CN103252680A - 一种铣削加工颤振主动控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铣削加工颤振主动控制系统，包括位移检测单元、信号采集单元、中央控制单元、音圈电机驱动器和音圈电机，其中位移检测单元用于对工件由于颤振产生的位移执行感测，并获得检测电压信号；信号采集单元用于采集检测电压信号并输送给中央控制单元；中央控制单元根据所接收的信号相应计算控制电压信号；音圈电机驱动器将控制电压信号转换为电流信号并予以功率放大，然后输出至音圈电机使其驱动，由此实现铣削加工颤振主动控制过程。本发明还公开了相应的控制方法。通过本发明，能够以响应快、输出力大、便于操控的方式执行颤振主动控制过程，同时具备高精度、抑制效果明显等优点，并尤其适用于弱刚性工件之类的颤振控制用途。

Description

一种铣削加工颤振主动控制系统及其方法

技术领域

本发明属于切削加工控制技术领域，更具体地，涉及一种铣削加工颤振主动控制系统及其方法。

背景技术

在铣削加工过程中，由于铣削力和其他不确定载荷的作用，工艺系统往往会发生颤振现象，并影响到加工精度和铣削效率。颤振是一种自激振动，其中再生型颤振（因铣削厚度变化效应所产生的动态铣削力激起的自激颤振）最为有害。颤振现象的发生会降低铣削用量和工件的表面质量，导致加工刀具的提前报废，同时产生大量的噪声；在加工实践中，颤振现象对于金属合金框、薄壁支架之类弱刚性工件的影响尤为明显。

针对铣削加工过程中的颤振现象，现有技术中已经提出了各种主动控制技术。其中一类方法是对铣削系统进行系统建模，以此方式来执行颤振主动控制，然而铣削加工系统自身往往非常复杂，设计模型往往建立在比较粗糙的流变学假设上，相应导致难以获得准确的系统模型；此外，铣削加工机械系统反应的滞后也会使该方法不能很好地对铣削稳定性执行在线控制，因此难以有效地消除颤振现象。

近年来，随着压电陶瓷、电流变液、磁流变液智能材料的迅速发展，此类材料被引入到颤振主动控制的过程中，并取得了良好的效果。例如，张原铭等提出了一种将压电陶瓷作动器和薄壁状弱刚性工件粘合在一起，相应执行颤振主动控制的方法（参见“Milling Workpiece ChatterAvoidance Using Piezoelectric Active Damping:A FeasibilityStudy”,Smart Mater.Struct，14（6），N65页-N70页），该方法响应快，但是易于折断，输出力和位移偏小，在较大程度上限制了其作为驱动器的应用；J.L.Dohner等提出了一种将磁致伸缩作动器安装在主轴上执行颤振主动控制的方法（参见“Mitigation of Chatter Instabilities inMilling by Active Structural Control”,J.Sound Vibr,2004，vol269,197-211页），该方法响应快且输出力大，但同样易于折断，且存在控制成本高的问题。相应地，寻找一种更为完善的颤振主动控制技术，正成为本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种铣削加工颤振主动控制系统及其方法，其中通过采用音圈电机作为抑制颤振的执行器并相应设计其控制系统，能够以响应快、输出力大、便于操控的方式执行颤振主动控制过程，同时具备高精度、抑制效果明显等优点，因而尤其适用于弱刚性工件之类的颤振控制用途。

按照本发明的一个方面，提供了一种铣削加工颤振主动控制系统，其特征在于，该系统包括位移检测单元、信号采集单元、中央控制单元、音圈电机驱动器和音圈电机，其中：

所述位移检测单元用于对工件在铣削加工中由于颤振现象所产生的位移执行实时感测，并获得相应的检测电压信号；

所述信号采集单元用于采集位移检测单元所获得的检测电压信号，并将其输送给中央控制单元；

所述中央控制单元根据所接收的信号，相应计算确定用于抑制颤振现象的控制电压信号，然后将该控制电压信号输送给音圈电机驱动器；

所述音圈电机驱动器将控制电压信号转换为电流信号并予以功率放大，然后输出至设置在工件附近的音圈电机使其驱动；

所述音圈电机作为执行器，根据音圈电机驱动器的驱动来相应抑制颤振，由此实现铣削加工颤振主动控制过程。

作为进一步优选地，所述工件为长桁、壁板、航空叶片之类的弱刚性零件。

作为进一步优选地，所述振动位移检测单元优选为激光位移传感器或涡流位移传感器。

作为进一步优选地，所述信号采集单元为多通道数据采集卡，且其输入通道数为8通道，数据采集速率为50K，分辨率为0.05μm。

作为进一步优选地，所述中央控制单元通过多通道电压输出卡将控制电压信号同步输送给对应设置的多个音圈电机驱动器，由此驱动多个音圈电机来共同执行颤振主动控制。

作为进一步优选地，所述音圈电机的工作频率被设定为0Hz～50Hz，其响应时间和精度分别被设定为0.54ms和0.01N。

作为进一步优选地，所述系统还包括显示单元，该显示单元采用触摸屏的形式，用于输入配置参数和显示颤振控制过程中的相关数据。

作为进一步优选地，所述系统整体构成为实时闭环控制系统。

按照本发明的另一方面，提供了一种相应的铣削加工颤振主动控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

（a）将位移检测单元初始获得的检测电压信号调整为零，同时使得音圈电机的输入信号和输出信号之间呈线性比例关系，由此执行控制系统的标定步骤；

（b）采用位移检测单元对工件在铣削加工中由于颤振现象所产生的位移执行实时感测，并获得相应的检测电压信号；

（c）对位移检测单元所获得的检测电压信号予以实时采集，并输送给中央控制单元以计算出相应的控制电压信号，然后将该控制电压信号输送给音圈电机驱动器；

（d）音圈电机驱动器将控制电压信号转换为电流信号并予以功率放大，然后输出至设置在工件附近的音圈电机使其驱动以便抑制颤振，由此实现整体的铣削加工颤振主动控制过程。

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，主要具备以下的技术优点：

1、通过采用音圈电机作为抑制颤振的执行器并相应设计其控制系统，测试表明不仅响应快，而且输出力和位移大，能够很好地实现对各类工件铣削加工颤振的主动控制，同时整体控制系统便于实现、工作寿命长；

2、通过构建实时闭环控制系统并对其关键工作参数进行设定，从位移检测单元感测振动位移到音圈电机执行颤振抑制，整个过程可控制在几毫秒之内，延迟时间短，而且音圈电机力控准确，与现有技术相比可显著提高颤振抑制效果；

3、按照本发明的颤振主动控制方法在其控制过程中能够实时计算和反馈，符合铣削加工的时变特点，同时具备便于操控、精度高等特点，因而尤其适用于弱刚性工件之类的颤振控制用途。

附图说明

图1是按照本发明的铣削加工颤振主动控制系统的应用环境示意图；

图2是按照本发明的铣削加工颤振主动控制系统的主体结构示意图；

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-位移检测单元 2-信号采集单元 3-中央控制单元 4-音圈电机驱动器 5-音圈电机 6-工件 7-铣刀 8-主轴 9-显示单元

具体实施方式

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。

图1是按照本发明的铣削加工颤振主动控制系统的应用环境示意图，图2是按照本发明的铣削加工颤振主动控制系统的主体结构示意图。如图1和图2中所示，按照本发明的铣削加工颤振主动控制系统主要包括位移检测单元1、信号采集单元2、中央控制单元3、音圈电机驱动器4和音圈电机5，其中通过采用音圈电机来作为抑制颤振现象的执行器，不仅响应快、而且输出力和位移大，由此能够很好地执行铣削加工过程中对颤振现象的主动控制。

具体而言，位移检测单元1可采用高精度的激光位移传感器或涡流位移传感器，其对应于作为感测对象的工件6而设置，用于针对工件6上的某测点对工件在铣削加工中由于颤振现象所产生的位移执行实时感测，并获得及输出相应的检测电压信号。信号采集单元2优选采用多通道数据采集卡（譬如，NI数据采集卡，运行环境为Labview RT实时系统），用于采集位移检测单元1所获得的检测电压信号，并将其实时输送给中央控制单元3。

中央控制单元3可运行在Labview RT实时系统下，并采用NI嵌入式控制器的形式，由此用于根据所接收的检测电压信号，实时计算并确定可用于抑制颤振现象的控制电压信号，然后将该控制电压信号输送给音圈电机驱动器4。该输送过程可由多通道电压输出卡（譬如，NI多通道模拟电压输出卡，运行环境为Labview RT实时系统）来执行，由此控制电压信号被同步输送给对应设置的多个音圈电机驱动器，并驱动多个音圈电机来共同执行颤振主动控制。

音圈电机驱动器4包括脉冲发生器、脉冲分配器和功率放大器，其用于将控制电压信号转换为电流信号并予以功率放大，然后输出至设置在工件附近的音圈电机使其驱动执行力控；音圈电机5的作用是作为抑制颤振现象的执行器，其根据音圈电机驱动器4的驱动来相应抑制颤振，由此实现铣削加工颤振主动控制过程。如图1中所示，音圈电机5的数量为四台，并分别设置对应的工件附近。

此外，以上控制系统还可以包括人机交互界面，由此用于输入一些配置参数及用于显示整个控制过程中的相关数据。该人机交互界面可采用计算机另外配备键盘、鼠标的形式，或者直接采用触摸屏的形式，由此实现上述功能。

考虑到弱刚性零件自身的结构及其他特点，按照本发明的一个优选实施方式，当作为感测对象的工件为弱刚性零件时，所述信号采集单元的数据采集速率可被设定为50K，其分辨率被设定为0.05μm，由此能够更为精确地地获得零件颤振的感测结果。此外，按照本发明的另一优选实施方式，所述音圈电机的工作频率被设定为0-50Hz，其响应时间和精度分别被设定为0.54ms和0.01N。较多的测试表明，上述工作参数能够有效抑制弱刚性零件的铣削加工颤振。

下面将进一步具体描述按照本发明的铣削加工颤振主动控制操作流程：

首先，譬如采用厚度为3mm的铝合金薄壁工件作为控制目标，铣削设备为五轴数控立式铣床，通过仿真将位移检测单元1和音圈电机的位置合理布置在工件附近；然后，需要执行控制系统的标定操作：该标定操作具体包括对位移检测单元进行调节，使其初始输出检测电压值为零；同时采用载荷传感器和示波器对音圈电机及其驱动器进行校准，并保证音圈电机的输入信号和输出信号之间呈一定的线性比例关系；

接着，采用位移检测单元对铝合金薄壁工件在铣削加工中由于颤振现象所产生的位移执行实时感测，并获得相应的检测电压信号；通过信号采集单元对位移检测单元所获得的检测电压信号予以实时采集，并输送给中央控制单元；中央控制单元计算确定相应的控制电压信号，然后将该控制电压信号输送给音圈电机驱动器；

最后，音圈电机驱动器将控制电压信号转换为电流信号并予以功率放大，然后输出至设置在工件附近的音圈电机使其驱动以便抑制颤振，由此实现整体的铣削加工颤振主动控制过程；测试结果表明，能够有效抑制铝合金薄壁工件的颤振现象，所加工出的工件表面质量明显提高。

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。

Claims (9)

1.一种铣削加工颤振主动控制系统，其特征在于，该系统包括位移检测单元、信号采集单元、中央控制单元、音圈电机驱动器和音圈电机，其中：

所述位移检测单元用于对工件在铣削加工中由于颤振现象所产生的位移执行实时感测，并获得相应的检测电压信号；

所述信号采集单元用于采集位移检测单元所获得的检测电压信号，并将其输送给中央控制单元；

所述中央控制单元根据所接收的信号，相应计算确定用于抑制颤振现象的控制电压信号，然后将该控制电压信号输送给音圈电机驱动器；

所述音圈电机驱动器将控制电压信号转换为电流信号并予以功率放大，然后输出至设置在工件附近的音圈电机使其驱动；

所述音圈电机作为执行器，根据音圈电机驱动器的驱动来相应抑制颤振，由此实现铣削加工颤振主动控制过程。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述工件为长桁、壁板、航空叶片之类的弱刚性零件。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述振动位移检测单元优选为激光位移传感器或涡流位移传感器。

4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述信号采集单元为多通道数据采集卡，且其输入通道数为8通道，数据采集速率为50K，分辨率为0.05μm。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述中央控制单元通过多通道电压输出卡将控制电压信号同步输送给对应设置的多个音圈电机驱动器，由此驱动多个音圈电机来共同执行颤振主动控制。

6.如权利要求4或5所述的系统，其特征在于，所述音圈电机的工作频率被设定为0Hz～50Hz，其响应时间和精度分别被设定为0.54ms和0.01N。

7.如权利要求1-6任意一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括显示单元，该显示单元采用触摸屏的形式，用于输入配置参数和显示颤振控制过程中的相关数据。

8.如权利要求1-7任意一项所述的系统，其特征在于，所述系统整体构成为实时闭环控制系统。

9.一种采用如权利要求1-8任意一项所述的系统对铣削加工颤振执行主动控制的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

（a）将位移检测单元初始获得的检测电压信号调整为零，同时使得音圈电机的输入信号和输出信号之间呈线性比例关系，由此执行控制系统的标定步骤；

（b）采用位移检测单元对工件在铣削加工中由于颤振现象所产生的位移执行实时感测，并获得相应的检测电压信号；

（c）对位移检测单元所获得的检测电压信号予以实时采集，并输送给中央控制单元以计算出相应的控制电压信号，然后将该控制电压信号输送给音圈电机驱动器；

（d）音圈电机驱动器将控制电压信号转换为电流信号并予以功率放大，然后输出至设置在工件附近的音圈电机使其驱动以便抑制颤振，由此实现整体的铣削加工颤振主动控制过程。

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