CN105965320B - 一种高速铣削电主轴颤振智能检测与主动抑制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高速铣削电主轴颤振智能检测与主动抑制装置，所述装置在铣削加工过程中，通过内置的加速度传感器、位移传感器与外部的数据采集与分析仪实时采集主轴刀柄处的振动信号，采用现代信号处理方法实时分析加速度振动信号，实现铣削颤振的智能检测，若发生颤振，则将位移传感器采集到的振动信息送入FPGA控制器，通过控制器自适应优化，输出驱动信号，经过功率放大器驱动压电作动器工作，实现压电作动器次级振动与加工振动的相互抵消，达到颤振的智能主动抑制。加工过程中整个系统的状态信息，包括振动、位移以及温度等可实时在计算机上实现可视化显示与监控。本智能装置可有效提高铣削加工的稳定性、加工质量和加工效率。

Description

一种高速铣削电主轴颤振智能检测与主动抑制装置
技术领域
本发明属于高速铣削技术领域，具体涉及一种高速铣削电主轴切削颤振的智能检测与主动抑制装置。
背景技术
机床作为装备制造业的“母机”，为其他工业提供加工装备，是“支柱的支柱”。随着航空、航天等领域对复杂精密零件(如航空发动机整体叶轮)高速高效加工需求的日益增长，对切削主轴的速度、精度、可靠性等性能指标提出了更高的要求。一般机械转子的振动量通常在10μm数量级，工作转速在10000r/min以下，而高速精密主轴的振动量要求在1μm量级，旋转速度在20000r/min以上。因此，如何实现高转速下的稳定加工，控制加工振动，提升加工质量成为热点问题。
颤振作为主轴在加工过程中的一种最主要的自激振动，会导致工件报废、刀具破损、主轴轴承失效等后果。主轴在高速切削时，过程阻尼消失，导致颤振相比低速切削更容易发生。目前常用的方法是试切法，此方法主要依靠现场人员人工判断，确定合理切削参数，效率低、成本高。因此，如何提高效率，避免人工经验，实现颤振的智能检测、决策与控制，保证加工质量迫在眉睫，特别是多切削刃断续接触的铣削加工，更成为工程领域和科研领域的关注点和难点问题之一。
发明内容
基于此，本发明公开了一种高速铣削电主轴颤振智能检测与主动抑制装置；
所述装置包括：高速铣削电主轴、压电作动器、铣削刀柄、加速度传感器、位移传感器、数据采集与分析仪、功率放大器、FPGA控制器以及计算机；
所述压电作动器与铣削刀柄、高速铣削电主轴集成一体；
所述位移传感器和加速度传感器嵌入高速铣削电主轴一端，与压电作动器同位安装，实现加工振动信息实时测试与反馈；
所述数据采集与分析仪的一端与加速度传感器和位移传感器相连接，另一端与FPGA控制器的一端相连接，FPGA控制器的另一端与计算机相连接；
所述功率放大器的一端与FPGA控制器相连接，另一端与压电作动器相连接；
所述计算机的一端与FPGA控制器连接，用于FPGA控制器内部控制程序的可视化调试与高速铣削电主轴运行状态实时监控显示。
本发明的技术效果为：
(1)本发明通过一体化实现激励、传感、数据采集、控制等装置在高速铣削主轴中的集成，达到高速铣削主轴的功能扩展。
(2)基于现代信号处理方法，集成铣削颤振的在线智能检测与加工状态的实时监测，实现加工状态的可视化与智能化。
(3)基于自适应主动控制方法，集成铣削颤振的在线主动抑制，实现加工颤振的在线智能抑制，提升加工可靠性与加工质量。
附图说明
图1为本发明一个实施例中的高速铣削电主轴颤振智能检测与主动抑制装置；
图2(a)为本发明一个实施例中的传感器安装布局主视图；
图2(b)为本发明一个实施例中的传感器安装布局左视图；
图3为本发明一个实施例中的铣削颤振的在线智能检测流程；
图4为本发明一个实施例中的铣削颤振的在线智能主动抑制流程。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的内容作进一步详细说明。
在一个实施例中，本发明公开了一种高速铣削电主轴颤振智能检测与主动抑制装置；
所述装置包括：高速铣削电主轴、压电作动器、铣削刀柄、加速度传感器、位移传感器、数据采集与分析仪、功率放大器、FPGA控制器以及计算机；
所述压电作动器与铣削刀柄、高速铣削电主轴集成一体；
所述位移传感器和加速度传感器嵌入高速铣削电主轴一端，与压电作动器同位安装，实现加工振动信息实时测试与反馈；
所述数据采集与分析仪的一端与加速度传感器和位移传感器相连接，另一端与FPGA控制器的一端相连接，FPGA控制器的另一端与计算机相连接；
所述功率放大器的一端与FPGA控制器相连接，另一端与压电作动器相连接；
所述计算机的一端与FPGA控制器连接，用于FPGA控制器内部控制程序的可视化调试与高速铣削电主轴运行状态实时监控显示。
本实施例所述的装置通过角接触球轴承以及连接支架，实现铣削主轴、刀柄、压电作动器以及多物理量传感器的一体化装配，集成数据采集与分析仪以及FPGA控制器等分析与控制模块，实现加工状态的实时监测，加工颤振的实时智能检测与主动抑制。可有效保证铣削加工的稳定性，提升加工质量。
在本实施例中，所述计算机与FPGA连接，通过计算机屏幕可视化调试程序(因为FPGA是没有显示功能的，而且系统软件是类似于DOS的语言命令操作，所以借用电脑通讯可视化调试)，另一方面实时监控的运行状态可在计算机上可视化显示。
本实施例所述装置在铣削加工过程中，通过内置的加速度传感器、位移传感器与外部的数据采集与分析仪实时采集主轴刀柄处的振动信号，采用现代信号处理方法实时分析加速度振动信号，实现铣削颤振的智能检测，若发生颤振，则将位移传感器采集到的振动信息送入FPGA控制器，通过控制器自适应优化，输出驱动信号，经过功率放大器驱动压电作动器工作，实现压电作动器次级振动与加工振动的相互抵消，达到颤振的智能主动抑制。加工过程中整个系统的状态信息，包括振动、位移以及温度等可实时在计算机上实现可视化显示与监控。本智能装置可有效提高铣削加工的稳定性、加工质量和加工效率。
在一个实施例中，所述装置还包括主轴基座，所述主轴基座与高速铣削电主轴构成高速铣削电主轴本体；所述主轴基座与高速铣削电主轴采用常规装配方式与工艺进行装配集成。
在本实施例中，所述高速铣削电主轴转子部分采用油浴加热膨胀，与主轴基座过盈配合安装；所述高速铣削电主轴定子部分采用阶梯间隙配合方式安装；所述高速铣削电主轴基座采用螺栓连接方式紧固。
在一个实施例中，所述装置还包括有轴承，所述轴承采用过盈配合安装在在铣削刀柄处，所述轴承外圈按周向均匀安装多个压电作动器。
更优的，所述轴承外圈按周向均匀安装四个压电作动器。
在本实施例中，所述轴承优先选择角接触球轴承，所述角接触球轴承通用性较强，具有较好的经济性和承载力。
在一个实施例中，所述装置还包括有连接支架；
所述连接支架左端与铣削刀柄端盖相连接，右端与主轴底座相连接；所述连接支架在压电作动器安装位置沿周向均匀加工有多个孔；
所述压电作动器通过连接支架上的多个孔安装，实现压电作动器在高速铣削电主轴与铣削刀柄上的固定。
更优的，所述连接支架在压电作动器安装位置沿周向均匀加工有四个孔。
在本实施例中，所述连接支架左端与铣削刀柄端盖通过螺钉相连接，右端与主轴底座通过螺栓相连接。
在一个实施例中，所述位移传感器的数量为两个，所述两个位移传感器相互垂直正交通过连接支架安装在角接触球轴承侧面。
在本实施例中，两个位移传感器相互垂直正交安装是为了实现主轴径向两个相互垂直独立方向(水平和垂直方向)运行振动位移量的测试。
在本实施例中，所述位移传感器是非接触位移传感器，更优的选择电涡流位移传感器。所述两个位移传感器在主轴同一横截面内保持90度垂直分布安装；所述同一横截面内垂直分布安装方式可实现主轴径向的双向检测，有利于主轴振动检测的全面性以及主轴动平衡量的实时评判。
在一个实施例中，所述加速度传感器的数量为两个，所述两个加速度传感器按正交位置安装在压电作动器连接支架侧面，并保证在主轴同一横截面内。
在本实施例中，因为铣削电主轴是柱形结构旋转运动，振动沿圆周方向的360度任意径向传递，选择相互垂直的两个径向方向作为测试点，其他方向均与这两个方向存在耦合关系。所述两个加速度传感器按正交位置安装在压电作动器连接支架侧面，是为了实现主轴径向两个相互垂直独立方向(水平和垂直方向)振动加速度量的测试。
在一个实施例中，所述装置通过数据采集与分析仪和两个加速度传感器实时传送高速铣削电主轴加工状态的加速度振动信号，通过集成于FPGA控制器中的现代信号处理方法，提取加速度振动信号的特征信息；通过集成于FPGA控制器中的神经网络、支持向量机、模糊逻辑等智能决策算法，实现加工状态的实时监测与加工颤振的早期实时智能检测和判断。
在本实施例中，提取加速度振动信号的特征信息后，通过集成神经网络、支持向量机、模糊逻辑等智能决策算法，实现加工状态的实时监测与加工颤振的早期实时智能检测和判断。
在本实施例中，所述现代信号处理方法包括小波分析、经验模式分解等；所述加速度振动信号特征信息包括熵、相关系数、颤振频率、C0复杂度等；将神经网络、支持向量机、模糊逻辑等智能决策算法集成于FPGA控制器中是为了根据不同的特征信息选择不同的方法。
在一个实施例中，所述装置以加工颤振信号为依据，当判断存在早期颤振时，启动FPGA控制器中的颤振主动抑制模块。
在本实施例中，所述早期颤振的判断，是通过集成于FPGA控制器中的现代信号处理方法，提取加速度振动信号特征信息，通过智能决策算法，与颤振阈值信息只能匹配判断实现；所述颤振主动抑制模块集成于FPGA控制器中，用于颤振的抑制与消减。
在一个实施例中，所述装置通过提取两个位移传感器的信号，基于FPGA控制器，通过集成于FPGA控制器中的自适应优化算法的计算，输出用于压电作动器工作的激励参数，经功率放大器输出给压电作动器，驱动压电作动器次级振动源的振动激励，实现次级振动激励与颤振激励的相互抵消，达到颤振智能抑制，提高加工稳定性与质量。
在本实施例中，所述激励参数包括激励幅值与相位。本装置所有的计算、控制全部集成于FPGA控制器中，由于FPGA中程序的调试需要计算机双级联调，一级是他本身，另一级是计算机，所以将FPGA与计算机相连；另外，电脑的另一个作用是当显示，用于当前加工状态监测与显示。
在一个实施例中，所述判断早期颤振是通过集成于FPGA控制器中的现代处理方法，提取加速度振动信号特征信息，通过智能决策算法，与颤振阈值信息智能匹配得到的。
在一个实施例中，本发明公开了一种高速铣削电主轴颤振智能检测与主动抑制装置，其特征在于：
(1)压电作动器通过浮动角接触球轴承与铣削刀柄、高速铣削电主轴集成一体，实现次级可控激励源的内部嵌入与集成。
图1所示为高速铣削电主轴颤振智能检测与主动抑制装置示意图。本发明装置由高速铣削电主轴、主轴基座、刀柄、角接触球轴承、压电作动器、压电作动器支架、加速度传感器、位移传感器、数据采集与分析仪、功率放大器、FPGA控制器以及监控用计算机组成。采用传统的电主轴装配方式与工艺集成高速铣削电主轴与主轴基座；角接触球轴承通过过盈配合安装于铣削刀柄处，轴承外圈按周向在同一平面内均布四个压电式作动器，实现外部可控激励源的平衡集成，周向四点均布施加外部激励力；铣削刀柄与主轴端部采用常规的锥孔结构形式连接装配，压电作动器通过连接支架上的四个预设孔实现压电作动器在主轴与刀柄系统上的固定；数据采集与分析仪通过与传感器的单向通讯，实时传送数据至监控计算机；FPGA控制器以采集数据为输入，运算优化，输出激励参数，驱动作动器工作，行程闭环控制。
(2)以目标需求为驱动，内部嵌入位移传感器和加速度传感器，实现加工振动信息双物理量(加速度和位移)的实时测试与反馈。
图2(a)和图2(b)所示为铣削刀柄处加速度传感器和位移传感器的装配示意图。在角接触球轴承侧面用支架固定安装相互垂直正交的两个电涡流位移传感器，立体化测定主轴切削过程中刀柄处的振动位移量，作为主动控制中的振动反馈量，实现传感器与作动器的原位测量和激励控制。为了避免接触式安装对主轴加工状态和加工精度的影响，在压电作动器连接支架侧面同一平面内按正交位置安装两个加速度传感器，用于实时反馈加工状态，实现传感器与作动器的原位测量与激励控制。
(3)基于现代信号处理方法，以加速度振动信息为输入，提取特征信息，实现铣削颤振的在线智能检测与诊断。
图3所示为加工状态在线监测与铣削颤振在线智能检测流程图。通过安装于作动器支架处的两个正交加速度传感器和数据采集与分析仪，实时采集传送反映加工状态的加速度振动信息，并实时反映于监控计算机中。基于时域分析、频域分析以及时频分析等现代信号处理方法，提取加速度振动信号的特征信息，集成神经网络、支持向量机、模糊逻辑等智能决策算法，实现加工状态的实时监测与铣削颤振的早期实时智能检测和判断。
(4)基于自适应优化控制算法，以位移信息为输入，优化控制压电作动器的激励参数，实现铣削颤振的在线智能抑制，提高加工稳定性与质量。
图4所示所示为铣削颤振的自适应智能抑制流程示意图。依据铣削颤振的早期检测结果，当判断存在早期颤振时，启动颤振自适应智能抑制。提取角接触球轴承侧面安装的两个正交位移传感器信号，基于FPGA运算与控制平台，通过自适应优化算法的智能计算，输出激励参数，经功率放大器输出给压电作动器，驱动压电作动器次级振动源的振动激励，实现次级振动激励与颤振激励的相互抵消，达到颤振智能主动抑制，提升加工稳定性与质量。
本发明具有如下特点：
(1)压电作动器通过浮动角接触球轴承与铣削刀柄、高速铣削电主轴集成一体，实现次级可控激励源的内部嵌入与集成。
(2)以目标需求为驱动，内部嵌入位移传感器和加速度传感器，实现加工振动信息双物理量(加速度和位移)的实时测试与反馈。
(3)基于现代信号处理方法，以加速度振动信息为输入，提取特征信息，实现铣削颤振的在线智能检测与诊断。
(4)基于自适应优化控制算法，以位移信息为输入，优化控制压电作动器的激励参数，实现铣削颤振的在线智能抑制，提高加工稳定性与质量。
本发明装置由高速主轴、刀柄、压电作动器、加速度传感器、位移传感器、数据采集与分析仪、功率放大器、FPGA控制器以及监控用计算机组成。
集成装配高速铣削电主轴机械本体结构。高速铣削电主轴与主轴基座采用主轴的常规形式进行装配集成；角接触球轴承通过过盈配合安装于铣削刀柄处，轴承外圈按周向在同一平面内均布四个压电式作动器，实现外部可控激励源的平衡集成，周向四点均布施加外部激励力；铣削刀柄与主轴端部采用传统的锥孔结构形式连接装配，压电作动器通过连接支架上的四个预设孔实现压电作动器在主轴与刀柄系统上的固定。
集成安装用于颤振检测和抑制的加速度传感器和位移传感器，实现加工振动状态双物理量多位置的实时测量与反馈。角接触球轴承侧面用支架固定安装相互垂直正交的两个电涡流位移传感器，立体化双位测定主轴切削过程中刀柄处的振动位移量，作为主动控制中的振动反馈量，实现传感器与作动器的原位测量与激励控制。
加工状态的在线监测与铣削颤振的在线智能检测。通过安装于作动器支架处的两个正交加速度传感器和数据采集与分析仪，实时采集传送反映加工状态的加速度振动信息，并实时反映于监控计算机中。基于时域分析、频域分析以及时频分析等现代信号处理方法，提取加速度振动信号的特征信息，集成神经网络、支持向量机、模糊逻辑等智能决策算法，实现加工状态的实时监测与铣削颤振的早期智能检测和判断。
铣削颤振的自适应智能控制。依据铣削颤振的早期检测结果，当判断存在早期颤振时，启动颤振自适应智能抑制。提取角接触球轴承侧面安装的两个正交位移传感器信号，基于FPGA运算与控制平台，通过自适应优化算法的智能计算，输出激励参数，经功率放大器输出给压电作动器，驱动压电作动器次级振动源的振动激励，实现次级振动激励与颤振激励的相互抵消，达到颤振主动抑制，提升加工稳定性与质量。
以上实施例仅用以说明本发明专利而并非限制本发明专利所描述的技术方案；因此尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明专利已进行了详细的说明，但是本领域的技术人员应当理解，仍然可以对本发明专利进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明专利的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明专利的权利要求范围中。

Claims (10)

1.一种高速铣削电主轴颤振智能检测与主动抑制装置，所述装置包括，高速铣削电主轴、铣削刀柄、功率放大器、位移传感器，所述位移传感器嵌入高速铣削电主轴一端，实现加工振动信息实时测试与反馈；其特征在于，所述装置还包括，压电作动器、加速度传感器、数据采集与分析仪、FPGA控制器以及计算机；
所述压电作动器与铣削刀柄、高速铣削电主轴集成一体；
所述位移传感器与压电作动器同位安装；
所述加速度传感器嵌入高速铣削电主轴一端，与压电作动器同位安装，实现加工振动信息实时测试与反馈；
所述数据采集与分析仪的一端与加速度传感器和位移传感器相连接，另一端与FPGA控制器的一端相连接，FPGA控制器的另一端与计算机相连接；
所述功率放大器的一端与FPGA控制器相连接，另一端与压电作动器相连接；
所述计算机的一端与FPGA控制器连接，用于FPGA控制器内部控制程序的可视化调试与高速铣削电主轴运行状态实时监控显示。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置还包括主轴基座，所述主轴基座与高速铣削电主轴构成高速铣削电主轴本体；所述主轴基座与高速铣削电主轴采用常规装配方式与工艺进行装配集成。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述装置还包括有轴承，所述轴承采用过盈配合安装在在铣削刀柄处，所述轴承外圈按周向均匀安装多个压电作动器。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：所述装置还包括有连接支架；
所述连接支架左端与铣削刀柄的端盖相连接，右端与主轴底座相连接；所述连接支架在压电作动器安装位置沿周向均匀加工有多个孔；
所述压电作动器通过连接支架上的多个孔安装，实现压电作动器在高速铣削电主轴与铣削刀柄上的固定。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述位移传感器的数量为两个，所述两个位移传感器相互垂直正交通过连接支架安装在角接触球轴承侧面。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述加速度传感器的数量为两个，所述两个加速度传感器按正交位置安装在压电作动器连接支架侧面，并保证在高速铣削电主轴同一横截面内。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述装置通过数据采集与分析仪和两个加速度传感器实时传送高速铣削电主轴加工状态的加速度振动信号，通过集成于FPGA控制器中的现代信号处理方法，提取加速度振动信号的特征信息；通过集成于FPGA控制器中的神经网络、支持向量机、模糊逻辑等智能决策算法，实现加工状态的实时监测与加工颤振的早期实时智能检测和判断。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述装置以加工颤振信号为依据，当判断存在早期颤振时，启动FPGA控制器中的颤振主动抑制模块。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述装置通过提取两个位移传感器的信号，基于FPGA控制器，通过集成于FPGA控制器中的自适应优化算法的计算，输出用于压电作动器工作的激励参数，经功率放大器输出给压电作动器，驱动压电作动器次级振动源的振动激励，实现次级振动激励与颤振激励的相互抵消，达到颤振智能抑制。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于：所述判断早期颤振是通过集成于FPGA控制器中的现代处理方法，提取加速度振动信号特征信息，通过智能决策算法，与颤振阈值信息智能匹配得到的。
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