一种消除数控机床切削颤振的自动补偿装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种消除数控机床切削颤振的自动补偿装置，被置于所述数控机床的刀架处，所述补偿装置包括基座，该基座具有一个刀具接口用来安装刀具，该刀具用于对工件进行切削加工；所述刀具接口处的基座内侧设置有一个力传感器，该力传感器用于测量切削颤振力的大小；所述力传感器通过一个弹性预紧装置与柔性铰链和直线驱动装置联接，该弹性预紧装置用于预紧消除间隙；所述的柔性铰链用于对直线驱动装置输出的驱动力进行放大；所述直线驱动装置的驱动力经柔性铰链进行驱动力放大后，继而驱动与弹性预紧装置连接的刀具进行直线往复运动；所述直线驱动装置后端的基座内侧还设置有振动位移传感器，该振动位移传感器用于检测刀架的振动位移。
【专利说明】
一种消除数控机床切削颤振的自动补偿装置和方法
技术领域
[0001] 本发明属于机械加工技术领域，特别涉及一种消除数控机床切削颤振的自动补偿 装置和方法。
【背景技术】
[0002] 刀具与工件切削面之间的不连续切削周期、工件与切削系统和机床的某固有频率 相接近等因素，会引起数控机床切削过程出现颤振现象。诱发切削颤振的因素十分复杂，不 连续切削周期、工件与切削系统和机床之间的某个固有频率相同或相近等因素都可能导致 颤振的发生。
[0003] 由于颤振使得加工的精度降低、产品质量下降和切削效率下降，因此有必要对数 控机床的切削加工过程所产生的颤振进行补偿，即对切削过程的颤振进行在线监测、预测 和控制。在这个过程中，现有方法是根据压电传感器监测到工件或刀具的颤振幅值变化进 行判断是否发生颤振，然后采用磁流变液或电流变液装置的抑振技术以增加刀柄或镗杆等 切削部件的阻尼而抑制颤振。
[0004] 然而磁、电流变材料的响应速度慢，并存在严重非线性畸变现象，导致难以对高速 切削产生的颤振进行有效的补偿。另外，这类智能液体在高强度压力和振动情况下的密封 防泄漏也是工程实现上的一个不可忽视的问题。
[0005] 另一方面，有关减振控制方法只是根据颤振的谐振频率和位移决定如何进行补 偿，而振动、力之间存在一种非线性耦合，其对切削颤振的补偿会产生不利影响，而传统颤 振补偿方案未能考虑这种力与振动位移之间的耦合影响，其对颤振的补偿难以取得令人满 意的结果。
[0006] 公开号为CN200810020974.0的中国专利申请，公开了 一种提高数控车床加工精度 的补偿方法，其特征在于:包括以下步骤， 步骤一、测取车床刀具全行程范围内的进给误差； 步骤二、将上述步骤一中的进给误差信号做平滑、去噪处理，同时施加一频率为50~ 100Hz，振幅为1~3wii的振动信号，并将该振动信号与处理后的进给误差信号叠加，后输入 数字信号处理芯片； 步骤三、将输入数字信号处理芯片的叠加信号转换成电信号并经功率放大后，输出给 磁致伸缩补偿机构，由磁致伸缩补偿机构完成位移补偿和振动补偿切肩。
[0007] 其相应的采用上述数控车床提高加工精度的补偿方法的磁致伸缩补偿机构，包 括基座(5)以及设置在基座(5)上的超磁致伸缩棒(6)、线圈(4)、输出顶杆(8)、微位移机构 (9)，在微位移机构(9)上设置有刀架（10)以及刀具（12)，所述的超磁致伸缩棒(6)设置在 线圈(4)内，所述的输出顶杆(8)的一端与超磁致伸缩棒(6)的一端连接，输出顶杆(8)的另 一端与微位移机构(9)固定连接用于驱动微位移机构(9)上的刀具，其特征在于:在所述的 微位移机构(9)的末端还设置有一位移传感器(18)。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供一种消除数控机床切削颤振的自动补偿装置和方法。
[0009] 本发明的技术方案是，一种消除数控机床切削颤振的自动补偿装置，该补偿装置 被置于所述数控机床的刀架处， 所述补偿装置包括基座，该基座具有一个刀具接口用来安装刀具，该刀具用于对工件 进行切削加工； 所述刀具接口处的基座内侧设置有一个力传感器，该力传感器用于测量切削颤振力的 大小； 所述力传感器通过一个弹性预紧装置与柔性铰链和直线驱动装置联接，该弹性预紧装 置用于预紧消除间隙； 所述的柔性铰链用于对直线驱动装置输出的驱动力进行放大； 所述直线驱动装置的驱动力经柔性铰链进行驱动力放大后，继而驱动弹性预紧装置连 接的刀具进行直线往复运动； 所述直线驱动装置后端的基座内侧还设置有振动位移传感器，该振动位移传感器用于 检测刀架的振动位移。
[0010] 一种用于消除数控机床切削颤振的切削颤振力测量方法，采用前述的自动补偿装置， 设定如下： 准备加工的工件安装于所述的主控机床上，所述数控机床处于非加工状态，则该状态 为A状态； 所述数控机床的刀具处于对工件进行加工的状态，则该状态为B状态； 包括以下步骤： A1，所述自动补偿装置处于A状态； A2,对直线驱动装置输入驱动电压r (.)，获得直线驱动装置输入电压与输出力之间 的关系t旲型，表不为 (1) 其中，必i(.)为A状态时，直线驱动装置的输入电压与输出力之间的映射，/(幻为直线 驱动器输入电压与输出力之间的关系模型的输出值，女为大于等于1的正整数； A3,设实际切削过程中，力传感器的测量信号为」，有 f2(k) =0ifi(k)+02f (k) (2) 其中，f(k)为B状态时，直线驱动装置在其输入电压作用下产生的力，f\(k)为切削加工 过程中刀具与工件接触产生的颤振作用力，fo>〇和说多〇为加权系数， 令備羅'，则有
即得到所述刀具与工件接触产生的切削颤振力。
[0011] 对于步骤A2中的ict)的获取，采取模型(4 )进行实时估计的方法， 设所述直线驱动装置含有迟滞特性，即：
其中ai和bj为模型参数； n和m为模型中多项式的阶次； n(k-j)为力迟滞子模型输出，即
其中，sgn(.)为符号函数， Av(k)=v(k)-v(k-l), N为多项式阶次， a，do也和赴为力迟滞子模型参数， 利用最小二乘法，离线确定模型⑷和(5)中的参数a，do，ai，b j，dP和gP。
[0012] 一种用于消除数控机床切削颤振的切削颤振位移测量方法，采用前述的自动补偿装 置，设定如下： 准备加工的工件安装于所述的主控机床上，所述数控机床处于非加工状态，则该状态 为A状态； 所述数控机床的刀具处于对工件进行加工的状态，则该状态为B状态； 包括以下步骤： B1，所述自动补偿装置处于A状态； B2,给直线驱动装置输入驱动电压r (.)，直线驱动装置输入电压与输出位移之间的 关系t旲型表不成 3* (k)= W(v(k-Y),s* (k-Vj) (6) 其中，W (.)为A状态时，直线驱动装置的输入电压与输出位移之间的映射，€(的为直线 驱动装置输入电压与输出位移之间的关系模型的输出值j为大于等于1的正整数； B3,设实际切削过程中，位移传感器的测量信号为s2(k)， S2(k) =aisi(k)+a2s*(k) (7) 其中，slk)为B状态时，直线驱动装置在其输入电压作用下产生的位移，Sl(k)为切削 加工过程中刀具与工件接触产生的颤振位移，<^>0和a2>〇为加权系数， 令麵：々I'稱:,
即获得，切削加工过程中所述刀具与工件接触产生的切削颤振位移S1(k)。
[0013] 对于步骤B2的€(衫，采用模型(9)进行实时估计的方法： 即，设直线驱动装置含有迟滞特性，有
其中，a'和b，为模型参数； nlPf为模型中多项式的阶次； P(k-j)为位移迟滞子模型：
其中，sgn(.)为符号函数， N为多项式阶次， 和'为位移迟滞子模型参数， 利用最小二乘法，离线确定模型(9)和（10)中的参数丨及劣_销。
[0014] 一种用于消除数控机床切削颤振的综合补偿方法，采用前述的自动补偿装置， C1，利用力传感器测得所述刀具切削工件引起颤振力f1; C2，利用振动位移传感器测得所述刀具切削工件引起颤振位移S1; C3,所述的自动补偿装置包括力补偿控制器，设为力补偿控制器的输出，设力补偿 控制器表示成： =參片满 fc -:〇: + .巧 K；炉 V): (11) j-1 /a) 其中，叫和\为力补偿控制器参数，可根据性能指标 4,2_-贫_: (12) 利用最小二乘法辨识得到这些参数； C4，所述的自动补偿装置包括位移补偿控制器，设托柯为位移补偿控制器的输出，设位 移补偿控制器表示成： ::敦咕-.窆成够敦:.+:繁:_你."办 (13) jfmi〇 其中，政和巧为位移补偿控制器参数，可根据性能指标 私=；§呒?一可观2 (14) Jt：-1 利用递推最小二乘法辨识得到这些参数； C5，根据颤振力和颤振位移综合补偿性能指标： J = AJ1+(1-A)J2 (15) 其中，其中A为小于1的补偿综合系数， 由公式（16)确定使公式（15)表示的性能指标最小的刀架中的直线驱动装置的补偿电 压
[0015] 进一步的，采用前述的用于消除数控机床切削颤振的切削颤振力测量方法获得颤 振力fi; 进一步的，采用前述的用于消除数控机床切削颤振的切削颤振位移测量方法获得颤振 位移si。
[0016] 进一步的，所述直线驱动装置是压电执行器、磁致伸缩执行器或直线电机。
[0017] 本发明的刀具切削引起的颤振力与位移自动补偿刀架装置结构，采用力传感器实 时测量刀具切削工件产生的颤振力变化，同时采用位移传感器实时测量刀具切削工件产生 的颤振位移变化，根据测量到的力和位移的实时变化，按照颤振力和位移综合补偿控制方 法实时计算出相应的直线驱动器进行综合补偿颤振力和位移的变化所需的驱动电压，从而 实时地产生相应的出力与位移补偿刀具切削工件产生的颤振影响，提高切削工件的光洁度 和加工效率。
[0018] 本发明的基于模型的直线驱动器输出力估计与切削颤振力的测量方法，当采用力 传感器对刀具切削力进行测量时，其测量信号中不仅含有直线驱动器输出的驱动力同时也 含有刀具与工件接触引起的切削颤振力，这两种力之间的耦合作用将导致力传感器的测量 结果不能正确反映切削引起的颤振力的实际变化，从而削弱对进行切削时刀具的颤振力的 补偿作用。
[0019] 为此本发明给出一种颤振力测量方法，即首先在带工件负载，但不进行切削加工 时，通过给直线驱动器输入相应的测试电压信号，同时测量直线驱动器的输出力信号，然 后通过系统辨识方法建立直线驱动器输入电压与输出力之间的关系模型，并利用该模型对 驱动器的输出力进行实时估计。由于采用智能材料的直线驱动器含有迟滞特性，因此需建 立相应的驱动器的驱动电压与输出力之间的关系模型时，需考虑迟滞的影响。
[0020] 当实际切削过程中，将力传感器获得的实时测量信号扣除由带工件负载时直线驱 动器的输出力模型计算出的直线驱动器输出力的估计值，便得到刀具与工件接触产生的颤 振力的实际测量值。
[0021] 本发明的基于模型的直线驱动器输位移估计与切削颤振位移力的测量方法，当采 用位移传感器对刀具切削引起的颤振位移进行测量时，其测量信号中不仅含有直线驱动器 产生的位移同时也含有刀具与工件接触引起的切削颤振位移，这两种位移之间的耦合作用 将导致位置传感器的测量结果不能正确反映切削颤振位移的实际变化，从而削弱对进行切 削时刀具的颤振位移的补偿作用。
[0022] 为此本发明给出一种颤振位移测量方法，即首先在带工件负载，但不进行切削加 工时，通过给直线驱动器输入相应的测试电压信号，同时测量直线驱动器的输出位移信 号，然后通过系统辨识方法建立直线驱动器输入电压与输出位移之间的关系模型，并利用 该模型对驱动器的输出位移进行实时估计。由于采用智能材料的直线驱动器含有迟滞特 性，因此需建立相应的驱动器的驱动电压与输出位移之间的关系模型时，需考虑迟滞的影 响。
[0023] 当实际切削过程中，将位移传感器获得的实时测量信号扣除由带工件负载时直线 驱动器的位移模型计算出的直线驱动器输出位移的估计值，便得到刀具与工件接触产生的 颤振位移的实际测量值。
[0024] 本发明的切削颤振力与位移的综合补偿方法，为消除切削过程刀具与工件接触产 生颤振对加工精度和加工效率的不利影响，需要同时利用刀架上安装的力传感器和位移传 感器根据公式(3)和(8)对颤振力和位移进行测量估计，并按公式(16)所示的综合补偿方法 通过控制直线驱动器的输出的力与位移来消除颤振力和位移的不利影响。
[0025] 本发明给出了一种对切削颤振进行补偿的装置和方法，其特点是在不改变现有的 数控机床的本身结构的前提下，采用一种可颤振自动补偿刀架，该刀架内置切削力传感器、 颤振振动位移传感器，可同步实时地检测切削颤振的应力大小及其变化率和切削颤振引起 刀架振动位移幅值、力变化大小等参数；同时该颤振自动补偿刀架还内置有弹性预紧装置、 柔性铰链和直线驱动器，根据传感器检测到颤振引起的力与振动位移参数的变化，高速处 理器依据振动模型对切削引起的振动位移和力的迟滞特性分别进行预测补偿，避免迟滞特 性对下一步颤振补偿控制造成不利影响。利用振动位移和力的预测结果，根据振动位移与 力特性之间的综合补偿关系，获得控制信号与力、位移之间的综合补偿关系，从而向直线驱 动器发出补偿控制指令对切削颤振影响进行主动补偿。该装置不改变现有数控机床的系统 结构，可适用于各种柔性加工机床或加工中心的切削过程。
【附图说明】
[0026] 图1是本发明实施例中的消除数控机床切削颤振的自动补偿装置。
[0027] 其中，1--刀具，2--刀具接口，3--力传感器，4--弹性预紧，5--柔性 铰链，6--直线驱动装置，7--振动位移传感器，8--基座。
[0028]
【具体实施方式】
[0029] 如图1所示，本发明针对切削过程中刀具颤振对切削精度和工件质量的影响，设计 一种可以安装在数控机床或柔性加工中心的切削刀具的刀架位置上的颤振自动检测与补 偿装置，给出了相应的颤振自动补偿方法。本发明所设计的颤振自动检测与补偿装置不改 变数控机床的本身结构，只需将该装置安装在机床的刀架位置上便可。图中为刀具1，用于 对工件进行切削加工；刀具接口 2，用于更换刀具并与补偿驱动机构连接;力传感器3，测量 切削颤振力的大小;弹性预紧4，用于预紧消除间隙;柔性铰链5，用于放大驱动力;直线驱动 装置6,可为压电执行器、磁致伸缩执行器或直线电机，用于驱动柔性铰链，弹性预紧，进而 驱动刀具进行直线往复运动;振动位移传感器7，用于测量刀架的振动位移；前述部件装置 于基座8内。
[0030] 当切削刀具与工件接触进行切削操作所产生的颤振传递到安装在刀架位置上的 补偿装置，装置里的由力传感器和位移传感器组成颤振的力-位移检测偶对，对刀架颤振的 力大小和位移幅度进行实时测量。设直线驱动器在驱动电压v的作用下产生相应的力f，它 们之间的关系可以表示为： f： (]cf = gXy{k-X),J{k-1)) (el) 其中f(k)为力(牛顿），v(k)为驱动电压(伏），巾（.）为力模型输入与输出间的映射。
[0031]当采用力传感器对刀具切削力进行测量时，其测量信号中不仅含有直线驱动器输 出的驱动力同时也含有刀具与工件接触引起的切削颤振力，即 f2(k) =0ifi(k)+02f (k) (e2) 其中f(k)为直线驱动器在其输入电压作用下产生的力，f2(k)为力传感器测量到的力 信号，fi(k)为切削加工过程中刀具与工件接触产生的颤振作用力，&>0和此彡0为加权系 数。
[0032]这两种力之间的耦合作用将导致力传感器的测量结果不能正确反映切削力的变 化，从而削弱对进行切削时刀具的颤振力的补偿作用。为此本发明给出一种颤振力的测量 方法，即首先在带工件负载，但不进行切削加工时，通过给直线驱动器输入相应的测试电压 信号，同时测量直线驱动器的输出力信号f(k)，设直线驱动器输入电压与输出力之间的关 系模型可以表示成 义㈨二巩(vCfc -(e3) 其中巾.)为带工件负载但不进行切削时直线驱动器的输入电压与输出力之间的映 射，/(幻为直线驱动器输入电压与输出力之间的关系模型的输出值。由此，当实际切削过程 中，力传感器的测量信号为/VW，将其扣除公式(e3)所示的带工件负载时直线驱动器的模 型输出，便得到刀具与工件接触产生的颤振力的实际测量值，即
由于在工程实际中，因成本原因及刀架空间的限制，无法对直线驱动器加装传感器对 其输出力进行实时测量，因此本发明提出建立带工件负载时，驱动器的驱动电压与驱动器 输出力之间的模型，并利用该模型对驱动器的输出力进行实时估计。由于采用智能材料的 直线驱动器含有迟滞特性，因此需建立相应的驱动器的驱动电压与输出力之间的关系模型 时，需考虑迟滞的影响。本发明采用下式来具体实现映射热，即： (e5) 其中ai和比为模型参数;n和m为模型中多项式的阶次;n(k-j)为力迟滞子模型输出， 即：
其中sgn(.)为符号函数，A v(k)=v(k)-v(k-l)，N为多项式阶次，，(^^[^^^为力迟滞 子模型参数。利用最小二乘法，可以离线确定模型(e5)和(e6)中的参数ai，b j，a，do，dp和gp。
[0033]当切削刀具与工件接触进行切削操作所产生的颤振引起刀架产生位移，从而导 致不期望的切削误差，影响切削加工精度，为补偿切削颤振位移对于切削加工精度的影响， 需要直线驱动器在驱动电压v的作用下产生相应的位移s*(k)，其大小与切削引起的颤振 位移幅度相同但相位正好相反。直线驱动器产生的位移与驱动电压之间的关系可以表示 成： s*(k)= W(s(k-l),v(k-l)) (e7) 其中#(k)为驱动器产生的位移(微米），W(.)为驱动器输入与输出间的映射关系。
[0034] 当采用位移传感器对刀具切削工件产生的颤振位移进行测量时，其测量信号中不 仅含有直线驱动器输出的位移同时也含有刀具与工件接触引起的切削颤振位移，即 S2(k) =aisi(k)+a2S*(k) (e8) 其中，(k)为直线驱动器在其输入电压作用下产生的位移，s2(k)为位移传感器测量到 的位移信号，S1(k)为切削加工过程中刀具与工件接触产生的颤振位移，和为加权系数。
[0035] 这两种位移之间的关联作用将导致位移传感器的测量结果不能正确反映切削时 工件颤动的实际位移变化。为此本发明给出一种颤振位移测量方法，即首先在带工件，但不 进行切削加工时，通过给直线驱动器输入相应的测试电压信号，同时测量直线驱动器的输 出位移信号，(k)，设直线驱动器输入电压与输出位移之间的关系模型可以表示成 s*(^)= (e9) 其中W (.)为带工件但不进行切削时直线驱动器的输入电压与输出位移之间的映射， 为直线驱动器输入电压与输出位移之间的关系模型的输出值。由此，当实际切削过程 中，位移传感器的测量信号为S2(k)，将其扣除公式(e9)所示的带工件负载时直线驱动器的 位移模型输出，便得到刀具与工件接触产生的颤振位移 S1(k)的实际测量值，即
由于在工程实际中，因成本原因及刀架空间的限制，无法对直线驱动器加装传感器对 其输出位移进行实时测量，因此本发明提出建立带工件负载时，驱动器的驱动电压与驱动 器输出位移之间的模型，并利用该模型对驱动器的输出位移进行实时估计。由于采用智能 材料的直线驱动器含有迟滞特性，因此需建立相应的驱动器的驱动电压与输出位移之间的 关系模型时，需考虑迟滞的影响。本发明采用下式来具体实现该映射W (.)，即 + - }) (ell) m y-i 其中a'和b，为模型参数;r^Pnf为模型中多项式的阶次;P(k-j)为位移迟滞子模型：
其中sgn(.)为符号函数，N为多项式阶次，%和於为位移迟滞子模型参数。 利用最小二乘法，可以离线确定模型(ell)和(el2)中的参数a'，補：#。
[0036] 为消除切削过程刀具与工件接触产生颤振对加工精度和加工效率的不利影响，需 要同时利用刀架上安装的力传感器和位移传感器对颤振力和位移进行测量，并按下述补偿 方法通过控制直线驱动器的输出的力与位移来消除颤振力和位移的不利影响。设其扣为力 补偿控制器的输出、奸⑥为位移补偿控制器的输出。且设力补偿控制器可以表示成： :J(歧=:.玄只和隹化沐-力:.. （e 13) J-l j 鎢 其中&和\为力补偿控制器参数，可根据辨识性能指标 如：￡ 懸-摘][ (el4) 利用最小二乘法辨识得到这些参数。同理设位移补偿控制器可以表示成： _::=禮#歸，备戈-遠 （e 15) 其中冲和巧为位移补偿控制器参数，这些参数可以根据下述性能指标 办:(el6) A-4: 利用递推最小二乘法辨识得到。在分别确定力和位移补偿器相应的参数后。可根据颤 振力和颤振位移综合补偿性能指标： J = AJ1+(1-A)J2 (el7) 其中其中为小于1的补偿综合系数。由下式确定使公式(el7)表示的性能指标最小的刀 架中的直线驱动器的补偿电压
该补偿方法将既补偿切削颤振力的影响，同时也兼顾到切削颤振位移的影响。
[0037] 本发明的消除数控机床切削颤振的综合补偿方法的实现包括步骤： 1) 利用力传感器测量结果，按(63)、（64)、（65)、（66)公式对刀具切削引起颤振力心进 行测量估计； 2) 同时利用位移传感器测量结果按(e9)，（elO)，（ell)，（el2)公式对刀具切削引起颤 振位移si进行测量估计； 3) 根据估计的心，81及补偿刀架中驱动器输入电压等数据，利用公式(el3)和(el5)以 及性能指标(e 14)和(el6)用递推最小二乘法对力模型公式(el 3)和位移模型公式(e 15)中 的参数Pi，S j，/<，巧进行估计。
[0038] 4)根据获得的模型参数，用公式（el8)计算驱动器补偿刀具切削产生颤振力和颤 振位移所需的控制电压，将该电压施加于刀架中的直线驱动器，可对刀具切削引起的颤振 力和位移进行相应的补偿。
【主权项】
1. 一种消除数控机床切削颤振的自动补偿装置，该补偿装置被置于所述数控机床的刀 架处，其特征在于， 所述补偿装置包括基座，该基座具有一个刀具接口用来安装刀具，该刀具用于对工件 进行切削加工； 所述刀具接口处的基座内侧设置有一个力传感器，该力传感器用于测量切削颤振力的 大小； 所述力传感器通过一个弹性预紧装置与柔性铰链和直线驱动装置联接，该弹性预紧装 置用于预紧消除间隙； 所述的柔性铰链用于对直线驱动装置输出的驱动力进行放大； 所述直线驱动装置的驱动力经柔性铰链进行驱动力放大后，继而驱动与弹性预紧装置 连接的刀具进行直线往复运动； 所述直线驱动装置后端的基座内侧还设置有振动位移传感器，该振动位移传感器用于 检测刀架的振动位移。2. -种用于消除数控机床切削颤振的切削颤振力的测量方法，基于权利要求1所述的 自动补偿装置，设定如下： 准备加工的工件安装于所述的主控机床上，所述数控机床处于非加工状态，则该状态 为A状态； 所述数控机床的刀具处于对工件进行加工的状态，则该状态为B状态； 其特征在于，包括以下步骤： Al，所述自动补偿装置处于A状态； A2,对直线驱动装置输入驱动电压r (.)，获得直线驱动装置输入电压与输出力之间 的关系t旲型，表不为 = 1),/(^-1)) (1) 其中，h(.)为A状态时，直线驱动装置的输入电压与输出力之间的映射，/㈨为直线驱 动器输入电压与输出力之间的关系模型的输出值，女为大于等于1的正整数； A3,设实际切削过程中，力传感器的测量信号为有 f2(k) =Pifi(k)+&f(k) (2) 其中，f(k)为B状态时，直线驱动装置在其输入电压作用下产生的力，fKk)为切削加工 过程中刀具与工件接触产生的颤振作用力，fo>〇和&多O为加权系数， 令/㈦=，则有即得到所述刀具与工件接触产生的切削颤振力。3. 如权利要求2所述的用于消除数控机床切削颤振的切削颤振力测量方法，其特征在 于，对于步骤A2中的Jt(Ar)的获取，采取模型(4)进行实时估计的方法， 设所述直线驱动装置含有迟滞特性，即：其中和为模型参数； η和m为模型中多项式的阶次； n(k-i)为力迟滞子模型输出，即：其中，sgn( ·)为符号函数， Av(k)=v(k)-v(k-l), N为多项式阶次， do，(^和&为力迟滞子模型参数， 利用最小二乘法，离线确定模型(4)和(5)中的参数ai和bj及a，do，dp和gp。4. 一种用于消除数控机床切削颤振的切削颤振位移测量方法，基于权利要求1所述的 自动补偿装置，设定如下： 准备加工的工件安装于所述的主控机床上，所述数控机床处于非加工状态，则该状态 为A状态； 所述数控机床的刀具处于对工件进行加工的状态，则该状态为B状态； 其特征在于，包括以下步骤： Bl，所述自动补偿装置处于A状态； B2,给直线驱动装置输入驱动电压r (.)，直线驱动装置输入电压与输出位移之间的 关系t旲型表不成 ψ(ν(^-IXst(^-I)) (6) 其中，Ψ (.)为A状态时，直线驱动装置的输入电压与输出位移之间的映射，藏_)为直线 驱动装置输入电压与输出位移之间的关系模型的输出值j为大于等于1的正整数； B3,设实际切削过程中，位移传感器的测量信号为s2(k)， S2(k) =aisi(k)+〇2S*(k) (7) 其中，，(k)为B状态时，直线驱动装置在其输入电压作用下产生的位移，S1(k)为切削加 工过程中刀具与工件接触产生的颤振位移，^>0和a2>0为加权系数， 令纖』即获得，切削加工过程中所述刀具与工件接触产生的切削颤振位移。5. 如权利要求4所述的用于消除数控机床切削颤振的切削颤振位移测量方法，其特征 在于，对于步骤B2的/〇)，采用模型(9)进行实时估计的方法： 即，设直线驱动装置含有迟滞特性，有其中，a'和b'为模型参数； ^和V为模型中多项式的阶次； P(k-j)为位移迟滞子模型：其中，sgn( ·)为符号函数， N为多项式阶次，为位移迟滞子模型参数， 利用最小二乘法，离线确定模型(9)和（10)中的参；6. -种用于消除数控机床切削颤振的综合补偿方法，基于权利要求1所述的自动补偿 装置，其特征在于， C1，利用力传感器测得所述刀具切削工件引起颤振力f1; C2，利用振动位移传感器测得所述刀具切削工件引起颤振位移S1; C3，所述的自动补偿装置包括力补偿控制器，设/化)为力补偿控制器的输出，设力补偿 控制器表示成：(11) 其中，叫和\为力补偿控制器参数，可根据性能指标(12) 利用最小二乘法辨识得到力补偿控制器参数； C4,所述的自动补偿装置包括位移补偿控制器，设RAO为位移补偿控制器的输出，设位 移补偿控制器表示成：(13) 其中，紱和今为位移补偿控制器参数，可根据性能指标(14) 利用递推最小二乘法辨识得到位移补偿控制器参数； C5，根据颤振力和颤振位移综合补偿性能指标： J = AJ1+(1-A)J2 (15) 其中，其中为大于零小于1的补偿综合系数， 由公式(16)确定使公式(15)表示的性能指标最小的刀架中的直线驱动装置的补偿电压7. 如权利要求6所述的用于消除数控机床切削颤振的综合补偿方法，其特征在于， 采用如权利要求2或3所述的用于消除数控机床切削颤振的切削颤振力测量方法获得 颤振力fi; 采用如权利要求4或5所述的用于消除数控机床切削颤振的切削颤振位移测量方法获 得颤振位移S1。8.如权利要求1所述的消除数控机床切削颤振的自动补偿装置，其特征在于，所述直线 驱动装置是压电执行器、磁致伸缩执行器或直线电机。
【文档编号】B23Q17/09GK106002489SQ201610531427
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】谭永红, 谢扬球, 董瑞丽
【申请人】上海师范大学