一种基于辅助叠加振动的铣削加工颤振控制方法及系统

摘要

本发明提供一种基于辅助叠加振动的铣削加工颤振控制方法及系统，在铣削加工过程中，通过在主轴‑刀具切削进给方向上产生辅助叠加振动，来实现铣削加工颤振的控制。系统包括设置在铣削机床的主轴的前端的作动装置，连接机床的CNC系统读取主轴转速以及进给速度，以及铣刀刀具齿数的控制器，控制器用于根据辅助叠加振动的最大幅值和辅助叠加振动的周期频率得到作动力的最大幅值和频率，输出相应的控制电压信号控制作动装置。在铣削加工过程中，考虑实际工作转速条件及切削进给量，通过在进给方向上施加辅助叠加振动的方法，改变铣削颤振的稳定域边界，对颤振进行控制。

说明书

技术领域

本发明属于高速铣削加工领域，主要涉及铣削加工过程的颤振控制技术，具体为一种基于辅助叠加振动的铣削加工颤振控制方法及系统。

背景技术

在高速铣削加工过程中，出于经济效益的考虑，需要保证铣削加工过程的稳定性，尽可能避免不稳定颤振现象的发生，从而保证切削加工效率。铣削加工过程中颤振现象的发生会引发一系列的问题，如加工工件表面质量恶化、刀具急剧磨损、刀具折断、机床部件(如主轴系统)使用寿命下降等，同时也会严重影响实际的切削加工效率。因此，如何通过一定的手段避免铣削加工过程中的颤振，意义重大，引起了很多人的关注。目前，铣削加工颤振控制的方法有很多，从实施策略上，大致包括三大类：第一类，通过使用非恒定主轴转速或非均匀刀齿的铣刀进行切削，在一定范围内破坏颤振发生的诱导条件；第二类，设计各种各样的阻尼单元或阻尼装置，安装在主轴系统上或夹具上等，吸收自激振动产生的能量，在一定程度上能够提高铣削颤振稳定域的边界；第三类，通过设计不同形式的作动装置，在切削过程中，根据传感器的反馈信号，对工件或者主轴系统的前端施加主动控制作用力，通过作动力的输入，改变整个动态铣削加工过程的力学特性，从而实现颤振主动控制。其中，第一类与第二类方法相对简单，但存在一定的局限性，如第一类方法，存在不适用于较高转速工况、对刀具的强度要求较高等问题，而第二类方法中阻尼单元或装置难以根据实际切削工况进行主动调整，提高铣削颤振的稳定域边界的能力有限。第三类方法，根据反应加工状态的反馈信号，基于设计的主动控制算法，利用作动装置向铣削加工系统施加主动式作动力，对颤振的抑制效果明显，但存在的最大不足在于，整个控制系统受到的扰动因素非常多，很难满足整个系统鲁棒性的要求，对于实际的工业应用具有一定的局限性。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于辅助叠加振动的铣削加工颤振控制方法及系统，在铣削加工过程中，考虑实际工作转速条件及切削进给量，通过在进给方向上施加辅助叠加振动的方法，改变铣削颤振的稳定域边界，对颤振进行控制。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于辅助叠加振动的铣削加工颤振控制方法，在铣削加工过程中，通过在主轴-刀具切削进给方向上产生辅助叠加振动，来实现铣削加工颤振的控制。

优选的，通过如下方法在主轴-刀具切削进给方向上产生辅助叠加振动；

在铣削机床的主轴的前端设置作动装置，作动装置安装在机床坐标系下的x、y方向上，用于在主轴旋转工况下分别对主轴径向x、y方向上施加作动力，实现刀具任意切削进给方向上作动力的合成；当作动装置对主轴系统施加正弦周期性作动力时，在刀具刀尖点处产生相应的振动位移响应X_s，作为辅助叠加振动。

进一步，通过实验建立主轴刀具刀尖点处振动位移响应X_s的幅值a与作动装置产生的作动力的如下关系，定量地控制刀具刀尖点处的振动位移；

a＝kF

其中，F为作动装置施加在主轴前端的作动力的幅值，k为刀具刀尖点处振动位移响应幅值与作动力的幅值关系系数。

再进一步，建立主轴刀具刀尖点处振动位移响应与作动力的函数关系时，利用非接触式位移传感器对主轴刀具刀尖点处的振动位移响应进行测量，记录不同幅值周期性作动力下主轴刀具刀尖点处的位移响应幅值，从而得到刀具刀尖点处振动位移响应幅值与作动力的幅值关系系数k。

进一步，针对不同的工况条件，与作动装置连接的控制器从机床的CNC系统中读取主轴转速以及进给速度，再综合铣刀刀具齿数，得到沿主轴-刀具切削进给方向施加的辅助叠加振动的周期频率和最大幅值，

根据在刀具刀尖点处所需施加的辅助叠加振动的最大幅值a_max，以及主轴刀具刀尖点处振动位移响应与作动装置产生的作动力的关系，得到作动力的最大幅值，由辅助叠加振动的周期频率得到一致的作动力频率，从而输出控制电压信号到安装在主轴前端的作动装置，使得在主轴-刀具切削进给方向上，产生所需的作动力，在刀具刀尖点处产生所需的辅助叠加振动。

再进一步，辅助叠加振动X_s的周期频率由下式确定：

其中，f为辅助叠加振动的频率，单位Hz；ω为主轴的转速，单位为rpm；N为铣削加工时所用铣刀的刀齿数。

进一步，辅助叠加振动的最大幅值由下式确定：

a_max＝ρ·X₀

其中，a_max为辅助叠加振动的最大幅值，单位为mm；X₀为铣削加工的进给速度，单位为mm/齿，ρ为可选择的比例系数，且0＜ρ＜1。

一种基于辅助叠加振动的铣削加工颤振控制系统，包括设置在在铣削机床的主轴的前端的作动装置，连接机床的CNC系统读取主轴转速以及进给速度，以及铣刀刀具齿数的控制器，控制器用于根据辅助叠加振动的最大幅值和辅助叠加振动的周期频率得到作动力的最大幅值和频率，输出相应的控制电压信号控制作动装置。

优选的，针对不同的工况条件，与作动装置连接的控制器从机床的CNC系统中读取主轴转速以及进给速度，再综合铣刀刀具齿数，得到沿主轴-刀具切削进给方向施加的辅助叠加振动的周期频率和最大幅值。

优选的，作动装置安装在机床坐标系下的x、y方向上，用于在主轴旋转工况下分别对主轴径向x、y方向上施加作动力，合成刀具任意切削进给方向上的作动力。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过在铣削加工过程中主轴-刀具切削进给方向上施加辅助叠加振动的方法来提高铣削加工过程的稳定域边界；本发明所述方法是基于铣削颤振发生的机理，通过在铣削加工过程中主轴-刀具切削进给方向上施加一定形式的辅助叠加振动，使得动态切削深度发生变化，对于整个动态铣削加工过程而言，引入了新的周期激励，改变了系统的时滞，最终的有益效果在于提升了整个系统的铣削稳定域边界，从而实现了颤振的控制。同时，由于是在主轴-刀具切削进给方向上施加的辅助叠加振动，不会对已切削加工表面质量造成影响，相反，由于叠加振动的存在，可以降低由于刀具刀齿周期性切削在已切削加工表面上留下的微小“凸峰”，进一步改善切削加工表面的质量。

进一步的，本发明所述方法，根据不同的工况条件如转速、主轴-刀具切削进给速度、刀齿数等，可以对施加的辅助叠加振动进行自适应调整，方法简单，容易实现，具有很好的适用性。

附图说明

图1为本发明所述系统的工作原理示意图。

图中：1为机床主轴，2为安装在主轴前端的作动装置，3为刀具，4为被加工工件。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种基于辅助叠加振动的铣削加工颤振控制方法及系统，在铣削加工过程中，通过作动装置在主轴前端施加作动力，沿主轴-刀具切削进给方向，在主轴刀具刀尖点处产生辅助叠加振动，来实现铣削加工颤振的控制。

如图1所示，本发明所述的方法是在图中1所示机床主轴的颤振控制系统上实现的，在主轴1的前端安装有作动装置2，作动装置2安装在机床坐标系下的x、y方向上，可以在主轴旋转工况下分别对主轴径向x、y方向上施加作动力。进一步地，可以实现刀具任意切削进给方向上作动力的合成。当安装在主轴1前端的作动装置2对主轴系统施加正弦周期性作动力时，在主轴-刀具系统的前端3，即刀具刀尖点处，可以产生相应的振动位移响应X_s，这里称之为辅助叠加振动。

为了实现本发明中所述的方法，首先利用安装在主轴前端的作动装置对主轴系统施加正弦周期性作动力，同时，利用非接触式位移传感器对主轴前端的振动位移响应进行测量，记录不同幅值周期性作动力下主轴前端的位移响应幅值。建立如下的主轴前端振动位移响应X_s的幅值a与作动装置2产生的作动力的关系：

a＝kF；

其中，F为作动装置施加在主轴前端的作动力的幅值，k为刀具刀尖点处振动位移响应幅值与作动力的幅值关系系数。

建立主轴刀具刀尖点处振动位移响应与作动力的函数关系时，利用非接触式位移传感器对主轴刀具刀尖点处的振动位移响应进行测量，记录不同幅值周期性作动力下主轴刀具刀尖点处的位移响应幅值，从而得到刀具刀尖点处振动位移响应幅值与作动力的幅值关系系数k。

接下来，通过在铣削加工过程中主轴-刀具切削进给方向上施加某一频率的辅助叠加振动，使得动态切削深度发生变化，对于整个动态铣削加工过程而言，引入了新的周期激励，改变了系统的时滞，最终提升整个系统的铣削稳定域边界，从而实现了颤振的控制。

具体地，沿主轴-刀具切削进给方向施加的辅助叠加振动的周期频率由下式确定：

其中，f₁为辅助叠加振动的频率，单位Hz，与作动力的频率一致；ω为主轴的转速，单位为rpm；N为铣削加工时所用铣刀的刀齿数。

考虑铣削加工时的进给速度，设定施加的辅助叠加振动的最大幅值。为了避免振动幅值过大引起铣削加工过程中的“跳齿”现象，考虑以下关系：

a_max＝ρ·X₀

其中，a_max为辅助叠加振动的最大幅值，单位为mm；X₀为铣削加工的进给速度，单位为mm/齿，ρ为可选择的比例系数且0＜ρ＜1。

进一步地，针对不同的工况条件，与主轴前端的作动装置连接的控制器从机床的CNC系统中读取主轴转速以及进给速度信息，再综合铣刀刀具信息中的铣刀刀具齿数，得到沿主轴-刀具切削进给方向施加的辅助叠加振动的周期频率和最大幅值，根据在刀具刀尖点处所需施加的辅助叠加振动的最大幅值a_max，以及主轴刀具刀尖点处振动位移响应与作动装置2产生的作动力的关系，得到作动力的最大幅值，由辅助叠加振动的周期频率得到一致的作动力频率，从而输出控制电压信号到安装在主轴前端的作动装置，使得在主轴-刀具切削进给方向上，产生所需的作动力，向主轴前端施加相应的作动力，从而在主轴-刀具方向上产生所需的辅助叠加振动，即在刀具刀尖点处产生所需的辅助叠加振动。