CN106392753B - 一种智能铣削电主轴在线主动式切削颤振抑制系统及方法 - Google Patents

一种智能铣削电主轴在线主动式切削颤振抑制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种智能铣削电主轴在线主动式切削颤振抑制系统及方法，所述系统包括依次连接的传感部分、控制器以及颤振抑制调控装置；传感部分包括安装在主轴前端用于测量主轴径向位移的非接触式电涡流位移传感器、用于采集电涡流位移传感器的位移信号并将位移信号转换为加速度信号的信号采集器；控制器用于根据信号采集器输出的加速度信号，输出控制电压信号到颤振抑制调控装置；颤振抑制调控装置包括功率放大器和主动式电磁轴承；主动式电磁轴承包括转子铁心和定子铁心；转子铁心安装在主轴的前端；定子铁心上绕有铜线圈；功率放大器用于将收到的电压信号转换为控制电流信号，其输出端分别与铜线圈连接。所述方法包括加工过程中颤振的识别及抑制。

Description

一种智能铣削电主轴在线主动式切削颤振抑制系统及方法
技术领域
本发明高端机床智能化部件技术领域，涉及智能电主轴领域，具体为一种智能铣削电主轴在线主动式切削颤振抑制系统及方法。
背景技术
近几年来，随着制约高速加工技术应用的高速机床技术尤其是高速主轴技术等的不断发展，已经使得高速铣削加工技术越来越多地应用到实际加工中来。高速铣削加工技术一方面可以大大提高工件材料的切除速度、提高加工效率，从而获得更好的经济效益；另一方面也可以在保证高加工效率的前提下，选用较小的切削深度和进给速度，从而减小切削力，进一步地可以减少刀具的磨损、工件的加工变形以及获得较好的加工表面质量等。
然而，在实际加工过程中，制约铣削加工效率的另外一个因素是铣削加工过程中的颤振现象。颤振现象的发生是由于振动引起的切削层厚度的非周期性变化进一步引起了切削力的非周期性变化进而导致切削过程系统的不稳定。铣削颤振的发生会在加工表面产生振纹，严重影响工件的加工表面质量，同时也会加剧刀具的磨损甚至影响机床主轴部件的使用寿命，因此需要对颤振现象进行抑制和消除。
由于铣削颤振的发生主要与铣削加工参数以及机床主轴的动态特性有关，因此目前常见的颤振抑制的方法主要有两类：一类是控制铣削参数，包括变转速加工、切削参数的自适应调控等；另一类是控制机床主轴的动态特性，主要通过颤振抑制调控机构，改变主轴系统的阻尼等来改变铣削稳定域区间从而抑制颤振的发生。其中，前者在实际应用过程中由于切削参数的改变会引起切削力较大的变化，对主轴系统造成冲击，同时也难以实现无颤振条件下的最大加工效率；后者利用阻尼来抑制颤振，包括主动式和被动式两种方式，但由于阻尼大小难以精确控制，因此很难实现对主轴系统进行精确的调控来抑制颤振的发生。
发明内容
针对高速铣削加工过程中存在颤振现象的问题，本发明提供一种智能铣削电主轴在线主动式切削颤振抑制系统及方法，能够在不改变切削参数，即在保证既有的加工效率的情况下，通过改变主轴系统的动态特性，进而抑制颤振的发生。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种智能铣削电主轴在线主动式切削颤振抑制系统，包括依次连接的传感部分、控制器以及颤振抑制调控装置；传感部分包括安装在主轴前端用于测量主轴径向位移的非接触式电涡流位移传感器、用于采集电涡流位移传感器的位移信号并将位移信号转换为加速度信号的信号采集器；控制器用于根据信号采集器输出的加速度信号，输出控制电压信号到颤振抑制调控装置；颤振抑制调控装置包括功率放大器和主动式电磁轴承；主动式电磁轴承包括转子铁心和定子铁心；转子铁心安装在主轴的前端；定子铁心上绕有铜线圈；功率放大器用于将收到的电压信号转换为控制电流信号，其输出端分别与铜线圈连接。
优选的，所述的信号采集器实时采集位移信号，对位移信号进行低通滤波和微分处理后，将位移信号转换为加速度信号。
优选的，所述的定子铁心与转子铁心分别由硅钢片叠加而成的；转子铁心与主轴过盈配合，定子铁心及铜线圈安装在主轴壳体上。
优选的，所述的铜线圈缠绕在定子铁心上，形成磁极，每相邻两个磁极上的铜线圈串联，且绕向相反，形成一个磁极对；定子上均匀分布八个磁极，形成四个磁极对，用于产生水平和竖直方向的力。
优选的，共设置有两个电涡流位移传感器；两个电涡流位移传感器垂直分布，且与磁极对产生电磁力的方向一致。
一种智能铣削电主轴在线主动式切削颤振抑制方法，包括加工过程中颤振的识别及抑制两个步骤；
颤振识别时，利用非接触式的电涡流位移传感器直接测得加工过程中主轴前端的径向位移；利用信号采集器对位移信号进行采集并转换为加速度信号；对加速度信号进行分析，判断颤振是否发生，若颤振发生则进行颤振抑制步骤；
颤振抑制时，利用主动式电磁轴承的精确可控性，通过改变输入主动式电磁轴承定子上的电流，实现主动式电磁轴承支撑参数的精确调控，改变铣削加工过程中的稳定切削区间范围，实现不改变切削参数条件下的颤振抑制。
优选的，颤振的识别具体步骤如下，
安装在主轴前端的电涡流位移传感器实时地检测加工过程中铣削电主轴前端的径向位移，并利用信号采集装置对位移信号进行采集，同时，对采集到的位移信号进行处理，通过低通滤波及微分处理，最终将位移信号转换为加速度信号；将转换后的加速度信号输入到控制器中，对加速度信号进行如下的功率谱分析；
计算加速度信号功率谱的能量总值
计算加速度信号功率谱中主颤振频率附近的能量值
计算主颤振频率附近范围内的能量值在加速度信号功率谱能量总值中所占的比例
将λ与阈值λ0进行比较，若λ≥λ0，则判断颤振发生，进行颤振抑制的步骤；若λ＜λ0则判断无颤振发生，控制器无动作；
其中，fa、fb为加速度信号功率谱的频率范围区间；fc1＝0.8fc，fc2＝1.2fc，fc为主颤振频率，等于主轴刀具系统的一阶固有频率，由模态实验获得；阈值λ0根据切削试验获得。
优选的，颤振的抑制具体步骤如下，
当检测到颤振的发生时，控制器向功率放大器输出控制电压信号，控制电压信号经功率放大器放大后转换成控制电流信号，输入到绕在定子铁心上的铜线圈中，使得每对磁极产生对应大小的电磁力；电磁力的大小表征了主动式电磁轴承的支撑刚度，而电磁力的大小由输入到线圈中的控制电流电磁的大小控制；通过改变主动式电磁轴承的支撑刚度，改变铣削电主轴系统的动态特性，使得切削过程从颤振不稳定区域变为稳定切削区域，从而抑制颤振的发生。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种智能铣削电主轴在线主动式切削颤振抑制系统，引入了主动式电磁轴承作为颤振抑制调控装置，相当于给铣削电主轴引入了一个辅助支撑，提高了轴系总的支撑刚度，能够提高主轴系统的临界转速，更有利于高速加工；同时配合用于控制主动式电磁轴承的传感部分和控制器，能够实现铣削加工中颤振的在线自调控，具有响应速度快，可精确调控的优点；可以实现对主轴动态特性的精确调控，从而改变切削稳定域的分布，进而抑制颤振的发生，实现铣削电主轴的智能化。
本发明所述方法以最大铣削加工效率为目标的，通过实时地获取切削过程中主轴前端的振动信息，实现颤振的在线识别。利用主动式电磁轴承的精确可控性，将其作为颤振抑制调控装置，安装在主轴前端。当颤振被识别时，控制器下达控制指令到颤振抑制调控装置，通过控制改变轴承的支撑特性来实现主轴系统动态特性的在线调控，实现切削过程由颤振不稳定变为稳定切削，从而保证在不改变切削参数条件下的稳定加工，保证最大的切削效率和精度。
附图说明
图1为本发明所述系统的结构原理示意图。
图2为图1中主动式电磁轴承处的横截面结构示意图。
图中：1为刀柄，2为主轴，3为定子铁心，4为转子铁心，5为前轴承组，8为后轴承组，6为内装电机的定子，7为内装电机的转子，9为电涡流位移传感器，10为信号采集器，11为控制器，12为功率放大器。
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。
如图1所示，本发明一种智能铣削电主轴在线主动式颤振抑制系统包括传感部分、控制器、颤振抑制调控装置。传感部分包括非接触式的电涡流位移传感器9和相应的信号采集器10，其中，电涡流位移传感器9共有两个，成90°角分布，用来采集主轴2前端径向的实时位移，同时信号采集器10可以对位移信号实时采集，并可以对信号进行低通滤波和微分处理，将位移信号实时采集并进行处理转换成加速度信号。
控制器11用于根据信号采集器10输出的加速度信号，输出控制电压信号到颤振抑制调控装置。通过实时地获取切削过程中主轴2前端的振动信息，实现颤振的在线识别。
颤振抑制调控装置包括功率放大器12和主动式电磁轴承。其中主动式电磁轴承包括两部分：由硅钢片叠加起来并套装在主轴2上的转子铁心4和绕有铜线圈的由硅钢片叠加起来的定子铁心3。其中，转子铁心4与主轴过盈配合，安装在主轴2的前端。
具体的主动式电磁轴承的结构及电涡流位移传感器9的安装位置如图2所示。该主动式电磁轴承共有八个磁极，每两个磁极上的线圈串联形成一个闭合的磁场回路，进一步地对主轴产生水平和竖直方向上力。
一种智能铣削电主轴在线主动式颤振抑制系统搭建在铣削电主轴上。该铣削电主轴包括安装在铣削电主轴上的带有刀具的刀柄1、铣削的主轴2、前轴承组5、电主轴上内装电机的定子6和转子7和后轴承组8。优选的，前轴承组5和后轴承组8的轴承类型为角接触球轴承，
本发明一种智能铣削电主轴在线主动式颤振抑制方法主要包括颤振的识别和颤振的抑制。
其中，颤振的识别利用安装在主轴前端的电涡流位移传感器9实时地获取加工过程中铣削电主轴前端的径向位移，并利用信号采集装置10对位移信号进行采集，同时，对采集到的位移信号进行低通滤波及微分处理，最终将位移信号转换为加速度信号；将转换后的加速度信号输入到控制器11中，对加速度信号进行功率谱分析；
计算加速度信号功率谱的能量总值
计算加速度信号功率谱中主颤振频率附近的能量值
计算主颤振频率附近范围内的能量值在加速度信号功率谱能量总值中所占的比例
将λ与阈值λ0进行比较，若λ≥λ0，则判断颤振发生，进行颤振抑制的步骤；若λ＜λ0则判断无颤振发生，控制器无动作。
其中，fa、fb为加速度信号功率谱的频率范围区间；fc1＝0.8fc，fc2＝1.2fc，fc为主颤振频率，等于主轴刀具系统的一阶主频率，由模态实验获得；阈值λ0的确定需要根据切削试验，通过对比分析无颤振切削和颤振切削情况下主轴2前端的加速度信号功率谱来进行设定。
当检测到颤振的发生时，系统进行颤振抑制。控制器11向功率放大器12输出增量控制电压信号，增量控制电压信号经功率放大器12放大后转换成控制电流信号输入到绕在定子铁心3上的铜线圈中，直到由颤振识别过程识别到无颤振现象发生。
具体地，通过输入控制电流信号到绕在定子铁心3上的铜线圈中，使得每对磁极产生对应大小的电磁力；而电磁力的大小表征了主动式电磁轴承的支撑刚度，而电磁力的大小由输入到绕在定子铁心3上的铜线圈中的控制电流的大小决定；通过改变主动式电磁轴承的支撑刚度，改变铣削电主轴系统的动态特性，使得切削过程从颤振不稳定区域变为无颤振稳定切削区域，从而抑制颤振的发生。

Claims (7)

1.一种智能铣削电主轴在线主动式切削颤振抑制方法，其特征在于，包括加工过程中颤振的识别及抑制两个步骤；
颤振识别时，利用非接触式的电涡流位移传感器(9)直接测得加工过程中主轴(2)前端的径向位移；利用信号采集器(10)对位移信号进行采集并转换为加速度信号；对加速度信号进行分析，判断颤振是否发生，若颤振发生则进行颤振抑制步骤；
颤振抑制时，利用主动式电磁轴承的精确可控性，通过改变输入主动式电磁轴承定子(3)上的电流，实现主动式电磁轴承支撑参数的精确调控，改变铣削加工过程中的稳定切削区间范围，实现不改变切削参数条件下的颤振抑制；
颤振的识别具体步骤如下，
安装在主轴前端的电涡流位移传感器实时地检测加工过程中铣削电主轴前端的径向位移，并利用信号采集装置对位移信号进行采集，同时，对采集到的位移信号进行处理，通过低通滤波及微分处理，最终将位移信号转换为加速度信号；将转换后的加速度信号输入到控制器(11)中，对加速度信号进行如下的功率谱分析；
计算加速度信号功率谱的能量总值
计算加速度信号功率谱中主颤振频率附近的能量值
计算主颤振频率附近范围内的能量值在加速度信号功率谱能量总值中所占的比例
将λ与阈值λ0进行比较，若λ≥λ0，则判断颤振发生，进行颤振抑制的步骤；若λ＜λ0则判断无颤振发生，控制器无动作；
其中，fa、fb为加速度信号功率谱的频率范围区间；fc1＝0.8fc，fc2＝1.2fc，fc为主颤振频率，等于主轴刀具系统的一阶固有频率，由模态实验获得；阈值λ0根据切削试验获得。
2.根据权利要求1所述的一种智能铣削电主轴在线主动式切削颤振抑制方法，其特征在于，颤振的抑制具体步骤如下，
当检测到颤振的发生时，控制器(11)向功率放大器(12)输出控制电压信号，控制电压信号经功率放大器(12)放大后转换成控制电流信号，输入到绕在定子铁心(3)上的铜线圈中，使得每对磁极产生对应大小的电磁力；电磁力的大小表征了主动式电磁轴承的支撑刚度，而电磁力的大小由输入到线圈中的控制电流电磁的大小控制；通过改变主动式电磁轴承的支撑刚度，改变铣削电主轴系统的动态特性，使得切削过程从颤振不稳定区域变为稳定切削区域，从而抑制颤振的发生。
3.一种智能铣削电主轴在线主动式切削颤振抑制系统，其特征在于，采用如权利要求1或2所述的智能铣削电主轴在线主动式切削颤振抑制方法进行控制，所述系统包括依次连接的传感部分、控制器以及颤振抑制调控装置；
传感部分包括安装在主轴(2)前端用于测量主轴(2)径向位移的非接触式电涡流位移传感器(9)、用于采集电涡流位移传感器(9)的位移信号并将位移信号转换为加速度信号的信号采集器(10)；
控制器(11)用于根据信号采集器(10)输出的加速度信号，输出控制电压信号到颤振抑制调控装置；
颤振抑制调控装置包括功率放大器(12)和主动式电磁轴承；主动式电磁轴承包括转子铁心(4)和定子铁心(3)；转子铁心(4)安装在主轴(2)的前端；定子铁心(3)上绕有铜线圈；功率放大器(12)用于将收到的电压信号转换为控制电流信号，其输出端分别与铜线圈连接。
4.根据权利要求3所述的一种智能铣削电主轴在线主动式切削颤振抑制系统，其特征在于，所述的信号采集器(10)实时采集位移信号，对位移信号进行低通滤波和微分处理后，将位移信号转换为加速度信号。
5.根据权利要求3所述的一种智能铣削电主轴在线主动式切削颤振抑制系统，其特征在于，所述的定子铁心(3)与转子铁心(4)分别由硅钢片叠加而成的；转子铁心(4)与主轴(2)过盈配合，定子铁心(3)及铜线圈安装在主轴壳体上。
6.根据权利要求3所述的一种智能铣削电主轴在线主动式切削颤振抑制系统，其特征在于，所述的铜线圈缠绕在定子铁心上，形成磁极，每相邻两个磁极上的铜线圈串联，且绕向相反，形成一个磁极对；定子上均匀分布八个磁极，形成四个磁极对，用于产生水平和竖直方向的力。
7.根据权利要求3所述的一种智能铣削电主轴在线主动式切削颤振抑制系统，其特征在于，共设置有两个电涡流位移传感器(9)；两个电涡流位移传感器(9)垂直分布，且与磁极对产生电磁力的方向一致。
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