CN111015346A

CN111015346A - 一种刀具切削颤振控制方法、装置以及设备

Info

Publication number: CN111015346A
Application number: CN201911384387.4A
Authority: CN
Inventors: 张略; 汪洋
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2019-12-28
Filing date: 2019-12-28
Publication date: 2020-04-17
Anticipated expiration: 2039-12-28
Also published as: CN111015346B

Abstract

本发明公开了一种刀具切削颤振控制方法，包括：预先根据设定的切削参数，确定压电片随切削过程变化而变化的输入电压；其中，压电片贴合设于刀具侧面，且压电片接通输入电压后产生的抑制刀具颤振的推力；在刀具切削工件时，按照输入电压控制压电片对刀具产生抑制颤振的压力，以抑制刀具的颤振。本申请中在刀具侧面贴附压电片，对压电片通电即可对刀具产生一个压力作用，当该压力和导致刀具颤振的作用力的大小相等，方向相反，即可在一定程度上实现颤振抑制作用。本申请中对刀具颤振控制的方法，操作简单，控制精准，无需借助复杂的机械结构，实现成本低。本申请还提供了一种刀具切削颤振控制装置及设备，具有上述有益效果。

Description

一种刀具切削颤振控制方法、装置以及设备

技术领域

本发明涉及切削加工控制技术领域，特别是涉及一种刀具切削颤振控制方法、装置以及设备。

背景技术

微结构表面是指具有亚微米级面形精度、纳米级表面粗糙度的微小几何形状的表面，由于其具有体积小、质量轻、造价低等优点，并且能够实现普通元件难以实现的微小、阵列、集成、成像和波前转换等新功能，使其在生物、光学、力学等领域都具有重要的应用价值。

目前用于微结构表面的加工方法较多，其中金刚石超精密切削加工由于具有能够加工光滑连续的非回转对称三维结构、加工材料多样、加工效率高、无需后续抛光等显著优势，已经成为微结构表面制造的一项热点研究技术。其中金刚石加工包括：飞切加工、慢速滑板伺服加工和快速伺服刀具加工(Fast Tool Servo，FTS)。

快速刀具伺服加工技术是在普通T型车床上附加一个FTS模块，这个模块在加工过程中驱动刀具沿Z方向产生高频响、短行程的快速精密进刀运动，配合机床其它轴的运动，来完成复杂面形零件的精密高效加工。由于在微结构表面加工中，切削速度和背吃刀量是一个时变量，因此会引起动态切削力的变化，使切削过程不稳定，并导致颤振的产生，导致加工的面型精度和表面粗糙度达不到预定要求，严重时更会导致刀具损坏，因此实现颤振的控制对于微结构表面加工具有重要的意义。

目前关于颤振控制的方法也较多，如改变切削参数(如主轴转速、切削深度等)，使加工处于稳定切削的范围内来避免颤振的发生。如J.Saffury使用动态吸振器(Dynamicvibration absorber，DVA)对系统进行减振；Y.Yang设计的一个具有相同质量的调谐质量阻尼器(Tuned mass damper，TMD)，并且使用minimax数值优化算法优化阻尼和刚度值以改善颤振阻力。Sinawi在隔离了影响刀具的其他切削扰动的基础上，研究了利用卡曼滤波器来抑制刀具振动的方法，并通过实验证明了这种控制策略能较大幅度地改善机床车削工件的表面粗糙度。Yao等提出了利用磁流变液阻尼器产生参数激励来抑制颤振的办法并用实验验证了其有效性。H.Zhang在颤振发生时，通过改变主轴转速的变速切削方法实现了对颤振的抑制。

总而言之，目前大多数抑制颤振的方式，是通过改变切削参数或者是改变刀具的刚性来实现的，这种方式能够在一定程度上有效减少工件加工的颤振，但是对于自由表面、非回转对称等需要切削参数构建刀具空间路径规划的情况，采用上述方式抑制颤振则会增大切削难度。

发明内容

本发明的目的是提供一种刀具切削颤振控制方法、装置以及设备，有效抑制微结构加工中刀具的颤振，提高微结构加工面型精度和表面粗糙度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种刀具切削颤振控制方法，包括：

预先根据设定的切削参数，确定压电片随切削过程变化而变化的输入电压；其中，所述压电片贴合设于刀具侧面；且所述压电片接通所述输入电压后，所述压电片可产生的抑制所述刀具颤振的推力；

在所述刀具切削工件时，按照所述输入电压控制所述压电片对所述刀具产生抑制颤振的压力，以抑制所述刀具的颤振。

其中，所述预先根据设定的切削参数，确定压电片随切削过程变化而变化的输入电压，包括：

根据所述切削参数，获得多组所述刀具随切削过程变化的采样颤振位移；

根据所述采样颤振位移所需的抑制作用力，以及所述压电片的输入电压和产生的推力之间的对应关系，确定各组所述采样颤振位移对应的随切削过程变化的采样输入电压；

将切削过程变化的各组所述采样颤振位移和对应的所述采样输入电压进行BP神经网络训练，获得所述压电片随切削过程变化而变化的所述输入电压。

其中，所述根据所述切削参数，获得多组所述刀具随切削过程变化的采样颤振位移包括：

根据所述刀具切削过程中发生颤振的动力学方程，和所述切削参数，确定所述刀具切削颤振方程；

通过数字仿真技术，对所述刀具切削颤振方程多组颤振位移求解结果进行仿真，获得多组所述采样颤振位移。

其中，根据所述采样颤振位移所需的抑制作用力，以及所述压电片的输入电压和产生的推力之间的对应关系，确定各组所述采样颤振位移对应的随切削过程变化的采样输入电压，包括：

根据所述刀具颤振的动力学原理，获得颤振位移和所述切削刀具所受的切削力之间的动力学方程，其中，基于作用力和反作用力原理，所述切削力大小等于所述刀具对加工工件的作用力大小；

根据所述对应关系和所述动力学方程，获得所述推力大小等于所述切削力大小时，所述刀具的颤振位移和所述电压片的输入电压之间的传递函数；

根据所述采样颤振位移和所述传递函数，获得所述采样输入电压。

其中，在获得所述压电片随切削过程变化而变化的所述输入电压之后，还包括；

对所述输入电压进行精度校正，若所述输入电压的精度达到预设要求，则所述输入电压符合要求。

本申请还提供了一种刀具切削颤振控制装置，包括：

输入电压模块，用于预先根据设定的切削参数，确定压电片随切削过程变化而变化的输入电压；其中，所述压电片贴合设于刀具侧面，且所述压电片接通所述输入电压后产生的抑制所述刀具颤振的推力；

控制切削模块，用于在所述刀具切削工件时，按照所述输入电压控制所述压电片对所述刀具产生抑制颤振的压力，以抑制所述刀具的颤振。

其中，所述输入电压模块具体包括：

位移采样单元，用于根据所述切削参数，获得多组所述刀具随切削过程变化的采样颤振位移；

电压采样单元，用于根据所述采样颤振位移所需的抑制作用力，以及所述压电片的输入电压和产生的推力之间的对应关系，确定各组所述采样颤振位移对应的随切削过程变化的采样输入电压；

神经训练单元，用于将切削过程变化的各组所述采样颤振位移和对应的所述采样输入电压进行BP神经网络训练，获得所述压电片随切削过程变化而变化的所述输入电压。

其中，所述位移采样单元，具体用于根据所述刀具切削过程中发生颤振的动力学方程，和所述切削参数，确定所述刀具切削颤振方程；通过数字仿真技术，对所述刀具切削颤振方程多组颤振位移求解结果进行仿真，获得多组所述采样颤振位移。

其中，所述电压采样单元具体用于根据所述刀具颤振的动力学原理，获得颤振位移和所述切削刀具所受的切削力之间的动力学方程，其中，基于作用力和反作用力原理，所述切削力大小等于所述刀具对加工工件的作用力大小；根据所述对应关系和所述动力学方程，获得所述推力大小等于所述切削力大小时，所述刀具的颤振位移和所述电压片的输入电压之间的传递函数；根据所述采样颤振位移和所述传递函数，获得所述采样输入电压。

本发明中还提供了一种刀具切削颤振控制设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，以实现如上任意一项所述的刀具切削颤振控制方法的步骤。

本发明所提供的刀具切削颤振控制方法，包括：预先根据设定的切削参数，确定压电片随切削过程变化而变化的输入电压；其中，压电片贴合设于刀具侧面；且压电片接通所述输入电压后，压电片可产生的抑制刀具颤振的推力；在刀具切削工件时，按照输入电压控制压电片对刀具产生抑制颤振的压力，以抑制刀具的颤振。

本申请中的刀具切削控制方法，主要是针对微结构加工的刀具的颤振进行抑制，相对于现有技术中通过调整刀具的切削参数来提高切削的稳定性抑制颤振的技术方案而言，本申请中无需对切削参数进行反复调整，在刀具侧面贴附压电片，设定好切削参数后，只需要通过贴合在刀具上的压电片接通相应的输入电压，通过压电片产生的推力对刀具切削过程中的颤振进行抑制，当该压力和导致刀具颤振的作用力的大小相等，方向相反，即可在一定程度上实现颤振抑制作用，保证了微结构加工切削过程中的切削精度，且不改变切削参数，从而避免影响切削面型，操作简单，易于实现，无需借助复杂的机械结构，实现成本低。

本申请还提供了一种刀具切削颤振控制装置及设备，具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的刀具切削颤振控制方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的切削刀具的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的获得传递函数的方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的刀具切削模型的结构示意图；

图5本发明实施例提供的神经网络训练误差的坐标示意图；

图6为本发明实施例提供的刀具切削颤振控制装置的结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，图1为本发明实施例提供的刀具切削颤振控制方法的流程示意图。该控制方法可以包括：

步骤S11：预先根据设定的切削参数，确定压电片随切削过程变化而变化的输入电压。

其中，压电片设于刀具侧面；且压电片通电后产生的压力和颤振位移的方向，均和刀具在工件上切削给进方向平行。

当压电片接通输入电压时可以产生的抑制刀具颤振的推力，从而实现对刀具颤振的抑制作用，保证刀具切削的稳定性和对工件加工的精度。

步骤S12：在刀具切削工件时，按照输入电压控制压电片对刀具产生抑制颤振的压力，以抑制刀具的颤振。

具体地，本实施例刀具切削过程中对刀具颤振的控制方法，是基于压电片产生的推力完成的。如图2所示，图2为本发明实施例提供的切削刀具的结构示意图。图2中在刀具1相对的两侧面分别设置一个作动器，该作动器即为压电片2。本申请中刀具1的颤振位移即为图2中刀具1在X轴方向上的振动位移。

图2中的Y轴方向为刀具1相对于工件的给进方向。刀具1和工件在这一方向上相对运动切削。

因为在刀具对工件的整个切削加工过程中，在任意位置都可能产生不稳定的切削，存在相应地颤振位移。本实施例中预先针对刀具确定、工件确定以及切削参数确定的切削过程设定对应的随着切削过程的变化而变化的切削电压，使得电压片在整个切削过程中可以随着切削过程的进行产生相应的推力，进而对刀具的颤振进行抑制。

需要说明的是，目前对于切削工件的刀具的颤振问题，多采用改变切削参数和改变刀具的刚性来实现。对于微结构的切削加工过程而言，切削刀具周围的空间有限，难以通过改变刀具的刚性来维持切削的稳定性。对于通过改变切削参数抑制刀具颤振，提高切削稳定性的方式而言，往往需要在一定程度上降低对切削结构精细度的要求，例如降低切削速度，减小切削力大小等等，这在一定程度上也对切削结构产生一定限制。并且在切削前需要反复调试验证切削参数，以保证所选取的切削参数是否能够保证稳定切削，过程繁琐，且能够提高的精度有限。

本申请中通过在刀具上设置压电片，基于压电片通电可产生推力的性能，利用该推力对刀具切削过程中的颤振过程进行抑制，从而提高刀具切削过程的稳定性，不改变切削参数，避免影响切削路径和切削面型结构，能够有效提高对刀具颤振抑制的面型精度和降低表面粗糙度，从而实现高精度的进行微结构加工的效果。

基于上述实施例，对于预先获得压电片的输入电压的过程，如图3所示，图3为本发明实施例提供的压电片的输入电压的方法的流程示意图。该过程可以包括：

步骤S21：根据切削参数，获得多组刀具随切削过程变化的采样颤振位移。

具体地，如图4所示，图4为本发明实施例提供的刀具切削模型的结构示意图。其中图4和上述图2中的x轴方向和y轴方向一致。

刀具切削的颤振动力学方程为：

其中，m是刀具系统的等效质量，单位为N·S²/mm；c是刀具系统的等效阻尼，单位为N·s/mm；k是刀具系统的等效刚度，单位为N/mm；x(t)为刀具的颤振位移，单位为mm；F(t)为动态切削力，单位为N；θ为切削角度，F(t)为刀具切削点受到的加工工件的切削力。

而根据作用力和反作用力的原理，刀具受到加工工件施加的切削力的大小，也即是等于刀具对工件切削力的大小。

而动态切削力的计算公式为F(t)＝k_fbh(t)；其中k_f为切削刚度系数，单位为N/mm²；b为切削宽度，单位为mm；h(t)为动态切削厚度,单位为mm。

机床在车削加工时，每次刀具进给时，都会在工件表面留下轨迹，本次切削产生的轨迹用x(t)表示，上一次切削产生的轨迹用x(t-T)表示。则动态切削厚度h(t)可以表示为：h(t)＝h₀-[x(t)-x(t-T)]；其中h₀为理论切削厚度，单位为mm，T为机床主轴旋转一周的时间，单位为s。

结合上述颤振动力学方程为：

动态切削力的计算公式为F(t)＝k_fbh(t)以及动态切削厚度h(t)表达式：h(t)＝h₀-[x(t)-x(t-T)]，可以得到系统车削颤振方程：

根据该系统车削颤振方程，可以解算出多组随着切削过程变化而变化颤振位移序列。根据数字仿真技术，将多组颤振位移序列分别进行仿真，确定每组颤振位移序列随切削过程变化而变化的颤振波形，进而可以获得多组采样颤振位移。

当然，本申请中也并不只有上述一种采样颤振位移的获取方式，还可以对多组实际切削过程中的颤振位移进行测量取样，进而获得多组采样颤振位移，对此本申请中不做具体限定。

步骤S22：根据采样颤振位移所需的抑制作用力，以及压电片的输入电压和产生的推力之间的对应关系，确定各组采样颤振位移对应的随切削过程变化的采样输入电压。

具体地，刀具在切削过程中，刀具的颤振位移和切削力之间满足的刀具切削的颤振动力学方程为：

进一步地，将颤振动力学方程：

转换为

其中，γ表示车削振动系统阻尼率，

ω_n表示车削系统固有频率，

根据压电材料的逆压电效应有：ε_i＝d_jiE_j；压电片在x方向上的应变为：ε_p＝U(t)d₃₁/t_p。

其中，ε表示压电片的应变，U(t)为输入电压，E为电场强度，d_ji是指表征压电片的压电转换能力的应变常数，i为电场位移方向，j为应变方向；d₃₁是指压电片的极化方向为z方向，伸缩方向为x方向时的应变常数；压电片的厚度为t_p。

当压电作动器输入电压为U(t)时，压电片上产生的力为

其中，k_PZT表示压电片的压电常数。

若要抑制刀具颤振，则压电片产生的应变力大小需要与切削力大小相等方向相反，则需满足方程：

即

根据方程：

对该方程进行拉普拉斯变换可得：

拉普拉斯变换是对t≥0函数值不为零的连续时间函数x(t)，通过公式：

变换为复变量s的函数X(s)。它也是时间函数x(t)的“复频域”表示方式。其中s＝σ+jω为复数。

由此可获得电压片的输入电压与刀具颤振的颤振位移之间的传递函数：

需要说明的是，传递函数即为表征输入电压与颤振位移之间的对应关系的函数。该传递函数可以作为控制刀具颤振时，输入电压和颤振位移之间的对应关系，并在实际应于时，基于该传递函数获得实时颤振位移对应的输入电压。

因此，在获得采样颤振位移的基础上，利用该传递函数，即可获得相应的采样输入电压。

步骤S23：将切削过程变化的各组采样颤振位移和对应的采样输入电压进行BP神经网络训练，获得压电片随切削过程变化而变化的输入电压。

具体地，可以采用Matlab软件建立神经网络，神经网络的训练需要使用采集到的颤振位移采样数据和输入电压采样数据，在神经网络训练完成后，可以获得颤振位移与输入电压的控制方程模型的网络，即根据颤振位移可以计算得出用于抑制振动所需的输入电压。建立的神经网络采用单层隐含层，隐含层节点数为26，最大训练步数为1000，最优学习率取0.02。

为了保证获得输入电压的精度可以对输入电压的进行校正，具体地，可以采用仿真技术获得的验证颤振位移，并通过传递函数确定该颤振位移对应的验证输入电压，将输入电压和验证输入电压进行对比，若两者误差在预设误差允许范围内，则说明该输入电压精度符合要求。

如图5所示，图5本发明实施例提供的神经网络训练误差的坐标示意图。由图5可知，基于神经网络网络预测的输入电压和基于传递函数获得的输入电压之间的误差非常小，满足微结构加工的精度需求。

需要说明的是，本实施例中的颤振位移验证样本数据和验证输入电压的获得方式，和上述实施例中采样颤振位移和采样输入电压的获得方式相同。甚至可以预先获得一组颤振位移和输入电压的采样数据，并将其中一部分作为神经网络学习的采样数据，而另一部分作为验证神经网络学习结果的网络数据。

对于输入电压的预设误差范围，可以根据加工精度的实际确定，对此本实施例中不做具体限定。

下面对本发明实施例提供的刀具切削颤振控制装置进行介绍，下文描述的刀具切削颤振控制装置与上文描述的刀具切削颤振控制装置可相互对应参照。

图6为本发明实施例提供的刀具切削颤振控制装置的结构框图，参照图6刀具切削颤振控制装置可以包括：

输入电压模块100，用于预先根据设定的切削参数，确定压电片随切削过程变化而变化的输入电压；其中，所述压电片贴合设于刀具侧面，且所述压电片接通所述输入电压后产生的抑制所述刀具颤振的推力；

控制切削模块200，用于在所述刀具切削工件时，按照所述输入电压控制所述压电片对所述刀具产生抑制颤振的压力，以抑制所述刀具的颤振。

可选地，在本发明的另一具体实施例中，所述输入电压模块100具体包括：

可选地，在本发明的另一具体实施例中，所述位移采样单元，具体用于根据所述刀具切削过程中发生颤振的动力学方程，和所述切削参数，确定所述刀具切削颤振方程；通过数字仿真技术，对所述刀具切削颤振方程多组颤振位移求解结果进行仿真，获得多组所述采样颤振位移。

可选地，在本发明的另一具体实施例中，所述电压采样单元具体用于根据所述刀具颤振的动力学原理，获得颤振位移和所述切削刀具所受的切削力之间的动力学方程，其中，基于作用力和反作用力原理，所述切削力大小等于所述刀具对加工工件的作用力大小；根据所述对应关系和所述动力学方程，获得所述推力大小等于所述切削力大小时，所述刀具的颤振位移和所述电压片的输入电压之间的传递函数；根据所述采样颤振位移和所述传递函数，获得所述采样输入电压。

可选地，在本发明的另一具体实施例中，还包括验证模块用于在获得所述压电片随切削过程变化而变化的所述输入电压之后，对所述输入电压进行精度校正，若所述输入电压的精度达到预设要求，则所述输入电压符合要求。

本实施例的刀具切削颤振控制装置用于实现前述的刀具切削颤振控制方法，因此刀具切削颤振控制装置中的具体实施方式可见前文中的刀具切削颤振控制方法的实施例部分，例如，输入电压模块100，控制切削模块200，分别用于实现上述刀具切削颤振控制方法中步骤S11和S12，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。

本申请中还提供了一种刀具切削颤振控制设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，以实现如上任意实施例所述的刀具切削颤振控制方法的步骤。

该存储器可以是随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

Claims

1.一种刀具切削颤振控制方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的刀具切削颤振控制方法，其特征在于，所述预先根据设定的切削参数，确定压电片随切削过程变化而变化的输入电压，包括：

3.如权利要求2所述的刀具切削颤振控制方法，其特征在于，所述根据所述切削参数，获得多组所述刀具随切削过程变化的采样颤振位移包括：

4.如权利要求3所述的刀具切削颤振控制方法，其特征在于，根据所述采样颤振位移所需的抑制作用力，以及所述压电片的输入电压和产生的推力之间的对应关系，确定各组所述采样颤振位移对应的随切削过程变化的采样输入电压，包括：

5.如权利要求2所述的刀具切削颤振控制方法，其特征在于，在获得所述压电片随切削过程变化而变化的所述输入电压之后，还包括；

6.一种刀具切削颤振控制装置，其特征在于，包括：

7.如权利要求6所述的刀具切削颤振控制装置，其特征在于，所述输入电压模块具体包括：

8.如权利要求7所述的刀具切削颤振控制装置，其特征在于，所述位移采样单元，具体用于根据所述刀具切削过程中发生颤振的动力学方程，和所述切削参数，确定所述刀具切削颤振方程；通过数字仿真技术，对所述刀具切削颤振方程多组颤振位移求解结果进行仿真，获得多组所述采样颤振位移。

9.如权利要求8所述的刀具切削颤振控制装置，其特征在于，所述电压采样单元具体用于根据所述刀具颤振的动力学原理，获得颤振位移和所述切削刀具所受的切削力之间的动力学方程，其中，基于作用力和反作用力原理，所述切削力大小等于所述刀具对加工工件的作用力大小；根据所述对应关系和所述动力学方程，获得所述推力大小等于所述切削力大小时，所述刀具的颤振位移和所述电压片的输入电压之间的传递函数；根据所述采样颤振位移和所述传递函数，获得所述采样输入电压。

10.一种刀具切削颤振控制设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，以实现如权利要求1至5任一项所述的刀具切削颤振控制方法的步骤。