条件下的铣削稳定性叶瓣图，比较所述叶瓣图，选择切削极限深度最大的作为切削参数以抑制颤振。为了进一步说明本发明的方法，图2是本发明的一种基于变刚度的铣削颤振抑制方法的流程图。首先需要准备工作，即对铣刀进行锤击模态实验，得到其模态质量，模态刚度以及模态阻尼等模态参数；通过对预定的工件材料进行铣削力系数辨识实验，得到铣削力系数。接下来如图2所示，将获得的模态参数和切削力系数代入刚度时变铣削动力学方程；对该方程进行稳定性分析，得到基于刚度变化的稳定性叶瓣图；通过比较不同刚度变化下的叶瓣图，选择提升效果最佳的刚度变化方式，从而获得驱动作动器驱动电压的变化规律；利用数值实验验证变刚度稳定性叶瓣图的准确性；进行切削实验验证所述变刚度方法的有效性。图3是根据本发明一种基于变刚度的铣削颤振抑制方法的两自由度铣削示意图，如图3所示，针对铣削刀具进行锤击模态实验，分析数据得到其模态质量，模态刚度以及模态阻尼等模态参数利用测力计测量不同进给速度下的切削力，然后对切削力和进给速度进行拟合，从而得到铣削力系数。建立变刚度铣削动力学方程，刚度变化方式各种各样，正弦、余弦、方波、三角波等等。对时变刚度铣削动力学方程进行稳定性分析，得到不同刚度变化下的稳定性叶瓣图。如图4-6所示，图4是根据本发明一种基于变刚度的铣削颤振抑制方法的不同刚度变化函数类型下的稳定性叶瓣图；其中，细实线表示无变刚度控制下原始的稳定性叶瓣图，粗实线表示变刚度控制下的稳定性叶瓣图，“sin-square”表示x方向和y方向分别施加正弦和方波形式的刚度变化，图5是根据本发明一种基于变刚度的铣削颤振抑制方法的刚度不同频率变化下的稳定性叶瓣图；其中，细实线表示无变刚度控制下原始的稳定性叶瓣图，粗实线表示变刚度控制下的稳定性叶瓣图，“40hz-60hz”表示x方向和y方向分别施加40hz和60h正弦的刚度变化。图6是根据本发明一种基于变刚度的铣削颤振抑制方法的刚度不同幅值变化下的稳定性叶瓣图；其中，细实线表示无变刚度控制下原始的稳定性叶瓣图，粗实线表示变刚度控制下的稳定性叶瓣图，“0.1-0.3”表示x方向和y方向分别施加幅值为0.1和0.3正弦形式的刚度变化。根据叶瓣图提升大小，根据需要采用相应的指标，选择最合适的刚度变化方式和切削参数。图7是根据本发明一种基于变刚度的铣削颤振抑制方法的稳定性叶瓣图数值验证所选的特征点；其中，细实线表示无变刚度控制下原始的稳定性叶瓣图，粗实线表示变刚度控制下的稳定性叶瓣图，各点的具体参数如下：a4400rpm，2mm，b4400rpm，2.5mm，c5500rpm，3mm，d5500rpm，3.5mm；其中a和c点位于叶瓣图下方，b和d点位于叶瓣图上方。如图7所示，选择一些特征点进行数值实验，对变刚度下获得的稳定性叶瓣图进行数值验证。验证本方法对铣削颤振抑制的有效性。如图所示，本发明能够显著地抑制铣削颤振。在本发明的基于变刚度的铣削颤振抑制方法的优选实施例中，第一步骤s1中：在铣刀刀尖处的x和y方向分别安装加速度传感器，在刀尖的自由端用力锤分别在x和y方向进行敲击，通过对铣刀进行锤击模态实验测得的信号通过数据采集器进行采集、分析和运算以得到x和y方向的模态质量mx，my、模态刚度kx，ky、模态阻尼cx，cy。在本发明优选实施例中，在铣刀刀尖处的x和y方向分别安装加速度传感器，在刀尖的自由端用力锤分别在x和y方向进行敲击，通过对铣刀进行锤击模态实验测得的信号通过数据采集器进行采集、分析和运算，得到铣刀系统的模态参数如下表1。表1模态质量kg阻尼比％固有频率hzx方向0.0642.58927.43y方向0.0662.29964.94在本发明的基于变刚度的铣削颤振抑制方法的优选实施例中，第二步骤s2中：所述铣刀在压电式测力平台上进行直线铣削测得不同进给速度下的铣削力，对铣削力和进给速度进行拟合得到切向切削力系数和径向切削力系数ktc和krc。在本发明的所述的方法的优选实施例中，所述铣刀在压电式测力平台上进行直线铣削测得不同进给速度下的铣削力。通过切削力测量，可以拟合得到该工件和刀具对应的切削力系数如下表2。表2切向铣削力系数mpa法向铣削力系数mpa616.85237.70在本发明的基于变刚度的铣削颤振抑制方法的优选实施例中，第三步骤s3中：采用数值法、频域法或时域有限元法获得所述叶瓣图，然后，选择切削参数优化铣刀切削。在本发明的基于变刚度的铣削颤振抑制方法的优选实施例中，第四步骤s4中：所述刚度变化包括正弦、余弦、方波或三角波，其中，所述刚度变化在x和/或y方向的变化频率或幅值不同。在一个实施例中，如图4-6所示的分别为不同刚度变化下获得的稳定性叶瓣图，通过优选，可以选出最合适的刚度变化方式和切削参数。图7是根据本发明一种基于变刚度的铣削颤振抑制方法的稳定性叶瓣图数值验证示意图，其中，细实线表示无变刚度控制下原始的稳定性叶瓣图，粗实线表示变刚度控制下的稳定性叶瓣图，各点的具体参数如下：a4400rpm，2mm，b4400rpm，2.5mm，c5500rpm，3mm，d5500rpm，3.5mm；其中a和c点位于叶瓣图下方，b和d点位于叶瓣图上方,图7选出了数值验证的特征点，一共两组，分别位于稳定性叶瓣图的上下方；图8是根据本发明的图7的特征点的数值验证结果示意图，图8利用数值方法验证了变刚度稳定性叶瓣图的准确的，处于叶瓣图下方的数值验证结果都是收敛的，表示铣削过程稳定，反之则发散不稳定。图9为本发明的实施所述方法的铣削颤振优化系统的结构示意图，所述铣削颤振优化系统包括铣刀部分1、模态参数测量部分2、压电式测力平台3和计算部分4，铣刀部分1包括铣刀16和刚度变化装置17，铣刀16经由轴承18连接在所述刚度变化装置17，刚度变化装置17包括连接轴承18外圈的作动器19以及发出刚度变化的信号的信号发生器13，模态参数测量部分2包括设在铣刀刀尖x和y方向上的第一加速度传感器5和第二加速度传感器6、用于敲击铣刀刀尖的力锤7以及采集加速度和力锤作用力的数据采集器8，所述压电式测力平台3包括用于测量铣削力的铣削力传感器9和速度传感器10，连接所述模态参数测量部分2和压电式测力平台3的所述计算部分4包括用于计算模态参数的模态参数计算单元11、用于计算切削力系数的拟合单元12、用于建立刚度时变铣削动力学方程的建模模块14和生成叶瓣图的计算模块15。在本发明的所述的铣削颤振优化系统的优选实施例中，第一加速度传感器5和/或第二加速度传感器6为电阻式或电容式加速度传感器。在本发明的所述的铣削颤振优化系统的优选实施例中，模态参数计算单元11包括模态质量计算单元、模态刚度计算单元和模态阻尼计算单元。在本发明的所述的铣削颤振优化系统的优选实施例中，所述信号发生器经由功率放大器连接所述作动器。在本发明的所述的铣削颤振优化系统的优选实施例中，计算部分4为通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路asic或现场可编程门阵列fpga，所述铣削颤振优化系统包括存储器，所述存储器包括一个或多个只读存储器rom、随机存取存储器ram、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器eeprom。图10是根据本发明一个实施例的实施所述方法的铣削颤振优化系统的铣刀部分的结构示意图，其在铣刀上加一个轴承18，轴承外圈连接作动器，通过作动器施加不同的预紧力可以改变铣削系统的刚度。在实验过程中，刚度变化的信号可由信号发生器产生，经功率放大器放大后输入作动器19，作动器19的伸缩可以通过轴承18给铣刀施加不同的预紧力，从而一定规律地改变铣削系统的刚度，优选地，作动器19为压电堆作动器。在本发明的所述的铣削颤振优化系统的优选实施例中，铣削测试分两次进行，其中一次信号发生器不输出，即不进行变刚度控制；另外一次按照前面选择出来的刚度变化方式进行输出，即进行变刚度控制切削。图11是根据本发明一种基于变刚度的铣削颤振抑制方法的有无变刚度控制下的x方向铣削力时域对比图，结果如图11所示，在变刚度控制下x方向的铣削力明显小于无控制的铣削力，充分验证了变刚度方法对铣削颤振抑制的有效性。尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。当前第1页12