CN106903547B - 适用于高速铣削加工的电主轴主动振动控制装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及工件加工设备，尤其涉及适应于高速铣削加工的主动振动控制装置及系统；该铣削装置包括：工作台、设置在工作台上的夹具、与所述夹具位置相对应的铣刀、以及与所述铣刀连接的主轴；通过检测器检测到铣床工作台及机床电主轴的位移及加速度参数，通过无线发射器将信息发射并有计算机系统的无线接收信息，通过计算获得机床的动态特性参数，最合适电机转速及电主轴的振型节点，并发射信息由调整电机转速至合适转速，液压系统控制液压作动器的位移至电主轴的振型节点并施加力，从而通过控制电主轴振动实现刀具振动的控制，实现铣削装置的振动的控制，主动减振结构能提高高速切削的稳定性，有利于提高加工精度及安全性。
Description
技术领域
本发明涉及工件加工设备，尤其涉及适用于高速铣削加工的电主轴主动振动控制装置及系统
背景技术
目前高速切削中，高速切削加工系统的稳定性对加工精度、工件表面质量及安全至关重要，高速切削中的不正常的振动及自激的颤振会大幅度减少刀具及机床的使用寿命，恶化加工工况，降低工件表面质量，颤振引起的刀刃的崩裂如同出膛的子弹，严重影响高速切削加工的安全性。主动减振结构能够提高高速切削的稳定性，有利于提高加工精度及安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供适用于高速铣削加工的电主轴主动振动控制装置及系统，解决了振幅值过大及出现颤振的问题。
本发明是这样实现的，适用于高速铣削加工的电主轴主动振动控制装置，该铣削装置包括：工作台、设置在工作台上的夹具、与所述夹具位置相对应的铣刀、以及与所述铣刀连接的主轴所述主轴与计算机连接。
本发明的进一步技术方案是：所述主轴包括：步进电机、与所述步进电机连接的机床铣刀车厢、以及设置在所述机床铣刀车厢内的圆锥滚子轴承。
本发明的进一步技术方案是：所述机床铣刀车厢内还设有卡簧挡圈、密封过滤圈、密封挡圈、液压作动器、高压油管、数字阀、位移控制器、无限发射与接收器、位移传感器、以及加速度传感器，所述液压作动器与液压泵连接。
本发明的进一步技术方案是：所述夹具上设有AE传感器。
本发明的进一步技术方案是：所述夹具上设有振动传感器。
本发明的进一步技术方案是：所述振动传感器至少为三个。
适用于高速铣削加工的电主轴主动振动控制装置的控制系统，该系统包括接收振动信号的恒流适调器、与所述恒流适调器输出端连接的数据采集卡、以及与所述数据采集卡连接的计算机；所述铣削装置的控制系统设有接收AE信号的前置放大器以及与所述前置放大器输出端连接的前放供电分离信号器，所述前放供电分离信号器输出端与所述数据采集卡连接。
本发明的进一步技术方案是：所述数据采集卡型号为PCI-1714。
本发明的有益效果是：通过检测器检测到铣削机的振动度大小，通过计算机控制铣削装置的振动，达到主动减振的目的，主动减振结构能提高高速切削的稳定性，有利于提高加工精度及安全性。
附图说明
图1是本发明提供的适用于高速铣削加工的电主轴主动振动控制装置的结构示意图；
图2-图4是本发明提供的适用于高速铣削加工的电主轴主动振动控制装置的控制系统结构示意图；
图5是本发明提供的适用于高速铣削加工的电主轴主动振动控制装置的主轴剖面图。
附图标记：11、主轴 222、铣刀 33、AE传感器 44、振动传感器 55、夹具 66、工作台、1、步进电机、2、卡簧挡圈，3、密封过滤圈，4、5、圆锥滚子轴承，6、机床铣刀车厢，7、8、圆锥滚子轴承，9、卡簧挡圈，11、密封挡圈，12-21、液压作动器，22、高压油管，23、数字阀，24、位移控制器，25、无线发射与接收器，26、无线发射器，27、28、30、31、位移传感器，29、加速度传感器，32、液压泵。
具体实施方式
图1示出了适用于高速铣削加工的电主轴主动振动控制装置的结构示意图，该装置包括工作台6，所述工作台6上设有夹具5，所述夹具5上设有AE传感器3以及振动传感器4，该装置还包括安装在主轴1上的铣刀2，所述主轴1为控制装置并与计算机连接，工作时夹具5上的传感器将振动信号以及AE信号传输给计算机，通过计算机控制所述主轴1，从而达到主动减振的目的。
图2-图4示出了适用于高速铣削加工的电主轴主动振动控制装置的控制系统，该系统包括接收振动信号的恒流适调器、与所述恒流适调器输出端连接的数据采集卡、以及与所述数据采集卡连接的计算机；所述铣削装置的控制系统设有接收AE信号的前置放大器以及与所述前置放大器输出端连接的前放供电分离信号器，所述前放供电分离信号器输出端与所述数据采集卡连接，所述数据采集卡型号为PCI-1714；控制系统接收AE传感器以及振动传感器发出的信号，并传输给所述计算机，经过分析后计算机控制铣削装置上的主轴达到主动减振的目的，提高精确性，又确保了安全。
图5示出了适用于高速铣削加工的电主轴主动振动控制装置的主轴剖面图，所述主轴包括：1步进电机、与所述步进电机1连接的机床铣刀车厢6、以及设置在所述机床铣刀车厢6内的圆锥滚子轴承4、5、7、8；所述机床铣刀车厢内还设有卡簧挡圈2、9密封过滤圈3、密封挡圈11、液压作动器12-21、高压油管22、数字阀23、位移控制器24，无限发射与接收器25、26，位移传感器27、28、30、31，以及加速度传感器29，所述液压作动器12-21与液压泵32连接。
传感器检测系统：获得夹具，主轴刀具的加速度，位移，噪音参数。
无线接收与发射系统：编码，储存，发射，接收，解码信号
计算机软件处理系统：1分析传感器检测的位移，加速度参数，获得机床加工过程中动态特性参数，主轴的振型；2依据计算系统获得主轴振型，切削力与振动的关联函数，获得在主轴不同部位施加力及位置，并分配液压作动器的位置及力，获得最低振动，及主轴转速，切削参数。
液压及位移控制系统：依据计算机处理系统，通过无线接收器并解码，获得液压系统压力，液压作动器的位置，数值阀控制参数，液压作动器位置是通过电磁吸排力控制。
电机控制系统：依据计算机处理系统，通过无线接收器并解码，获得电机的转速，功率信息。
计算机系统通过计算原理获得振型节点，发出信号，液压信号的接收器接收并使得液压执行执行机构(液压作动器)施加力，减少主轴的振动。
在高速铣削过程中，在电机驱动，轴承的润滑介质的阻尼作用下，及高频铣削力相互作用下，将电主轴的阻尼系统设为粘性比例阻尼系统，其运动微分方程为
其中C为粘性阻尼矩阵，
为速度列阵，
为速度列阵，x为位移列阵，均为时间t的函数，M为质量矩阵，K为刚度矩阵，其中
系统受到的等效激励为f(t)＝Fejωt,(2)
位移响应为：x＝Xejωt， (3)
可得(K-ω2M+jωC)X＝Fejωt,
可写成，X＝H(ω)F中，
其频响函数为H(ω)＝(K-ω2M+jωC)-1
依据电机上传感器测得的加速度及位移响应数据，通过LMS-Virturelab数据处理，可获得电主轴的频响函数为H(ω)
可以获得K，ω，C，
设物理坐标中矢量x在模态中的坐标为
yi(i＝1，2，…，n)
则
将4代如1，左乘
结合模态矢量正交性得到解耦方程组
稳态位移响应为y＝Uejωt(6)
由(2)，(5)，(6)式可得
将3，6带入4中，利用7式可得
得到频响函数的模态展开式
令X＝0，可得
然后获得x中等于0的点，取其中间隔较为相近的10点，设为x＝(xk1，xk2，…，xk10)即振型节点，
计算机系统通过以上计算原理获得振型节点，发出信号，液压信号的接收器接收并使得液压执行执行机构(液压作动器)在xk，xm，xn施加力，减少主轴的振动。
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 (4)
1.适用于高速铣削加工的电主轴主动振动控制装置，其特征在于，该铣削装置包括：工作台、设置在工作台上的夹具、与所述夹具位置相对应的铣刀、以及与所述铣刀连接的主轴，所述主轴与计算机连接，所述夹具上设有AE传感器和振动传感器；
所述主轴包括步进电机（1）、与所述步进电机（1）连接的机床铣刀车厢（6）、以及设置在所述机床铣刀车厢（6）内的圆锥滚子轴承（4、5、7、8）；所述机床铣刀车厢内还设有卡簧挡圈（2、9）、密封过滤圈（3）、密封挡圈（11）、液压作动器（12-21）、高压油管（22）、数字阀（23）、位移控制器（24）、无限发射与接收器（25、26）、位移传感器（27、28、30、31）以及加速度传感器（29），所述液压作动器（12-21）与液压泵32连接；
工作时，夹具上的AE传感器和振动传感器将振动信号以及AE信号传输给计算机，通过计算机控制所述主轴，从而达到主动减振的目的。
2.根据权利要求1所述的适用于高速铣削加工的电主轴主动振动控制装置，其特征在于：所述振动传感器至少为三个。
3.根据权利要求1-2任一项所述的适用于高速铣削加工的电主轴主动振动控制装置的控制系统，其特征在于：该系统包括接收振动信号的恒流适调器、与所述恒流适调器输出端连接的数据采集卡、以及与所述数据采集卡连接的计算机；所述铣削装置的控制系统设有接收AE信号的前置放大器以及与所述前置放大器输出端连接的前放供电分离信号器，所述前放供电分离信号器输出端与所述数据采集卡连接。
4.根据权利要求3所述的适用于高速铣削加工的电主轴主动振动控制装置的控制系统，其特征在于：所述数据采集卡型号为PCI-1714。
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