CN109249546A - 一种振动旋转切削装置及其在位颤振辨识方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种振动旋转切削装置及其在位颤振辨识方法。其中振动旋转切削装置的主要特征如下：平行放置的两个压电驱动器通过输入具有一定相位差的驱动信号，驱动位于柔性装置平台上的前推平台，带动刀具基座绕刀尖点转动，从而金刚石刀具就可以产生高频振动旋转轨迹进行加工。此时，力传感器和电容式位移传感器分别采集切削合力和振动位移信号，对本发明装置的切削过程进行在位颤振辨识。在位颤振辨识方法主要分为初步辨识和经验模态分解，傅里叶变换得到两组信号的幅值谱，分别从时域和频域对切削状态进行初步划分；经验模态分解得到本征模函数，提取均方频率和自相关函数关于时间的分布图像，根据颤振辨识准则得到正确辨识的结果。
Description
技术领域
本发明属于超精密加工以及难加工材料复杂光学曲面加工技术领域，特别是涉及一种振动旋转切削装置及其在位颤振辨识方法。
背景技术
近年来，精密超精密制造技术逐渐成为衡量一个国家综合国力水平的重要因素之一。特别是随着精密、超精密制造技术在光学元件制造、难加工材料以及复杂非球面曲面制造等方面的应用，使得精密、超精密制造技术广泛应用于航空航天、军事以及国民经济建设等重要行业。随着科技的发展对高精度、复杂面型以及难加工材料的需求不断提高，传统的金刚石车削方法由于迅速的刀具磨损、较低的加工精度以及过窄的加工材料范围等缺陷已经很难满足其要求。另外，伴随精密、超精密制造技术发展起来的还有超精密检测技术，而机床刀具的颤振检测方法在精密、超精密制造领域内还缺少相应的研究。
为了提高传统金刚石车削性能，克服加工过程中的各种缺陷，国内外相关专家学者对此进行了相关的研究，其研究范围主要有：慢速刀具伺服切削(Slow Tool Servo,STS)、快速刀具伺服加工(Fast Tool Servo, FTS)、超精密铣削和飞切、超精密磨削以及振动辅助切削。其中，STS、FTS、超精密铣削和磨削由于加工周期以及加工方式等问题存在很多问题需要解决，因此，对于实现超精密加工、创成复杂面型以及加工难加工材料的需求还需要进一步的研究。相比于以上几种不同的加工方式，基于振动辅助切削发展起来的椭圆振动切削以及三维椭圆振动切削技术以其特有的间歇性切削和摩擦力逆转特性在提高金刚石刀具寿命、减少切削力、复杂光学曲面加工以及难加工材料等方面具有独特的优势，从而振动辅助切削成为近年来最优发展潜力的精密加工技术之一。振动辅助切削最早由日本学者隈部淳一郎在上世纪50年代提出，在切削过程施加刀具往复运动，从而达到间歇性切削的效果；1993年日本学者社本英二教授在振动辅助切削的基础上提出了椭圆振动切削(Elliptical Vibration Cutting, 以下简称EVC)，也就是二维平面内的振动切削。二维EVC独有的间歇性切削和摩擦力逆转特性不仅仅能够提高金刚石刀具寿命、减小切削力以及改善加工精度和表面质量，还可以实现脆性材料的切削等。针对二维EVC的二维椭圆运动轨迹对于复杂曲面的适应性较低的缺点，2005年社本英二教授等人又提出了一种三维EVC装置，随后经过国内外学者的不断深入研究，并通过实验验证了三维EVC能够满足加工各种难加工材料以及不同面型的加工需求。颤振辨识方法方面，随着现代信号处理技术的不断发展，近年来越来越多的颤振辨识方法都是基于信号处理技术提出的。其中，基于傅里叶变换发展起来的快速傅里叶变换、Wigner-Ville变换以及小波变换等都在切削加工过程中颤振辨识方法中起重要的作用，但是这些信号处理方法只对平稳信号具有较好的处理效果。针对振动辅助切削过程中的非线性非平稳信号，传统信号处理方法缺乏适应性，无法获得信号的局部特征。因此，新的颤振辨识方法对振动辅助切削技术的发展同样具有重要意义。
目前广泛使用的振动切削主要有二维EVC和三维EVC装置，但是目前EVC装置还存在两个主要的缺点，一是EVC加工过程刀具相邻两个椭圆振动轨迹之间的振痕无法消除；二是EVC振动频率控制相对困难，振动频率过低会影响工件表面精度，频率过高则会造成EVC的附生运动，从而降低了EVC加工质量。为了克服椭圆振动辅助切削的不足，同时保留振动辅助切削加工过程中的优点，亟待研制一种新的振动辅助切削装置。振动旋转辅助切削装置最早于2016年由香港理工大学朱志伟提出，该装置通过在三个方向上安装柔性空间压电振动器驱动刀架围绕机床C轴转动，同时设置参数可调的旋转角度和位移，加工过程中刀具分别在三个垂直方向上进行高频振动。振动旋转切削与传统的二维EVC和三维EVC相比，具有三个明显的优点：一是金刚石刀具绕刀尖圆弧中心转动，切削过程中切削角度不断变化，同时刀具与工件始终接触，能够消除EVC加工过程中存在的周期残留高度；第二，刀具旋转可以使切削力实现再分配，从而减少切削力；三是其特有的拟间歇振动旋转切削轨迹，具有更强的曲面加工特性。
综上所述，振动旋转切削具有明显的切削特性，但是目前对于振动旋转切削的研究尚处于起步阶段，另外已有的振动旋转切削转置由于结构复杂、加工过程中刀具轨迹控制不足，无法满足复杂光学曲面加工的加工需求。因此必须针对不同的加工条件对振动旋转切削转置进行设计，研究并提出一种新的振动旋转切削转置，以适应加工不同光学曲面以及难加工材料的需求。同时结合一种新的在位颤振辨识方法，该辨识方法结合了与传统傅里叶变换不同的信号处理方法——经验模态分解方法，针对振动旋转切削过程中非线性非平稳特征，新的在位颤振辨识方法能够提取出振动信号的局部特征，从而表示出信号内部波动性。新的颤振辨识方法对振动旋转辅助切削加工过程中的颤振情况进行分析，从而能够更好地验证本发明装置的切削性能。
发明内容
本发明的目的在于研究一种新的旋转振动切削装置及其在位颤振辨识方法，从而能够实现加工难加工材料以及复杂光学曲面的加工需求。新的在位颤振辨识方法用于检测旋转振动切削过程是否发生颤振现象，并通过颤振抑制技术如更改切削参数等方法消除颤振带来的影响，进而提高本发明装置的稳定性。
本发明的主要特征如下：
（1）一种新的振动旋转切削装置，主要由力传感器1，柔性装置平台2，压电驱动器301和302，微位移传感器401和402，传感器夹座5，位移传感器挡板601和602，压电预紧螺钉701和702，金刚石刀具9以及若干紧固螺钉组成；
（2）本发明的柔性装置平台2中，分布直梁型柔性铰链201a和201b,4个Z型柔性铰链，整个柔性装置平台采用一次性加工成型，包括柔性铰链201a和201b,202、刀具基座以及微位移传感器401和402的安装槽，其中直梁型柔性铰链、Z型柔性铰链以及微位移传感器安装槽呈对称分布，便于加工成型，减少分别加工装配造成的误差；
（3）本发明装置中，刀具基座8前部由于直梁型柔性铰链201b限制了其在X向和Y向的移动自由度，因此刀具基座在实际加工过程中只具有一个自由度，即以金刚石刀尖点为中心绕Z轴转动；
（4）本发明金刚石刀具的振动旋转轨迹，主要通过两个互相平行放置的压电驱动器301和302，将带有相位差的振动位移信号施加给柔性装置平台2上的前推平台203和204，联接前推平台的Z型柔性铰链202推动刀具基座8绕Z轴旋转，同时带动刀具基座上的金刚石刀具9做高频振动旋转轨迹，如图3；
（5）本发明装置中，两个压电驱动器301和302分别通过压电预紧螺钉701和702预紧压电挡板3011和3022安装在柔性装置平台2中的槽中，微位移传感器401和402通过传感器夹座5固定在柔性装置上，测头一端靠近传感器挡板601和602，整个振动旋转切削装置通过5装置联接孔102用紧固螺钉固定在力传感器1上；
（6）本发明装置加工过程中通过力传感器1和微位移传感器401和402分别采集切削过程中三向切削力和X向的振动位移信号，便于进行在位颤振辨识以验证本发明装置的切削稳定性；
（7）一种新的在位颤振辨识方法，通过力传感器1和微位移传感器401和402采集振动旋转切削过程中的三向力信号以及X向振动位移信号，首先经过快速傅里叶变换得到其幅值谱进行初步辨识，然后进行经验模态分解得到一系列反应信号内部波动性的本征模函数，通过提取各个本征模函数的自相关函数和均方频率，进而得到均方频率以及一步自相关函数图像，与切削时域信号图像进行对比判别颤振是否发生；
（8）新的在位颤振辨识方法中具体的颤振判别准则为：
a．均方频率是反映被监测信号在频域变化中的一个理想特征量。当颤振发生的时候，由于信号主频带的移动，MSF值会急剧变化。那么，如果MSF在某一时间点急剧下降或上升，那么可以判定切削过程发生颤振；
b．一步自相关函数能够描述随机信号在任意两个不同时刻t1，t2的取值之间的相关程度，当信号中主要的能量成分移动时，的变化趋势总是变化的。因此，如果在某一时间点急剧上升或下降，那么可以判定切削过程出现颤振现象。
本发明的振动旋转切削装置以及新的在位颤振辨识方法具有如下优点：
（1）本发明装置主要部分为柔性装置平台，其加工采用一体式加工，包括柔性铰链201a，201b和202、刀具基座8以及微位移传感器401和402的安装槽，大大减少了分开加工装配产生的误差；
（2）本发明装置中压电驱动器301和302分别驱动前推平台203和204，驱动过程相互独立，且不存在耦合现象，且通过调整两个压电驱动器的相位差可以调整金刚石刀具的振动幅值与旋转角度，可调的刀具振动旋转轨迹能够适应加工面型较为复杂的工件；
（3）本发明装置切削过程中由于刀具的振动旋转轨迹使得刀具和工件连续接触，能够消除传统振动辅助切削产生的周期残留高度，提高加工质量，同时切削角不断变化从而实现切削力的再分配，减少切削过程中切削力，延长刀具寿命；
（4）本发明装置中压电驱动器301和302与压电预紧螺钉701和702之间有压电挡板3011和3022作为辅助预紧，驱动过程中可以保证压电驱动器受力均匀；
（5）本发明装置切削过程中每个振动旋转周期冷却液更容易渗入刀具-工件切削区域，从而降低切削热对工件和刀具产生的危害；
（6）新的在位颤振辨识方法利用经验模态分解对切削过程中三维椭圆振动切削信号进行分解，与传统时频分析方法不同，经验模态分解对于非线性非平稳信号具有较好的处理性能，进而能准确辨识切削过程中的颤振现象；
（7）在位颤振辨识方法具有较强的适应性，由于信号采集的为切削力或振动位移信号，同样适用于精密超精密加工中其他加工方式的颤振辨识过程，如超精密铣削、超精密磨削等。
附图说明
图1 振动旋转切削装置整体装配前轴测图；
图2 振动旋转切削装置柔性装置平台前轴测图；
图3 振动旋转切削装置柔性装置平台后轴测图；
图4 振动旋转切削装置刀具振动旋转轨迹生成原理图；
图5 振动旋转切削装置系统控制图及信号采集设置；
图6 在位颤振辨识方法流程图；
附图标记说明：
1－力传感器，101-力传感器固定孔，102-装置固定孔，2－柔性装置平台，201a-直梁型柔性铰链（后），201b-直梁型柔性铰链（前），202-Z型柔性铰链，203-前推平台（左），204-前推平台（右），301-压电驱动器（左），302-压电驱动器（右），3011-压电挡板（左），3022-压电挡板（右），401-位移传感器（左），402-位移传感器（右），5-传感器夹座，501-夹座联接孔（左），502-夹座联接孔（中），503-夹座联接孔（右），601-位移传感器挡板（左），602-位移传感器挡板（右），6011-挡板联接孔（左），6022-挡板联接孔（右），701-压电预紧螺钉（左），702-压电预紧螺钉（右），7011-预紧螺孔（左），7022-预紧螺孔（右），8-刀具基座,9-金刚石刀具，901-刀具联接孔。
具体实施方式
通过力传感器固定孔101用紧固螺钉将振动旋转切削装置安装在机床导轨上，两个互相平行放置的压电驱动器301和302通过输入具有相位差的振动信号驱动分别驱动前推平台203和204产生周期性振动位移，两个压电驱动器驱动信号如下：
（1）
其中，分别为两个压电驱动器驱动信号的幅值，表示驱动信号的频率，为时间，分别表示两个驱动信号的相位。
当两个驱动信号的初始相位不相等时，即两个压电驱动器产生相位差。此时两个压电驱动器驱动前推平台产生的位移也不相等，与前推平台相连的刀具基座8则带动金刚石刀具9产生周期性振动旋转运动轨迹，如图4。通过调节两个压电驱动器驱动信号的相位差的大小，可以使金刚石刀具产生不同的旋转角度。刀具振动旋转理论如下：
假设压电驱动器原始长度为，柔性铰链变形量为，加工过程中柔性铰链变形量主要有三部分组成，分别是无外载时压电驱动器名义伸长量，压电驱动器驱动产生的变形和预紧螺钉预紧压电过程中产生的变形，那么柔性铰链产生的总变形量为：
（2）
式中为前推平台的刚度，分别为直梁型柔性铰链和Z型柔性铰链的刚度。此时对应的刀具基座旋转角度为：
（3）
其中，为刀具基座的长度，表示两个驱动信号相位差产生的夹角，就是所求金刚石刀具的振动旋转角度。
图5给出了本发明装置采用的系统控制原理图和在位颤振辨识方法信号采集示意图，其中主要包括振动旋转切削装置，工件，计算机，PMAC多轴运动控制器，功率方法器，电容式微位移传感器以及力传感器。
图6为在位颤振辨识方法的流程图，用于判定振动旋转切削装置加工过程中是否出现颤振现象，从而作为本发明装置稳定性评价的重要指标。
基于图1-6，本发明所述振动旋转切削装置的具体实施方式以及在位测量辨识方法步骤如下：
1. 将待加工工件固定在两轴半数（X轴、Z轴和C轴）控机床主轴前端，本发明设计的振动旋转切削装置安装在机床导轨，其中主轴的回转运动实现工件的圆周进给运动，机床导轨带动振动旋转切削装置上的金刚石刀具9做X向和Z向进给运动；
2. 施加驱动信号给压电驱动器301和302驱动刀具基座8绕刀尖点做高频振动旋转运动，从而生成金刚石刀具9的振动旋转轨迹作为主切削运动；
3. 通过调节两个压电驱动器输入信号的相位差，从而实现调整金刚石刀具的旋转角度，以适应不同面型的加工需求；
4. 加工过程中振动旋转切削装置下方的力传感器1用于采集切削过程中的三向切削力，由于切削过程中Y向变形量很小可以忽略不计，因此只计算X向和Z向切削力合力，即，电容式微位移传感器401和402分别采集X方向上具有相位差的振动位移信号，取两个信号的振动位移的平均值，即，选取切削合力和振动位移平均值随时间变化趋势作为信号分析的对象；
5. 在位颤振辨识过程：
（1）初步辨识：对采集到的切削力合力和振动位移平均值信号进行傅里叶变换得到其幅值谱，分别从时域和频域两个方面将三维椭圆振动切削过程划分为三种切削状态：平稳切削，过渡阶段和颤振阶段，具体变换公式如下：
（4）
式中表示原始信号，在这里分别为切削合力信号以及振动位移平均值，表示加工时间；
（2）经验模态分解：采用经验模态分解方法提取两组信号的本征模函数，直到提取之后的残余信号为单调函数，此时原始信号可以表示为：
（5）
式中为本征模函数向量，为单调的残余信号，另外分解的停止准则为：
（6）
其中，表示筛分前后结果；
（3）计算两组本征模函数的均方频率和自相关函数：通过提取各个本征模函数的自相关函数和均方频率，进而得到均方频率以及一步自相关函数图像，与切削时域信号图像进行对比判别颤振是否发生，设采样信号为，和的快速计算公式为：
（7）
（8）
其中，，，，，是采样数据，为一阶差分，为采样点数，为采样间隔；
6. 新的在位颤振辨识方法的辨识准则为：
（1）均方频率是反映被监测信号在频域变化中的一个理想特征量。当颤振发生的时候，由于信号主频带的移动，MSF值会急剧变化。那么，如果MSF在某一时间点急剧下降或上升，那么可以判定切削过程发生颤振；
（2）一步自相关函数能够描述随机信号在任意两个不同时刻t1，t2的取值之间的相关程度，当信号中主要的能量成分移动时，的变化趋势总是变化的。因此，如果在某一时间点急剧上升或下降，那么可以判定切削过程出现颤振现象。
Claims (5)
1.一种振动旋转切削装置及其在位颤振辨识方法，主要包括基于刀具旋转理论设计的一种超精密切削加工过程中刀具绕刀尖点做高频振动旋转运动的振动旋转切削装置，以及针对本发明振动旋转切削装置提出的一种新的在位颤振辨识方法，通过切削装置的在位辨识，提高切削加工过程中的稳定性，进一步提高加工质量。
2.根据权利要求1所述，一种振动旋转切削装置的主要特征如下：金刚石刀具9安装在刀具基座8上的刀具联接孔901处，刀具基座8前部由于直梁型柔性铰链201b限制了其在X向和Y向的移动自由度，因此刀具基座在实际加工过程中只具有一个自由度，即以金刚石刀尖点为中心绕Z轴转动的自由度，两个平行放置的压电驱动器301和302通过输入具有一定相位差的驱动信号，分别推动前推平台203和204产生位移差，带动刀具基座8转动，从而金刚石刀具产生高频振动旋转轨迹进行加工，力传感器1通过装置固定孔102与振动旋转切削装置联接，两个电容式位移传感器401和402分别由传感器夹座5固定在柔性装置平台上，位移传感器测头一端靠近位移传感器挡板601和602。
3.根据权利要求2所述，本发明装置主要部分为柔性装置平台，其加工采用一体式加工，包括柔性铰链201a，201b和202、刀具基座8以及微位移传感器401和402的安装槽，大大减少了分开加工装配产生的误差，压电驱动器301和302分别驱动前推平台203和204，驱动过程相互独立，且不存在耦合现象，且通过调整两个压电驱动器的相位差可以调整金刚石刀具的振动幅值与旋转角度，可调的刀具振动旋转轨迹能够适应加工面型较为复杂的工件，切削过程中由于刀具的振动旋转轨迹使得刀具和工件连续接触，能够消除传统振动辅助切削产生的周期残留高度，提高加工质量，同时切削角不断变化从而实现切削力的再分配，减少切削过程中切削力，延长刀具寿命。
4.根据权利要求1所述，一种新的在位颤振辨识方法，通过力传感器1和微位移传感器
401和402采集振动旋转切削过程中的三向力信号计算其切削合力以及两个X向振动位移信
号计算平均振动位移，首先经过快速傅里叶变换得到其幅值谱进行初步辨识，然后进行经
验模态分解得到一系列反应信号内部波动性的本征模函数，通过提取各个本征模函数的自
相关函数和均方频率，进而得到均方频率以及一
步自相关函数图像，与切削时域信号图像进行对比判别颤振是否发生。
5.根据权利要求8所述，本发明在位颤振辨识方法中具体的颤振判别准则为：
（1）均方频率是反映被监测信号在频域变化中的一个理想特征量；
当颤振发生的时候，由于信号主频带的移动，MSF值会急剧变化；那么，如果MSF在某一时间点急剧下降或上升，那么可以判定切削过程发生颤振；
（2）一步自相关函数能够描述随机信号在任意两个不同时刻t1，t2的取值之间的相关
程度，当信号中主要的能量成分移动时，的变化趋势总是变化的；因此，如果在某一时
间点急剧上升或下降，那么可以判定切削过程出现颤振现象。
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