CN101984379B - 一种基于指令序列的数控车削加工过程振动抑制方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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，n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a_p，有

a_p＝(d₂-d₁)/2(1)

其中，d₂为待加工表面外圆直径，d₁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＝a_p/sink_r    (2)

其中k_r为刀具的主偏角。

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b_lim，称为极限切削宽度，当实际的切削宽度b满足b＞b_lim时，颤振必然会发生；当实际的切削宽度b满足b＜b_lim时，加工是稳定的；当实际的切削宽度b满足b＝b_lim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ω_n，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k_s

切削力F模型如式(I)所示：

F＝k_sbh    式(I)

其中，h为切削厚度，b为切削宽度，k_s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k_s；

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，b_lim)的值，n表示转速，b_lim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：

$n=\frac{60w}{2\mathrm{j\π}+{\sin }^{-1}\frac{2\mathrm{\ξ\λ}}{\sqrt{{\left(2\mathrm{\ξ\λ}\right)}^2+{(1-{\mathrm{\λ}}^2)}^2}}-{\tan }^{-1}\left(\frac{2\mathrm{\ξ\λ}}{1-{\mathrm{\λ}}^2}\right)}$ 式(II)

$b_{\lim }=-\frac{2\mathrm{\ξ\λk}}{k_s\sin ({\sin }^{-1}\frac{2\mathrm{\ξ\λ}}{\sqrt{{\left(2\mathrm{\ξ\λ}\right)}^2+{(1-{\mathrm{\λ}}^2)}^2}}-{\tan }^{-1}\left(\frac{2\mathrm{\ξ\λ}}{1-{\mathrm{\λ}}^2}\right))}$ 式(III)

其中，ω为比ω_n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。

数控车床在加工过程中，由于工艺参数选取的不合理(主要是主轴转速和切削宽度选取不当)，有可能导致颤振的发生，与传统的方法相比，本发明在以下方面优势明显：

(1)加工过程可以顺利完成，不会因颤振的发生而终止；

(2)加工颤振的控制方法集成于数控系统中，无需外挂；

(3)数控系统自动识别并优化主轴转速值。因此，在编写数控程序时，不会过多受工艺参数选取的限制，大大提高了编写数控程序的效率。

附图说明

图1是车削加工工艺参数示意图；

图2为稳定性极限图示例；

图3是车刀刀尖模态试验原理图；

图4为本发明方法原理说明图；

图5(a)为本发明的基于指令序列的主轴转速曲线图；

图5(b)为本发明的基于指令序列的切削宽度曲线图；

其中，P为加工G代码的指令序列指示轴；

图6为本发明的基于指令序列的加工稳定性示意图。

具体实施方式

本发明所提供的方法仅针对于车削加工。具体实施步骤如下：

(1)识别机床动力学参数，包括固有频率ω_n，阻尼比ζ和刚度系数k

由于数控机床的加工稳定性受到机床的机械结构和加工工艺系统的影响，本发明首先需要识别机床机械结构的动力学参数，即固有频率ω_n，阻尼比ζ和刚度系数k。采用频响函数法来辨识机床动力学参数，即根据激励频率与响应幅值之间的关系曲线，采用参数识别方法，推断出机床的动力学参数。将数控机床简化为一个单自由度有阻尼系统，该系统的频率响应函数为：

$H\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1/k}{1-{(\mathrm{\ω}/{\mathrm{\ω}}_n)}^2+i2\mathrm{\ξ}(\mathrm{\ω}/{\mathrm{\ω}}_n)}---\left(3\right)$

其中，ω为激励频率，ω_n为固有频率，ζ为阻尼比，k为刚度系数。从而得到系统的幅频特性和相频特性，即：

$\left\{\begin{array}{c}\left|H\left(\mathrm{\ω}\right)\right|=\frac{{\mathrm{\ω}}_n^2}{k\·\sqrt{{({\mathrm{\ω}}_n^2-{\mathrm{\ω}}^2)}^2}+{\left({2\mathrm{\ξ\ω}}_n\mathrm{\ω}\right)}^2}\\ \mathrm{\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\arctan \frac{{2\mathrm{\ξ\ω}}_n\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_n^2-{\mathrm{\ω}}^2}\end{array}---\left(4\right)\right.$

通过数控机床的结构综合动刚度实验，测量得到数控机床沿刀具进给方向在刀尖点激励且在刀尖点测试所得的频响函数曲线。从频响函数曲线中截取一系列幅频值，采用非线性最小二乘法经曲线拟合计算后辨识出动力学参数：固有频率ω_n，阻尼比ζ和刚度系数k。

(2)进行切削力实验，得到静态切削力系数k_s

采用如下切削力F模型，

F＝k_sbh    (5)

其中，h为切削厚度，b为切削宽度，k_s为静态切削力系数。在变化加工参数(切削厚度h、切削宽度b)的条件下，开展常规切削力实验。得到一系列数据值(h，b，F)，经线性最小二乘法辨识得到k_s值。

(3)获取机床加工稳定性极限曲线

在本发明中机床加工稳定性极限是指颤振发生的临界条件下的一组(n，b_lim)的值。n表示转速，b_lim表示在该转速下的极限切削宽度，若当前加工的切削宽度b满足b＞b_lim，则会发生颤振，否则不会发生颤振。

在获得机床切削系统动力学参数(ω_n，ζ，k)及静态切削力系数k_s后，可以下述两式获得机床加工稳定性极限。

$n=\frac{60w}{2\mathrm{j\π}+{\sin }^{-1}\frac{2\mathrm{\ξ\λ}}{\sqrt{{\left(2\mathrm{\ξ\λ}\right)}^2+{(1-{\mathrm{\λ}}^2)}^2}}-{\tan }^{-1}\left(\frac{2\mathrm{\ξ\λ}}{1-{\mathrm{\λ}}^2}\right)}---\left(6\right)$

$b_{\lim }=-\frac{2\mathrm{\ξ\λk}}{k_s\sin ({\sin }^{-1}\frac{2\mathrm{\ξ\λ}}{\sqrt{{\left(2\mathrm{\ξ\λ}\right)}^2+{(1-{\mathrm{\λ}}^2)}^2}}-{\tan }^{-1}\left(\frac{2\mathrm{\ξ\λ}}{1-{\mathrm{\λ}}^2}\right))}---\left(7\right)$

其中，

j是一个整数，且大于或等于0。

具体步骤如下：

(3.1)在ω_n附近等间距的选取比ω_n值稍大的频率值ω，例如在[ω_n，1.2ω_n]的区间内，以0.01ω_n为间隔取一系列的ω值ω₁、ω₂、ω₃…ω_max，max表示频率ω在该区间内的取值个数，显然ω_max＝1.2ω_n。

(3.2)对于j＝0、1、2、…，依次以(3.1)中的一系列频率值ω_m，m表示频率ω的序号，分别代入式(6)和式(7)，求得一系列值(n，b_lim)。此处，j的取值在理论上是不受限制的，本发明方法推荐取j≤10。

(3.3)以n为横坐标，b_lim为纵坐标绘制稳定性极限曲线，如图2所示。

(4)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关键参数组，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。

(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，依式(1)及式(2)计算出切削宽度值，由此便获取了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：

(a)若(n，b)处于稳定区域，则不用优化；

(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)、(4.2)，直至加工结束。

图5为本发明所获取的主轴转速曲线图(a)及切削宽度曲线图(b)，横坐标表示获取该主轴信息或切削宽度信息的程序段号，对于加工过程的每个工步，数控系统均可通过图(a)和图(b)的信息，获取当前关键参数组；

图6中，横坐标为转速值，纵坐标为与该转速值对应的切削宽度值；黑点表示从数控加工程序指令序列中获取的关键参数组的信息，第1组与第5组的关键参数组处于稳定区域，第2，3，4，6组的关键参数组处于颤振发生区域；图3为车刀刀尖模态试验原理图，通过刀尖的模态试验可以获得机床动力学参数。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据实施例和附图公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一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ω_n，阻尼比ξ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k_s

切削力F模型如式(I)所示：

F＝k_sbh    式(I)

其中，h为切削厚度，b为切削宽度，k_s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k_s；

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，b_lim)的值，n表示转速，b_lim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：

$n=\frac{60w}{2\mathrm{j\π}+{\sin }^{-1}\frac{2\mathrm{\ξ\λ}}{\sqrt{{\left(2\mathrm{\ξ\λ}\right)}^2+{(1-{\mathrm{\λ}}^2)}^2}}-{\tan }^{-1}\left(\frac{2\mathrm{\ξ\λ}}{1-{\mathrm{\λ}}^2}\right)}$ 式(II)

$b_{\lim }=-\frac{2\mathrm{\ξ\λk}}{k_s\sin ({\sin }^{-1}\frac{2\mathrm{\ξ\λ}}{\sqrt{{\left(2\mathrm{\ξ\λ}\right)}^2+{(1-{\mathrm{\λ}}^2)}^2}}-{\tan }^{-1}\left(\frac{2\mathrm{\ξ\λ}}{1-{\mathrm{\λ}}^2}\right))}$ 式(III)

其中，

ω为比ω_n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；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，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。

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ω_n附近等间距的选取比ω_n值稍大的频率值ω，记为ω_m，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ω_m分别代入式(II)和式(III)，求得一系列值(n，b_lim)；

(3.3)以n为横坐标，b_lim为纵坐标绘制稳定性极限曲线。

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