一种多轴铣削加工颤振主动控制设备及抑制方法

1.本发明属于铣削加工相关技术领域，更具体地，涉及一种多轴铣削加工颤振主动控制设备及抑制方法。


背景技术：

2.在铣削加工中，颤振是影响加工效率的重要因素，发生颤振时，刀具与工件发生剧烈的相对振动，影响零件的加工表面质量，损伤刀具，严重时甚至会造成机床本体的破坏，多轴铣削加工在诸如螺旋桨，涡轮叶片等复杂曲面类零件的加工中应用越来越广，通过变换刀轴矢量可以在一个工序中完成复杂的刀路加工，其刀具可达性好，可以避免刀具与工件之间的干涉，然而，刀轴矢量变化带来铣削力的变化，同时，考虑铣削加工中的再生效应，系统为时滞时变系统，在加工时可能导致颤振。因为刀轴矢量发生变化的过程中刀具在空间中的位置发生改变，如果固定作动器在空间中的位置，则不能实现对于刀轴矢量改变时的颤振控制，因此，必须使得多轴铣削颤振主动控制装置与主轴端固定连接。作动器是铣削加工颤振主动控制的核心部件，提供主动控制所需要的主动控制力，压电作动器具有体积小，响应快，输出力大等优点，在颤振控制领域被广泛使用。
3.针对铣削加工系统施加主动控制以抑制颤振的发生，保证加工质量，本质是抑制刀具与工件之间的相对振动，因此，可以对工件或者刀具施加控制来抑制其振动。现有的在工件端施加主动控制的方式需要作动器作动工件以抵消刀具与工件之间的相对振动，但在大型零件加工中应用较为困难，作动工件运动需要提供较大的能量。同时，现有的对工件端施加控制主要针对三轴铣削，在使用细长刀具进行多轴铣削加工时刀具更易发生振动，此时作动器的作动力在工件端所在的平面与刀轴矢量不再垂直，经过投影之后的控制力才能直接控制刀具与工件之间的相对振动，造成控制力的浪费。现有的控制刀具端的主动控制中，作动器大都被安装于电主轴端，然而在拆装主轴的过程中可能会造成电主轴损坏，同时，在电主轴端施加主动控制力以抑制集中在刀尖的铣削力导致的刀具振动需要较大的控制力，消耗较大的能量。同时现有的主动控制方法对模型本身的变化探究极少，且一般认为控制作用于刀尖点，这与实际不相符，控制模型不够精确，对控制作用下实际的物理系统特性变化求解也不够精确。
4.针对上述问题，本发明针对多轴铣削加工的颤振，控制刀杆处的振动以抑制刀尖的振动，降低了作动器的能量消耗，为了方便地调节作动力控制刀杆的位置，本发明设计的控制设备拥有垂直与水平位置调节功能。同时，本发明提出了控制设备的使用方法。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多轴铣削加工颤振主动控制设备及抑制方法，其控制铣削加工中刀具的振动以抑制颤振。主动控制设备以压电作动器为核心，当刀具因铣削加工中铣削力的作用导致振动时，采用激光位移传感器实时测量刀具的振动状态并将其传递到上位机颤振控制软件中，控制软件根据选定的控制方法和
当前的系统振动状态值计算此时的控制电压值，输出数字信号给压电作动器的控制器进而输出电压来控制压电作动器来进行运动，压电作动器伸长，因控制设备与刀具限制了压电作动器的首尾端的位移，因此被限制的位移转换为输出力施加于刀具，以此来控制刀具的振动状态以达到减小刀具与工件之间的相对振动的目的，实现颤振控制。同时，针对设计的基于压电作动器的多轴铣削加工颤振主动控制装置，根据压电作动器作动力输出的位置推导了以压电作动器作动力为输入，刀杆位移响应为输出的传递函数模型，结合选定的控制规则推导了控制作用下的刀尖传递函数模型。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多轴铣削加工颤振的抑制方法，该抑制方法包括以下步骤：
7.(1)采集刀具的振动状态，并基于采集到的振动状态数据依据控制律计算得到此时压电作动器用于抑制颤振所需的控制电压；其中，控制律进行控制作用所采用的传递函数为：
8.c(s)＝kp+kd
·s9.式中，kp与kd分别为比例与微分项系数，对应的刀尖处的传递函数模型的数学表达式为：
[0010][0011]
式中，g
tt
(s)表示铣削力至刀尖位移响应的传递函数矩阵，g
dd
(s)表示控制力至位移传感器测量的刀杆处的位移响应的传递函数矩阵，刀杆处铣削力的响应为g
tt
(s)
·gdt
(s)，刀尖处控制力的响应为g
dd
(s)
·gtd
(s)，c(s)表示控制作用传递函数；
[0012]
(2)施加计算得到的该控制电压给压电作动器，使得压电作动器进行作动以产生作动力而作用于刀杆，由此实现对刀具颤振的抑制。
[0013]
进一步地，该抑制方法所采用的颤振主动控制装置与刀具的耦合微分运动方程为：
[0014][0015]
其中，m1，c1，k1为刀具的等效质量、刚度与阻尼，m2为作动器与支架相加的等效模态质量，c2，k2，c3，k3分别是作动器、安装支架的等效刚度与阻尼；f代表外界干扰力，fd代表压电作动器输出力；x1(t)为刀杆的位移；x2(t)为与作动器直接相接触的支架的位移。
[0016]
进一步地，根据耦合微分运动方程得到的以压电作动器的作动力为输入，刀杆位移响应为输出的刀杆处的传递函数模型的表达式为：
[0017][0018]
其中：
[0019]
a＝m1m2[0020]
b＝m1(c2+c3)+m2(c1+c2)
[0021]
c＝m1(k2+k3)+m2(k1+k2)+c1c2+c2c3++c1c3[0022]
d＝c1(k2+k3)+c2(k1+k3)+c3(k1+k2)
[0023]
e＝k1k2++k1k3++k2k3。
[0024]
进一步地，将作动力与铣削力作用导致的振动位移做线性叠加，则有：
[0025]zt
(s)＝g
tt
(s)
·ft
(s)+g
td
(s)
·gdd
(s)fd(s)
[0026]
zd(s)＝g
dd
(s)
·
fd(s)+g
dt
(s)
·gtt
(s)f
t
(s)
[0027]
fd(s)＝c(s)
·
zd(s)；
[0028]
进而考虑输出力无法直接作用于刀尖点而是与压电作动器直接接触的刀杆处，得到以铣削力为输入，刀尖位移响应为输出的刀尖传递函数模型。
[0029]
进一步地，通过模态试验法测量得到刀具的模态参数，将其等效为二阶微分系统；通过有限元响应分析得到与刀具固定连接的颤振主动控制装置处的模态特性，也将其等效为二阶微分系统；压电作动器的模态特性根据阶跃响应实验结合压电作动器的规格参数求解得到，三者共同构成振动系统。
[0030]
按照本发明的另一个方面，提供了一种多轴铣削加工颤振主动控制设备，所述主动控制设备所述主动控制设备是采用如上所述的多轴铣削加工颤振的抑制方法来对刀具颤振进行抑制的，其包括激光位移传感器、上位机及颤振主动控制装置，所述位移传感器设置在所述颤振主动控制装置上，其用于实时采集刀具的振动状态，并将采集到的振动状态数据传输给所述上位机；所述上位机依据选定的控制律及收到的振动状态数据计算出此时压电作动器抑制颤振所需的控制电压值，并输出该控制电压数值给压电作动器的控制器，进而施加控制电压给压电作动器进行运动，压电作动器伸长，由于压电作动器的首尾端被限制，被限制的位移转换为输出力施加于刀具，以此来抑制刀具的振动状态而达到减小刀具与工件之间的相对振动的目的，实现颤振控制。
[0031]
进一步地，所述主动控制装置包括固定支架、一端活动地连接于所述固定支架的固定支背、一端固定连接于所述固定支背另一端的滑轨、滚珠丝杠及固定支板，所述固定支板用于套设在主轴上以实现对主轴的固定；所述滑轨的另一端套设在所述滚珠丝杠的一端上；所述滚珠丝杠的另一端设置在所述固定支板上；所述固定支板部分的套设在所述滑轨上；通过旋转所述滚珠丝杠来使得所述固定支板沿所述滑轨水平滑动，改变所述固定支板相对于所述固定支架的位置；通过改变所述固定支背在所述固定支架竖直方向上的位置来调节所述固定支板在竖直方向上相对于所述固定支架的位置。
[0032]
进一步地，所述固定支架呈l型，其一端开设有竖直滑槽，所述固定支架通过该滑槽及螺栓与所述固定支背相连接。
[0033]
进一步地，所述主动控制装置包括两个压电作动器、两个弹簧及固定连接于所述固定支架的另一端的固定底板，所述固定底板呈十字型，其开设有收容孔及四个与所述收容孔相连通的收容槽，所述收容孔贯穿所述固定底板的中部，且其中心轴与所述固定底板的中心轴重合；四个所述收容槽绕所述收容孔均匀排布；两个所述压电作动器及两个所述弹簧分别设置在四个收容槽内，且两个所述压电作动器相邻设置。
[0034]
进一步地，所述主动控制装置还包括轴承、受力连接件及柔性铰链，所述压电作动器邻近所述收容孔的一端连接有所述柔性铰链；所述受力连接件及所述轴承设置在所述收容孔内，且所述受力连接件套设在所述轴承的外部，所述柔性铰链与所述受力连接件相接触；所述轴承用于承载与主轴相连的刀具。
[0035]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的多
轴铣削加工颤振主动控制设备及抑制方法主要具有以下有益效果：
[0036]
1.基于压电作动器的多轴铣削加工颤振主动控制设备具有横向与纵向调节功能，故在控制时可以调节设备整体的结构进而改变设备的模态特性，使得设备的模态与铣削加工的振动频率带不重复，可以减小共振。
[0037]
2.通过控制刀具的振动以避免颤振，作动器输出力的方向垂直于刀轴矢量，此时需要输出的作动力较小，可以减小能量消耗。
[0038]
3.压电作动器布置在主轴外部，直接输出力于刀杆处，不需要拆装主轴安装压电作动器，可以避免因频繁拆装而造成的电主轴损坏。
[0039]
4.根据压电作动器输出力于刀杆处建立的主动控制模型更加精确，并且刀杆处的动力学模型耦合了刀具，压电作动器与支架，更加精准。
[0040]
5.在获得耦合刀具与颤振主动控制设备的动力学模型的基础上可以得到主动控制作用下的刀尖传递函数模型，可以将其应用于颤振稳定性求解，也可以通过频响函数直接判断添加控制作用后的振动幅值变化，提高了求解效率。
[0041]
6.利用激光位移传感器实时测量刀具的振动状态，基于主动控制律计算控制电压并输出给压电作动器，以实现实时控制。
附图说明
[0042]
图1是本发明提供的多轴铣削加工颤振主动控制设备的使用状态示意图；
[0043]
图2是图1中的多轴铣削加工颤振主动控制设备的一个局部示意图；
[0044]
图3是图1中的多轴铣削加工颤振主动控制设备的另一个局部示意图；
[0045]
图4是刀具与主动控制设备耦合的动力学模型；
[0046]
图5是颤振主动控制模型的结构示意图；
[0047]
图6是颤振主动控制设备的使用流程示意图。
[0048]
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-固定支板，2-主轴，3-滑轨，4-固定支背，5-转接板，6-固定支架，7-盖板，8-刀具，9-压电作动器，10-底部支板，11-弹簧，12-滚珠丝杠，13-螺栓，14-轴承，15-受力转接件，16-柔性铰链。
具体实施方式
[0049]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0050]
本实施方式为了满足多轴铣削颤振控制的需要，设计了一种基于压电作动器的多轴铣削加工颤振主动控制设备，其与主轴固定安装，可以跟随ac轴的旋转而变化，总是保持压电作动器控制频响坐标系下的刀具振动。为了抑制多轴铣削加工中的颤振，考虑内置压电作动器用于控制刀杆的振动以抑制刀尖的振动状态，推导了刀杆处作动力为输入，刀杆位移为输出的传递函数，并结合刀杆处传递函数模型，根据现行叠加原理，推导了控制作用下的刀尖传递函数模型。此外，通过上位机软件实时采集铣削加工系统中刀具的振动状态，基于选定的控制律计算输出电压，将控制信号传递给压电控制器进而控制压电作动器作动
输出控制力，从而消除铣削加工中的颤振，提高铣削加工效率，保证了零件的加工质量。
[0051]
本发明提供了一种多轴铣削加工颤振的抑制方法，该抑制方法主要包括以下步骤：
[0052]
步骤一，采集刀具的振动状态，并基于采集到的振动状态数据依据控制律计算得到此时的控制电压；其中，控制律进行控制作用所采用的传递函数为：
[0053]
c(s)＝kp+kd
·s[0054]
式中，kp与kd分别为比例与微分项系数，对应的刀尖处的传递函数模型的数学表达式为：
[0055][0056]
通过模态试验法可以测量得到刀具的模态参数，将其等效为二阶微分系统，通过有限元响应分析可以得到与刀具固定连接的颤振主动控制装置处的模态特性，也将其等效为二阶微分系统，压电作动器的模态特性可以根据阶跃响应实验结合压电作动器的规格参数求解得到，三者共同构成振动系统，振动系统的动力学模型如图4所示。颤振主动控制装置、作动器、刀具的耦合运动微分方程表示为：
[0057][0058]
其中，m1，c1，k1为刀具的等效质量、刚度与阻尼，m2为作动器与支架相加的等效模态质量，c2，k2，c3，k3分别是作动器、安装支架的等效刚度与阻尼；f代表外界干扰力，fd代表压电作动器输出力；x1(t)为刀杆的位移；x2(t)为与作动器直接相接触的支架的位移。
[0059]
相较于传统的颤振动力学模型，本实施方式考虑了压电作动器以及与作动器相连接的支架的动态特性，更加精确，根据微分运动方程可以得到以作动力为输入，刀杆位移响应为输出的刀杆处的传递函数模型为：
[0060][0061]
其中：
[0062]
a＝m1m2[0063]
b＝m1(c2+c3)+m2(c1+c2)
[0064]
c＝m1(k2+k3)+m2(k1+k2)+c1c2+c2c3++c1c3[0065]
d＝c1(k2+k3)+c2(k1+k3)+c3(k1+k2)
[0066]
e＝k1k2++k1k3++k2k3；
[0067]
主动控制模型如图5所示，压电作动器输出力直接作用于刀杆，铣削力直接作用于刀尖，刀杆与刀尖的振动受到铣削力和作动力的共同影响。g
tt
(s)表示铣削力至刀尖位移响应的传递函数矩阵，g
dd
(s)表示控制力至位移传感器测量的刀杆处的位移响应的传递函数矩阵，刀杆处铣削力的响应为g
tt
(s)
·gdt
(s)，刀尖处控制力的响应为g
dd
(s)
·gtd
(s)，c(s)表示控制作用传递函数，将作动力与铣削力作用导致的振动位移做线性叠加，则有：
[0068]zt
(s)＝g
tt
(s)
·ft
(s)+g
td
(s)
·gdd
(s)fd(s)
[0069]
zd(s)＝g
dd
(s)
·
fd(s)+g
dt
(s)
·gtt
(s)f
t
(s)
[0070]
fd(s)＝c(s)
·
zd(s)
[0071]
相较于传统控制模型，本实施方式考虑了输出力无法直接作用于刀尖点而是与作动器直接接触的刀杆处，模型更加精确，得到以铣削力为输入，刀尖位移响应为输出刀尖传递函数模型为：
[0072][0073]
本实施方式中，控制律是根据需要选定的，例如施加比例与微分反馈时，控制作用的传递函数为：
[0074]
c(s)＝kp+kd
·s[0075]
其中，kp与kd分别为比例与微分项系数，此时，刀尖传递函数模型变为：
[0076][0077]
针对铣削加工的颤振主动控制方法在建立控制系统模型之后即可求解反馈控制作用，然而，传统方法对于控制作用下系统本身特性的变化是难以得到的，同时，针对特定转速下的临界切深只能通过数值仿真的方法求解得到。本实施方式推导的在控制作用下的刀尖传递函数模型即为控制作用下系统新的频响函数，可以求解bode图得到系统频率响应特性，也可以将控制作用下的传递函数应用于频域法求解稳定性叶瓣图，观察控制作用下稳定性边界变化趋势来判断控制作用的效果，提高求解效率。
[0078]
步骤二，施加计算得到的该控制电压给压电作动器，使得压电作动器进行作动以产生出作动力而作用于刀杆，由此实现对刀具颤振的抑制。
[0079]
请参阅图6，本方明还提供了一种多轴铣削加工颤振主动控制设备，所述主动控制设备是采用如上所述的多轴铣削加工颤振的抑制方法来对刀具颤振进行抑制的，其包括位移传感器、上位机及颤振主动控制装置，所述位移传感器设置在所述颤振主动控制装置上，其用于实时采集刀具的振动状态，并将采集到的振动状态数据传输给所述上位机。所述上位机依据选定的控制律及收到的振动状态数据计算出此时压电作动器抑制颤振所需的控制电压值，并输出该控制电压数值给压电作动器的控制器，进而施加控制电压给压电作动器进行运动，压电作动器伸长，由于压电作动器的首尾端被限制，被限制的位移转换为输出力施加于刀具，以此来抑制刀具的振动状态而达到减小刀具与工件之间的相对振动的目的，实现颤振控制。
[0080]
请参阅图1、图2及图3，所述颤振主动控制装置包括固定支板1、滑轨3、固定支背4、转接板5、固定支架6、盖板7、两个压电作动器9、底部支板10、两个弹簧11、滚珠丝杠12、螺栓13、轴承14、受力转接件15及柔性铰链16。
[0081]
所述固定支板1为矩形框体，其用于固定连接主轴2，以避免损坏主轴2。所述固定支板1套设在所述主轴2上，所述固定支板1与所述主轴2通过排布于x与y两个方向上的螺栓13进行紧定，依靠所述螺栓13旋紧之后的摩擦力来实现固定。本实施方式中，所述固定支板1包括矩形框、三个依次相连接的支板，所述矩形框的两端分别连接于间隔设置的两个支板以形成一个矩形框体。
[0082]
所述滑轨3的一端固定连接于所述固定支背4，另一端伸入所述矩型框内且套设在
所述滚珠丝杠12的一端上。所述矩形框能够沿着所述滑轨3移动。所述滚珠丝杠12的另一端穿过所述矩形框。通过旋转所述滚珠丝杠12来使得所述滑轨3沿着所述矩形框移动，继而所述固滑轨3带动所述固定支背4与固定支架6水平移动。本实施方式中，所述固定支背4与所述滑轨3的末端通过螺栓进行固定连接。
[0083]
所述转接板5基本呈l型，其一端连接于所述固定支背4，另一端通过螺栓13连接于所述固定支架6。所述固定支架6基本呈l型，其一端形成有竖直滑槽，所述固定支架6通过所述竖直滑槽连接于所述转接板5。通过改变所述转接板5位于所述竖直滑槽的位置来调节所述主轴2相对于所述固定支架6的位姿。
[0084]
所述底部支板10基本呈十字形，其包括环形体及四个凸起，四个凸起分别连接于所述环形体的外周，且四个凸起均匀分布。所述环形体形成有收容孔。所述底部支板10开设有四个收容槽，四个所述收容槽分别贯穿四个所述凸起的一端及所述环形体，且四个所述收容槽与所述收容孔相连通。其中一个所述凸起固定连接于所述固定支架6的另一端。
[0085]
两个所述弹簧11分别设置在相邻的两个所述收容槽内，两个所述压电作动器9分别收容在另外两个所述收容槽内。两个所述弹簧11的中心轴分别与两个所述压电作动器9的中心轴重合。其中，通过所述盖板7将所述压电作动器9及所述弹簧11分别固定在对应的收容槽内，防止控制时的受力而导致移动。盖板7与底部支板10之间通过螺栓13固定。螺栓13经过底部支板10的螺纹孔与压电作动器9底部的内螺纹配合连接，以此实现压电作动器9与底部支板10的固定连接和压电作动器9的预紧。
[0086]
所述压电作动器9朝向所述收容孔的一端螺纹连接于所述柔性铰链16，所述柔性铰链16、所述轴承14及所述受力转接件15设置在所述收容孔内，所述受力转接件15套设在所述轴承14外部，所述轴承14套设在刀具8上，所述柔性铰链17与所述受力转接件15相接触，实现压电作动器9与外部结构的连接进而在有电压输入时输出机械力，同时避免在作动过程中剪切力对压电作动器9产生破坏。
[0087]
所述压电作动器9收缩时，所述压电作动器9提供拉力，同时对称布置的被压缩的弹簧11提供一部分的推力，且所述弹簧11的位置及所述压电作动器9的位置都可以通过螺栓进行调节，以防止所述压电作动器9承受太大的拉力而造成机械结构损坏。
[0088]
本实施方式中，所述转接板5是由两个相互垂直的钢板组成的，且两个所述钢板上分别开设有多个通孔，其中一个钢板通过螺栓13实现与固定支背4的连接，另一个钢板通过螺栓13连接于所述固定支架6。所述转接板5的位置与滑槽相对应，可以调节滑槽与孔相对应的位置进而改变固定支架6在频响坐标系中z方向的位置。所述固定支背4、所述转接板5、所述固定支架6与所述底部支板10通过螺栓13连接成为一个固定的整体。
[0089]
工作时，通过旋转所述滚珠丝杠12来调节所述固定支架6与所述固定支板1的相对位置，继而改变所述底部支板10在垂直于主轴的平面上的位置，使得刀具8的轴线处于底部支板10的中心位置。在铣削加工中，刀具8振动的频率主要表现为齿通频率及其倍频，通过调节滚珠丝杠12与滑槽相对于转接板5的位置，改变底部支板10在空间中的位置，进而改变颤振主动控制装置的模态特性，避免与刀具8振动的频率重叠，避免发生共振。
[0090]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。