專利名稱：一種銑削加工顫振主動(dòng)控制系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于切削加工控制技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種銑削加工顫振主動(dòng)控制系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
在銑削加工過程中，由于銑削力和其他不確定載荷的作用，工藝系統(tǒng)往往會(huì)發(fā)生顫振現(xiàn)象，并影響到加工精度和銑削效率。顫振是一種自激振動(dòng)，其中再生型顫振(因銑削厚度變化效應(yīng)所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)銑削力激起的自激顫振)最為有害。顫振現(xiàn)象的發(fā)生會(huì)降低銑削用量和工件的表面質(zhì)量，導(dǎo)致加工刀具的提前報(bào)廢，同時(shí)產(chǎn)生大量的噪聲；在加工實(shí)踐中，顫振現(xiàn)象對(duì)于金屬合金框、薄壁支架之類弱剛性工件的影響尤為明顯。針對(duì)銑削加工過程中的顫振現(xiàn)象，現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)提出了各種主動(dòng)控制技術(shù)。其中一類方法是對(duì)銑削系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)建模，以此方式來執(zhí)行顫振主動(dòng)控制，然而銑削加工系統(tǒng)自身往往非常復(fù)雜，設(shè)計(jì)模型往往建立在比較粗糙的流變學(xué)假設(shè)上，相應(yīng)導(dǎo)致難以獲得準(zhǔn)確的系統(tǒng)模型；此外，銑削加工機(jī)械系統(tǒng)反應(yīng)的滯后也會(huì)使該方法不能很好地對(duì)銑削穩(wěn)定性執(zhí)行在線控制，因此難以有效地消除顫振現(xiàn)象。近年來，隨著壓電陶瓷、電流變液、磁流變液智能材料的迅速發(fā)展，此類材料被引入到顫振主動(dòng)控制的過程中，并取得了良好的效果。例如，張?jiān)懙忍岢隽艘环N將壓電陶瓷作動(dòng)器和薄壁狀弱剛性工件粘合在一起，相應(yīng)執(zhí)行顫振主動(dòng)控制的方法(參見“MillingWorkpiece Chatter Avoidance Using Piezoelectric Active Damping:A FeasibilityStudy”，Smart Mater.Struct, 14 (6), N65頁(yè)-N70頁(yè))，該方法響應(yīng)快,但是易于折斷,輸出力和位移偏小，在較大程度上限制了其作為驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用；J.L.Dohner等提出了一種將磁致伸縮作動(dòng)器安裝在主軸上執(zhí)行顫振主動(dòng)控制的方法(參見“Mitigation of ChatterInstabilities in Milling by Active Structural Control，，，J.Sound Vibr, 2004, vol269，197-211頁(yè))，該方法響應(yīng)快且輸出力大，但同樣易于折斷，且存在控制成本高的問題。相應(yīng)地，尋找一種更為完善的顫振主動(dòng)控制技術(shù)，正成為本領(lǐng)域亟需解決的技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種銑削加工顫振主動(dòng)控制系統(tǒng)及其方法，其中通過采用音圈電機(jī)作為抑制顫振的執(zhí)行器并相應(yīng)設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)，能夠以響應(yīng)快、輸出力大、便于操控的方式執(zhí)行顫振主動(dòng)控制過程，同時(shí)具備高精度、抑制效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，因而尤其適用于弱剛性工件之類的顫振控制用途。按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種銑削加工顫振主動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括位移檢測(cè)單元、信號(hào)采集單元、中央控制單元、音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和音圈電機(jī)，其中:所述位移檢測(cè)單元用于對(duì)工件在銑削 加工中由于顫振現(xiàn)象所產(chǎn)生的位移執(zhí)行實(shí)時(shí)感測(cè)，并獲得相應(yīng)的檢測(cè)電壓信號(hào)；
所述信號(hào)采集單元用于采集位移檢測(cè)單元所獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)，并將其輸送給中央控制單兀；所述中央控制單元根據(jù)所接收的信號(hào)，相應(yīng)計(jì)算確定用于抑制顫振現(xiàn)象的控制電壓信號(hào)，然后將該控制電壓信號(hào)輸送給音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；所述音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將控制電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)并予以功率放大，然后輸出至設(shè)置在工件附近的音圈電機(jī)使其驅(qū)動(dòng)；所述音圈電機(jī)作為執(zhí)行器，根據(jù)音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)來相應(yīng)抑制顫振，由此實(shí)現(xiàn)銑削加工顫振主動(dòng)控制過程。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述工件為長(zhǎng)桁、壁板、航空葉片之類的弱剛性零件。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述振動(dòng)位移檢測(cè)單元優(yōu)選為激光位移傳感器或渦流位移傳感器。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述信號(hào)采集單元為多通道數(shù)據(jù)采集卡，且其輸入通道數(shù)為8通道，數(shù)據(jù)采集速率為50K，分辨率為0.05 μ m。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述中央控制單元通過多通道電壓輸出卡將控制電壓信號(hào)同步輸送給對(duì)應(yīng)設(shè)置的多個(gè)音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，由此驅(qū)動(dòng)多個(gè)音圈電機(jī)來共同執(zhí)行顫振主動(dòng)控制。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述音圈電機(jī)的工作頻率被設(shè)定為OHz 50Hz，其響應(yīng)時(shí)間和精度分別被設(shè)定為0.54ms和0.0lN0作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述系統(tǒng)還包括顯示單元，該顯示單元采用觸摸屏的形式，用于輸入配置參數(shù)和顯示顫振控制過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)。作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述系統(tǒng)整體構(gòu)成為實(shí)時(shí)閉環(huán)控制系統(tǒng)。按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種相應(yīng)的銑削加工顫振主動(dòng)控制方法，其特征在于，該方法包括下列步驟:(a)將位移檢測(cè)單元初始獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)調(diào)整為零，同時(shí)使得音圈電機(jī)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間呈線性比例關(guān)系，由此執(zhí)行控制系統(tǒng)的標(biāo)定步驟；(b)采用位移檢測(cè)單元對(duì)工件在銑削加工中由于顫振現(xiàn)象所產(chǎn)生的位移執(zhí)行實(shí)時(shí)感測(cè)，并獲得相應(yīng)的檢測(cè)電壓信號(hào)；(C)對(duì)位移檢測(cè)單元所獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)予以實(shí)時(shí)采集，并輸送給中央控制單元以計(jì)算出相應(yīng)的控制電壓信號(hào)，然后將該控制電壓信號(hào)輸送給音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；(d)音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將控制電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)并予以功率放大，然后輸出至設(shè)置在工件附近的音圈電機(jī)使其驅(qū)動(dòng)以便抑制顫振，由此實(shí)現(xiàn)整體的銑削加工顫振主動(dòng)控制過程。總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn):1、通過采用音圈電機(jī)作為抑制顫振的執(zhí)行器并相應(yīng)設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng)，測(cè)試表明不僅響應(yīng)快，而且輸出力和位移大，能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)各類工件銑削加工顫振的主動(dòng)控制，同時(shí)整體控制系統(tǒng)便于實(shí) 現(xiàn)、工作壽命長(zhǎng)；2、通過構(gòu)建實(shí)時(shí)閉環(huán)控制系統(tǒng)并對(duì)其關(guān)鍵工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，從位移檢測(cè)單元感測(cè)振動(dòng)位移到音圈電機(jī)執(zhí)行顫振抑制，整個(gè)過程可控制在幾毫秒之內(nèi)，延遲時(shí)間短，而且音圈電機(jī)力控準(zhǔn)確，與現(xiàn)有技術(shù)相比可顯著提高顫振抑制效果；3、按照本發(fā)明的顫振主動(dòng)控制方法在其控制過程中能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算和反饋，符合銑削加工的時(shí)變特點(diǎn)，同時(shí)具備便于操控、精度高等特點(diǎn)，因而尤其適用于弱剛性工件之類的顫振控制用途。


圖1是按照本發(fā)明的銑削加工顫振主動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境示意圖；圖2是按照本發(fā)明的銑削加工顫振主動(dòng)控制系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)示意圖；在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:1-位移檢測(cè)單兀2_/[目號(hào)米集單兀3_中央控制單兀4_首圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5_首圈電機(jī)6-工件7-統(tǒng)刀8-主軸9-顯示單元
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。圖1是按照本發(fā)明的銑削加工顫振主動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境示意圖，圖2是按照本發(fā)明的銑削加工顫振主動(dòng)控制系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1和圖2中所示，按照本發(fā)明的銑削加工顫振 主動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括位移檢測(cè)單元1、信號(hào)采集單元2、中央控制單元
3、音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器4和音圈電機(jī)5，其中通過采用音圈電機(jī)來作為抑制顫振現(xiàn)象的執(zhí)行器，不僅響應(yīng)快、而且輸出力和位移大，由此能夠很好地執(zhí)行銑削加工過程中對(duì)顫振現(xiàn)象的主動(dòng)控制。具體而言，位移檢測(cè)單元I可采用高精度的激光位移傳感器或渦流位移傳感器，其對(duì)應(yīng)于作為感測(cè)對(duì)象的工件6而設(shè)置，用于針對(duì)工件6上的某測(cè)點(diǎn)對(duì)工件在銑削加工中由于顫振現(xiàn)象所產(chǎn)生的位移執(zhí)行實(shí)時(shí)感測(cè)，并獲得及輸出相應(yīng)的檢測(cè)電壓信號(hào)。信號(hào)采集單元2優(yōu)選采用多通道數(shù)據(jù)采集卡(譬如，NI數(shù)據(jù)采集卡，運(yùn)行環(huán)境為L(zhǎng)abview RT實(shí)時(shí)系統(tǒng))，用于采集位移檢測(cè)單元I所獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)，并將其實(shí)時(shí)輸送給中央控制單元3。中央控制單元3可運(yùn)行在Labview RT實(shí)時(shí)系統(tǒng)下，并采用NI嵌入式控制器的形式，由此用于根據(jù)所接收的檢測(cè)電壓信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)算并確定可用于抑制顫振現(xiàn)象的控制電壓信號(hào)，然后將該控制電壓信號(hào)輸送給音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器4。該輸送過程可由多通道電壓輸出卡(譬如，NI多通道模擬電壓輸出卡,運(yùn)行環(huán)境為L(zhǎng)abview RT實(shí)時(shí)系統(tǒng))來執(zhí)行，由此控制電壓信號(hào)被同步輸送給對(duì)應(yīng)設(shè)置的多個(gè)音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，并驅(qū)動(dòng)多個(gè)音圈電機(jī)來共同執(zhí)行顫振主動(dòng)控制。音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器4包括脈沖發(fā)生器、脈沖分配器和功率放大器，其用于將控制電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)并予以功率放大，然后輸出至設(shè)置在工件附近的音圈電機(jī)使其驅(qū)動(dòng)執(zhí)行力控；音圈電機(jī)5的作用是作為抑制顫振現(xiàn)象的執(zhí)行器，其根據(jù)音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器4的驅(qū)動(dòng)來相應(yīng)抑制顫振，由此實(shí)現(xiàn)銑削加工顫振主動(dòng)控制過程。如圖1中所示,音圈電機(jī)5的數(shù)量為四臺(tái)，并分別設(shè)置對(duì)應(yīng)的工件附近。
此外，以上控制系統(tǒng)還可以包括人機(jī)交互界面，由此用于輸入一些配置參數(shù)及用于顯示整個(gè)控制過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)。該人機(jī)交互界面可采用計(jì)算機(jī)另外配備鍵盤、鼠標(biāo)的形式，或者直接采用觸摸屏的形式，由此實(shí)現(xiàn)上述功能?？紤]到弱剛性零件自身的結(jié)構(gòu)及其他特點(diǎn)，按照本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方式，當(dāng)作為感測(cè)對(duì)象的工件為弱剛性零件時(shí)，所述信號(hào)采集單元的數(shù)據(jù)采集速率可被設(shè)定為50K，其分辨率被設(shè)定為0.05 μ m,由此能夠更為精確地地獲得零件顫振的感測(cè)結(jié)果。此外，按照本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方式，所述音圈電機(jī)的工作頻率被設(shè)定為0-50Hz，其響應(yīng)時(shí)間和精度分別被設(shè)定為0.54ms和0.0lN0較多的測(cè)試表明，上述工作參數(shù)能夠有效抑制弱剛性零件的銑削加工顫振。下面將進(jìn)一步具體描述按照本發(fā)明的銑削加工顫振主動(dòng)控制操作流程:首先，譬如采用厚度為3mm的鋁合金薄壁工件作為控制目標(biāo)，銑削設(shè)備為五軸數(shù)控立式銑床，通過仿真將位移檢測(cè)單元I和音圈電機(jī)的位置合理布置在工件附近；然后，需要執(zhí)行控制系統(tǒng)的標(biāo)定操作:該標(biāo)定操作具體包括對(duì)位移檢測(cè)單元進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其初始輸出檢測(cè)電壓值為零；同時(shí)采用載荷傳感器和示波器對(duì)音圈電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行校準(zhǔn)，并保證音圈電機(jī)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間呈一定的線性比例關(guān)系；接著，采用位移檢測(cè)單元對(duì)鋁合金薄壁工件在銑削加工中由于顫振現(xiàn)象所產(chǎn)生的位移執(zhí)行實(shí)時(shí)感測(cè)，并獲得相應(yīng)的檢測(cè)電壓信號(hào)；通過信號(hào)采集單元對(duì)位移檢測(cè)單元所獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)予以實(shí)時(shí)采集，并輸送給中央控制單元；中央控制單元計(jì)算確定相應(yīng)的控制電壓信號(hào)，然后將該控制電壓信號(hào)輸送給音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；最后，音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將控制電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)并予以功率放大，然后輸出至設(shè)置在工件附近的音圈電機(jī)使其驅(qū)動(dòng)以便抑制顫振，由此實(shí)現(xiàn)整體的銑削加工顫振主動(dòng)控制過程；測(cè)試結(jié)果表明，能夠有效抑制鋁合金薄壁工件的顫振現(xiàn)象，所加工出的工件表面質(zhì)量明顯提高。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種銑削加工顫振主動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括位移檢測(cè)單元、信號(hào)采集單元、中央控制單元、音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和音圈電機(jī)，其中 所述位移檢測(cè)單元用于對(duì)工件在銑削加工中由于顫振現(xiàn)象所產(chǎn)生的位移執(zhí)行實(shí)時(shí)感測(cè)，并獲得相應(yīng)的檢測(cè)電壓信號(hào)； 所述信號(hào)采集單元用于采集位移檢測(cè)單元所獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)，并將其輸送給中央控制單兀； 所述中央控制單元根據(jù)所接收的信號(hào)，相應(yīng)計(jì)算確定用于抑制顫振現(xiàn)象的控制電壓信號(hào)，然后將該控制電壓信號(hào)輸送給音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器； 所述音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將控制電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)并予以功率放大，然后輸出至設(shè)置在工件附近的音圈電機(jī)使其驅(qū)動(dòng)； 所述音圈電機(jī)作為執(zhí)行器，根據(jù)音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)來相應(yīng)抑制顫振，由此實(shí)現(xiàn)銑削加工顫振主動(dòng)控制過程。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述工件為長(zhǎng)桁、壁板、航空葉片之類的弱剛性零件。
3.如權(quán)利要求I或2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述振動(dòng)位移檢測(cè)單元優(yōu)選為激光位移傳感器或渦流位移傳感器。
4.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述信號(hào)采集單元為多通道數(shù)據(jù)采集卡，且其輸入通道數(shù)為8通道，數(shù)據(jù)采集速率為50K，分辨率為O. 05 μ m。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述中央控制單元通過多通道電壓輸出卡將控制電壓信號(hào)同步輸送給對(duì)應(yīng)設(shè)置的多個(gè)音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，由此驅(qū)動(dòng)多個(gè)音圈電機(jī)來共同執(zhí)行顫振主動(dòng)控制。
6.如權(quán)利要求4或5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述音圈電機(jī)的工作頻率被設(shè)定為OHz 50Hz，其響應(yīng)時(shí)間和精度分別被設(shè)定為O. 54ms和O. OlN0
7.如權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括顯示單元，該顯示單元采用觸摸屏的形式，用于輸入配置參數(shù)和顯示顫振控制過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)。
8.如權(quán)利要求1-7任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)整體構(gòu)成為實(shí)時(shí)閉環(huán)控制系統(tǒng)。
9.一種采用如權(quán)利要求1-8任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)對(duì)銑削加工顫振執(zhí)行主動(dòng)控制的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟 Ca)將位移檢測(cè)單元初始獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)調(diào)整為零，同時(shí)使得音圈電機(jī)的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間呈線性比例關(guān)系，由此執(zhí)行控制系統(tǒng)的標(biāo)定步驟； (b)采用位移檢測(cè)單元對(duì)工件在銑削加工中由于顫振現(xiàn)象所產(chǎn)生的位移執(zhí)行實(shí)時(shí)感測(cè)，并獲得相應(yīng)的檢測(cè)電壓信號(hào)； (C)對(duì)位移檢測(cè)單元所獲得的檢測(cè)電壓信號(hào)予以實(shí)時(shí)采集，并輸送給中央控制單元以計(jì)算出相應(yīng)的控制電壓信號(hào)，然后將該控制電壓信號(hào)輸送給音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器； (d)音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將控制電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)并予以功率放大，然后輸出至設(shè)置在工件附近的音圈電機(jī)使其驅(qū)動(dòng)以便抑制顫振，由此實(shí)現(xiàn)整體的銑削加工顫振主動(dòng)控制過程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種銑削加工顫振主動(dòng)控制系統(tǒng)，包括位移檢測(cè)單元、信號(hào)采集單元、中央控制單元、音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和音圈電機(jī)，其中位移檢測(cè)單元用于對(duì)工件由于顫振產(chǎn)生的位移執(zhí)行感測(cè)，并獲得檢測(cè)電壓信號(hào)；信號(hào)采集單元用于采集檢測(cè)電壓信號(hào)并輸送給中央控制單元；中央控制單元根據(jù)所接收的信號(hào)相應(yīng)計(jì)算控制電壓信號(hào)；音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將控制電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)并予以功率放大，然后輸出至音圈電機(jī)使其驅(qū)動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)銑削加工顫振主動(dòng)控制過程。本發(fā)明還公開了相應(yīng)的控制方法。通過本發(fā)明，能夠以響應(yīng)快、輸出力大、便于操控的方式執(zhí)行顫振主動(dòng)控制過程，同時(shí)具備高精度、抑制效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，并尤其適用于弱剛性工件之類的顫振控制用途。
文檔編號(hào)B23Q15/12GK103252680SQ20131014517
公開日2013年8月21日 申請(qǐng)日期2013年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月24日
發(fā)明者丁漢, 陳浦煒, 張海濤, 張小明 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)