CN106363450B - 一种铣削颤振在线抑制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铣削颤振在线抑制方法，其包括设置在机床主轴下端的夹持盘，第一电容式位移传感器、第二电容式位移传感器、采集器以及数据分析仪，所述第一电容式位移传感器与第二电容式位移传感器对称设置在夹持盘下端，并与采集器连接，所述采集器与数据分析仪连接，本发明对颤振的抑制采用控制器与电磁感应线圈相结合的方式，通过电流大小控制磁场强度，进而控制整个工艺系统的阻尼，并构成完整的闭环反馈，该装置通用性强，便于安装在不同类型的机床主轴上，使加工过程更加平稳，有效保证了加工精度。
Description
技术领域
本发明涉及机械制造领域，具体涉及一种铣削颤振在线抑制方法。
背景技术
随着五轴加工技术的发展，铣削加工在航空、航天、汽车制造等领域的应用越来越广泛。尤其对于复杂薄壁件的加工，铣削更是不可缺少的加工手段。颤振是一种自激振动，铣削过程中的颤振会带来许多负面影响。例如降低工件表面质量，加速刀具磨损以及产生过多的噪声等。因此，如何抑制铣削过程中的颤振已经成为机械加工的研究重点。机床减振的方法通常分为两大类，一类为被动振动控制，另一类为主动振动控制。被动控制主要是利用系统自身的结构来消耗颤振能量，以达到减振目的。被动控制主要是应用阻尼器，这类方法工作效率比较低，往往无法达到预期的效果。主动控制的核心是利用外部能量来改善机床运行状态，避免颤振的产生。对加工状态进行实时在线监测是主动控制必不可少的环节，在线监测能够帮助人们实时了解机床的运行状态，在颤振抑制方面具有重要的作用。中国专利公开了“一种基于磁悬浮轴承电主轴的铣削颤振主动控制方法”(申请号：CN201410805910.7，公开号：CN104647132A)，该技术利用磁悬浮轴承电主轴来抑制铣削颤振，装置过于复杂，容易造成耦合，不利于控制的实时传递，也会增加成本。中国专利也公开了“一种铣削加工颤振主动控制系统及其方法”(申请号：CN201310145177.6，公开号：CN103252680A)。该方法采用音圈电机作为颤振抑制的执行器，虽然该方法输出力大，便于操控，但是该方法将传感器、音圈电机等直接布置在工作台上，不适用于使用切削液的场合。同是上述两种方法直接将采集到的位移信号作为判断颤振是否发生的依据，加工过程中的偶然因素(如刀具崩刃、切入赢质点等)容易引起误判，从而影响工件的加工精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在线监测、实时调整、主动控制且能有效提升加工质量的铣削颤振在线抑制方法。
为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明步骤如下：
①利用数据采集处理模块采集加工过程的时域位移信号，计算其功率谱熵值，得到功率谱熵曲线以及频率变化特性；
101所述数据采集处理模块包括：设置在机床主轴下端的夹持盘，第一电容式位移传感器、第二电容式位移传感器、采集器以及数据分析仪，所述第一电容式位移传感器与第二电容式位移传感器对称设置在夹持盘下端，并与采集器连接，所述采集器与数据分析仪连接；
机床运转后，第一电容式位移传感器和第二电容式位移传感器实时采集主轴末端的振动位移信号x(t)，并计算x(t)的功率谱：
式(1)中，N代表信号x(t)的长度，X(w)为信号x(t)的快速傅里叶变换；
102计算采集信号的频谱概率密度分布函数：
式(2)中，s(fi)是频率组成fi的谱能量,pi是相应的概率密度,N是数据个数；
103得到采集信号的功率谱熵：
104计算采集信号的功率谱熵，在[0,1]区间内标准化功率谱熵值，绘制功率谱熵曲线，进而得到功率谱熵曲线的变化状态：
②根据功率谱熵曲线，由颤振判定抑制模块确定颤振发生阈值，判断颤振发生并进行在线抑制；
201所述颤振判定抑制模块包括：控制器、第一放大器、第二放大器、第一电磁感应线圈以及第二电磁感应线圈；所述第一电磁感应线圈设置在夹持盘上端并随轴套内嵌在外壳内，所述第二电磁感应线圈内嵌在夹持盘上并设于第一电容式位移传感器和第二电容式位移传感器上方，所述控制器输出端分别与第一放大器、第二放大器输入端连接，所述第一放大器输出端与第二电磁感应线圈连接，所述第二放大器与第一电磁感应线圈连接；所述数据采集处理模块、颤振判定抑制模块依次顺序连接；
202振动位移信号经采集器进行调理，然后将信号传输到数据分析仪中，在数据分析仪中，对信号进行滤波处理，消除噪声信号，计算信号的功率谱熵，绘制功率谱熵曲线，并将时域信号与功率谱熵曲线同时显示，得到步骤104中功率谱熵曲线的变化状态；
203所述颤振发生阈值为连续两秒时间范围内，功率谱熵整体变化的绝对值在0.1～0.2之间，且功率谱熵在一秒内的斜率绝对值大于或等于0.15；
204根据203判定的结果，将控制信号传输到控制器中，当颤振处于微弱状态时，即功率谱熵整体变化的绝对值在0.1-0.15之间，且功率谱熵在一秒内的斜率绝对值大于或等于0.15；控制器通过第一放大器启动第二电磁感应线圈，第二放大器启动第一电磁感应线圈；当颤振状态比较明显，即功率谱熵整体变化的绝对值在0.15-0.2之间，且功率谱熵在一秒内的斜率绝对值大于或等于0.2，控制器通过第一放大器和第二放大器同时启动第二电磁感应线圈和第一电磁感应线圈；第一电磁感应线圈和第二电磁感应线圈接受控制器指令，电流强度增大，进而增加电主轴端部的磁场强度，最终增大机床频率特性中的阻尼，抑制加工过程中的颤振；
205进行颤振抑制后，当采集的振动位移信号功率谱熵曲线的显示结果为无颤振状态，控制器通过第一放大器启动第二电磁感应线圈，第二放大器启动第一电磁感应线圈；第一电磁感应线圈和第二电磁感应线圈接受控制器指令，减小电流强度，进而减小阻尼；
③对颤振抑制结果进行再次判别，并根据判断结果进行二次控制；功率谱熵曲线的变化状态信息再次传入控制器中，当有颤振发生时，执行步骤205，当颤振没有发生时，执行步骤①，继续采集振动位移信号进行监测。
所述控制器型号为三菱PLC可编程控制器FX3U-64MR，所述第一放大器和第二放大器的型号为高压大电流LM1875，所述采集器的型号为PCI8757四通道数据采集卡，所述第一电容式位移传感器和第二电容式位移传感器的型号为ZNXsensor超精密电容位移传感器。
所述采集器的采样频率设置为20000Hz。
本发明的积极效果如下：本发明采用电容式位移传感器采集振动位移信号，信号的采集精度更高，信号采集方式为非接触采集，避免了安装介质对原始信号的影响等问题，同时也能直观的观察时域位移信号；本发明在机床状态监测与颤振识别方面，应用功率谱熵曲线对颤振进行识别，将采集的时域信号进行分段采集计算，比单纯依靠时域信号对机床加工状态进行识别的方法具有更高的可靠性，而且该方法鲁棒性更强；本发明对颤振的抑制采用控制器与电磁感应线圈相结合的方式，通过电流大小控制磁场强度，进而控制整个工艺系统的阻尼，并构成完整的闭环反馈，该装置通用性强，便于安装在不同类型的机床主轴上，使加工过程更加平稳，有效保证了加工精度。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明夹持盘结构示意图；
图3为本发明功率谱熵判定示意图；
图4为本发明方法的流程图；
在图中：1第一电磁感应线圈、2第二电磁感应线圈、3夹持盘、4第一电容式位移传感器、5第二电容式位移传感器，A为采集器，B为数据分析仪，C为控制器，D1为第一放大器，D2为第二放大器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。
如图1、2、3、4所示，①利用数据采集处理模块采集加工过程的时域位移信号，计算其功率谱熵值，得到功率谱熵曲线以及频率变化特性；
101所述数据采集处理模块包括：设置在机床主轴下端的夹持盘3，第一电容式位移传感器4、第二电容式位移传感器5、采集器以及数据分析仪，所述第一电容式位移传感器4与第二电容式位移传感器5对称设置在夹持盘3下端，并与采集器连接，所述采集器与数据分析仪连接；
数据采集处理模块主要实现的功能是采集能够反映机床运行状态的振动位移信号，数据采集的运行环境为LABVIEW，利用LABVIEW编程软件编写数据采集程序，该程序主要功能是设定采样频率、数据采集时间、数据更新频率等参数，并进一步对采集到的信号进行调理滤波，消除噪声信号对分析结果的影响。
机床运转后，第一电容式位移传感器4和第二电容式位移传感器5实时采集主轴末端的振动位移信号x(t)，并计算x(t)的功率谱：
式(1)中，N代表信号x(t)的长度，X(w)为信号x(t)的快速傅里叶变换；
102计算采集信号的频谱概率密度分布函数：
式(2)中，s(fi)是频率组成fi的谱能量,pi是相应的概率密度,N是数据个数；
103得到采集信号的功率谱熵：
104计算采集信号的功率谱熵，在[0,1]区间内标准化功率谱熵值，绘制功率谱熵曲线，进而得到功率谱熵曲线的变化状态：
②根据功率谱熵曲线，由颤振判定抑制模块确定颤振发生阈值，判断颤振发生并进行在线抑制；
201所述颤振判定抑制模块包括：控制器、第一放大器、第二放大器、第一电磁感应线圈1以及第二电磁感应线圈2；所述第一电磁感应线圈1设置在夹持盘3上端并随轴套内嵌在外壳内，所述第二电磁感应线圈2内嵌在夹持盘3上并设于第一电容式位移传感器4和第二电容式位移传感器5上方，所述控制器输出端分别与第一放大器、第二放大器输入端连接，所述第一放大器输出端与第二电磁感应线圈2连接，所述第二放大器与第一电磁感应线圈1连接；所述数据采集处理模块、颤振判定抑制模块依次顺序连接；
颤振判定抑制模块主要实现对机床运行状态的评价以及判定颤振状态，本发明摒弃传统利用时域信号幅值判断颤振的方法，引入功率谱熵对颤振进行识别。功率谱熵在颤振识别方面具有更强的鲁棒性，是一种十分有效的识别机床运行状态的无量纲因子。在颤振的识别方面，应用功率谱熵进行颤振的判断，功率谱熵能够反映频率的变化特性。当机床处于稳定状态时，各频率成分均匀地分布在整个频率带上，此时的功率谱熵达到最大值。当颤振发生时，随着颤振程度的增大，频率带上的频率组分逐渐向颤振频率靠拢，此时颤振频率占主导地位，会导致功率谱熵减小。本发明通过绘制功率谱熵曲线，以该曲线的变化状态作为是否发生颤振的判据，此外，功率谱熵曲线还可以用来判断颤振的剧烈程度；
202振动位移信号经采集器进行调理，然后将信号传输到数据分析仪中，在数据分析仪中，对信号进行滤波处理，消除噪声信号，计算信号的功率谱熵，绘制功率谱熵曲线，并将时域信号与功率谱熵曲线同时显示，得到步骤104中功率谱熵曲线的变化状态；
203所述颤振发生阈值为连续两秒时间范围内，功率谱熵整体变化的绝对值在0.1～0.2之间，且功率谱熵在一秒内的斜率绝对值大于或等于0.15；
204根据203判定的结果，将控制信号传输到控制器中，当颤振处于微弱状态时，即功率谱熵整体变化的绝对值在0.1-0.15之间，且功率谱熵在一秒内的斜率绝对值大于或等于0.15；控制器通过第一放大器启动第二电磁感应线圈2，第二放大器启动第一电磁感应线圈1；当颤振状态比较明显，即功率谱熵整体变化的绝对值在0.15-0.2之间，且功率谱熵在一秒内的斜率绝对值大于或等于0.2，控制器通过第一放大器和第二放大器同时启动第二电磁感应线圈2和第一电磁感应线圈1；第一电磁感应线圈1和第二电磁感应线圈2接受控制器指令，电流强度增大，进而增加电主轴端部的磁场强度，最终增大机床频率特性中的阻尼，抑制加工过程中的颤振；
205进行颤振抑制后，当采集的振动位移信号功率谱熵曲线的显示结果为无颤振状态，控制器通过第一放大器启动第二电磁感应线圈2，第二放大器启动第一电磁感应线圈1；第一电磁感应线圈1和第二电磁感应线圈2接受控制器指令，减小电流强度，进而减小阻尼；
③对颤振抑制结果进行再次判别，并根据判断结果进行二次控制；功率谱熵曲线的变化状态信息再次传入控制器中，当有颤振发生时，执行步骤205，当颤振没有发生时，执行步骤①，继续采集振动位移信号进行监测。
以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (3)
1.一种铣削颤振在线抑制方法，其特征在于步骤如下：
①利用数据采集处理模块采集加工过程的时域位移信号，计算其功率谱熵值，得到功率谱熵曲线以及频率变化特性；
101 所述数据采集处理模块包括：设置在机床主轴下端的夹持盘(3)，第一电容式位移传感器(4)、第二电容式位移传感器(5)、采集器以及数据分析仪，所述第一电容式位移传感器(4)与第二电容式位移传感器(5)对称设置在夹持盘(3)下端，并与采集器连接，所述采集器与数据分析仪连接；
机床运转后，第一电容式位移传感器(4)和第二电容式位移传感器(5)实时采集主轴末端的振动位移信号x(t)，并计算x(t)的功率谱：
式(1)中，N代表信号x(t)的长度，X(w)为信号x(t)的快速傅里叶变换；
102 计算采集信号的频谱概率密度分布函数：
式(2)中，s(fi)是频率组成fi的谱能量,pi是相应的概率密度,N是数据个数；
103 得到采集信号的功率谱熵：
104 计算采集信号的功率谱熵，在[0,1]区间内标准化功率谱熵值，绘制功率谱熵曲线，进而得到功率谱熵曲线的变化状态：
②根据功率谱熵曲线，由颤振判定抑制模块确定颤振发生阈值，判断颤振发生并进行在线抑制；
201 所述颤振判定抑制模块包括：控制器、第一放大器、第二放大器、第一电磁感应线圈(1)以及第二电磁感应线圈(2)；所述第一电磁感应线圈(1)设置在夹持盘(3)上端并随轴套内嵌在外壳内，所述第二电磁感应线圈(2)内嵌在夹持盘(3)上并设于第一电容式位移传感器(4)和第二电容式位移传感器(5)上方，所述控制器输出端分别与第一放大器、第二放大器输入端连接，所述第一放大器输出端与第二电磁感应线圈(2)连接，所述第二放大器与第一电磁感应线圈(1)连接；所述数据采集处理模块、颤振判定抑制模块依次顺序连接；
202 振动位移信号经采集器进行调理，然后将信号传输到数据分析仪中，在数据分析仪中，对信号进行滤波处理，消除噪声信号，计算信号的功率谱熵，绘制功率谱熵曲线，并将时域信号与功率谱熵曲线同时显示，得到步骤104中功率谱熵曲线的变化状态；
203 所述颤振发生阈值为连续两秒时间范围内，功率谱熵整体变化的绝对值在0.1～0.2之间，且功率谱熵在一秒内的斜率绝对值大于或等于0.15；
204 根据203判定的结果，将控制信号传输到控制器中，当颤振处于微弱状态时，即功率谱熵整体变化的绝对值在0.1-0.15之间，且功率谱熵在一秒内的斜率绝对值大于或等于0.15；控制器通过第一放大器启动第二电磁感应线圈(2)，第二放大器启动第一电磁感应线圈(1)；当颤振状态比较明显，即功率谱熵整体变化的绝对值在0.15-0.2之间，且功率谱熵在一秒内的斜率绝对值大于或等于0.2，控制器通过第一放大器和第二放大器同时启动第二电磁感应线圈(2)和第一电磁感应线圈(1)；第一电磁感应线圈(1)和第二电磁感应线圈(2)接受控制器指令，电流强度增大，进而增加电主轴端部的磁场强度，最终增大机床频率特性中的阻尼，抑制加工过程中的颤振；
205 进行颤振抑制后，当采集的振动位移信号功率谱熵曲线的显示结果为无颤振状态，控制器通过第一放大器启动第二电磁感应线圈(2)，第二放大器启动第一电磁感应线圈(1)；第一电磁感应线圈(1)和第二电磁感应线圈(2)接受控制器指令，减小电流强度，进而减小阻尼；
③对颤振抑制结果进行再次判别，并根据判断结果进行二次控制；功率谱熵曲线的变化状态信息再次传入控制器中，当有颤振发生时，执行步骤205，当颤振没有发生时，执行步骤①，继续采集振动位移信号进行监测。
2.根据权利要求1所述的一种铣削颤振在线抑制方法，其特征在于：所述控制器型号为三菱PLC可编程控制器FX3U-64MR，所述第一放大器和第二放大器的型号为高压大电流LM1875，所述采集器的型号为PCI8757四通道数据采集卡，所述第一电容式位移传感器(4)和第二电容式位移传感器(5)的型号为ZNXsensor超精密电容位移传感器。
3.根据权利要求1或2所述的一种铣削颤振在线抑制方法，其特征在于：所述采集器的采样频率设置为20000Hz。
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