一種高速銑削電主軸顫振智能檢測(cè)與主動(dòng)抑制裝置的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種高速銑削電主軸顫振智能檢測(cè)與主動(dòng)抑制裝置，所述裝置在銑削加工過(guò)程中，通過(guò)內(nèi)置的加速度傳感器、位移傳感器與外部的數(shù)據(jù)采集與分析儀實(shí)時(shí)采集主軸刀柄處的振動(dòng)信號(hào)，采用現(xiàn)代信號(hào)處理方法實(shí)時(shí)分析加速度振動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)銑削顫振的智能檢測(cè)，若發(fā)生顫振，則將位移傳感器采集到的振動(dòng)信息送入FPGA控制器，通過(guò)控制器自適應(yīng)優(yōu)化，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大器驅(qū)動(dòng)壓電作動(dòng)器工作，實(shí)現(xiàn)壓電作動(dòng)器次級(jí)振動(dòng)與加工振動(dòng)的相互抵消，達(dá)到顫振的智能主動(dòng)抑制。加工過(guò)程中整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)信息，包括振動(dòng)、位移以及溫度等可實(shí)時(shí)在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)可視化顯示與監(jiān)控。本智能裝置可有效提高銑削加工的穩(wěn)定性、加工質(zhì)量和加工效率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種高速銑削電主軸顫振智能檢測(cè)與主動(dòng)抑制裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于高速銑削技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高速銑削電主軸切削顫振的智能檢測(cè)與主動(dòng)抑制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)床作為裝備制造業(yè)的“母機(jī)”，為其他工業(yè)提供加工裝備，是“支柱的支柱”。隨著航空、航天等領(lǐng)域?qū)?fù)雜精密零件(如航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪)高速高效加工需求的日益增長(zhǎng)，對(duì)切削主軸的速度、精度、可靠性等性能指標(biāo)提出了更高的要求。一般機(jī)械轉(zhuǎn)子的振動(dòng)量通常在I Ομ??數(shù)量級(jí)，工作轉(zhuǎn)速在10000r/min以下，而高速精密主軸的振動(dòng)量要求在Iym量級(jí)，旋轉(zhuǎn)速度在20000r/min以上。因此，如何實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定加工，控制加工振動(dòng)，提升加工質(zhì)量成為熱點(diǎn)問(wèn)題。
[0003]顫振作為主軸在加工過(guò)程中的一種最主要的自激振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致工件報(bào)廢、刀具破損、主軸軸承失效等后果。主軸在高速切削時(shí)，過(guò)程阻尼消失，導(dǎo)致顫振相比低速切削更容易發(fā)生。目前常用的方法是試切法，此方法主要依靠現(xiàn)場(chǎng)人員人工判斷，確定合理切削參數(shù)，效率低、成本高。因此，如何提高效率，避免人工經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)顫振的智能檢測(cè)、決策與控制，保證加工質(zhì)量迫在眉睫，特別是多切削刃斷續(xù)接觸的銑削加工，更成為工程領(lǐng)域和科研領(lǐng)域的關(guān)注點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]基于此，本發(fā)明公開(kāi)了一種高速銑削電主軸顫振智能檢測(cè)與主動(dòng)抑制裝置；
[0005]所述裝置包括:高速銑削電主軸、壓電作動(dòng)器、銑削刀柄、加速度傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集與分析儀、功率放大器、FPGA控制器以及計(jì)算機(jī)；
[0006]所述壓電作動(dòng)器與銑削刀柄、高速銑削電主軸集成一體；
[0007]所述位移傳感器和加速度傳感器嵌入高速銑削電主軸一端，與壓電作動(dòng)器同位安裝，實(shí)現(xiàn)加工振動(dòng)信息實(shí)時(shí)測(cè)試與反饋；
[0008]所述數(shù)據(jù)采集與分析儀的一端與加速度傳感器和位移傳感器相連接，另一端與FPGA控制器的一端相連接，F(xiàn)PGA控制器的另一端與計(jì)算機(jī)相連接；
[0009]所述功率放大器的一端與FPGA控制器相連接，另一端與壓電作動(dòng)器相連接；
[0010]所述計(jì)算機(jī)的一端與FPGA控制器連接，用于FPGA控制器內(nèi)部控制程序的可視化調(diào)試與高速銑削電主軸運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示。
[0011]本發(fā)明的技術(shù)效果為:
[0012](I)本發(fā)明通過(guò)一體化實(shí)現(xiàn)激勵(lì)、傳感、數(shù)據(jù)采集、控制等裝置在高速銑削主軸中的集成，達(dá)到高速銑削主軸的功能擴(kuò)展。
[0013](2)基于現(xiàn)代信號(hào)處理方法，集成銑削顫振的在線智能檢測(cè)與加工狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)加工狀態(tài)的可視化與智能化。
[0014](3)基于自適應(yīng)主動(dòng)控制方法，集成銑削顫振的在線主動(dòng)抑制，實(shí)現(xiàn)加工顫振的在線智能抑制，提升加工可靠性與加工質(zhì)量。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的高速銑削電主軸顫振智能檢測(cè)與主動(dòng)抑制裝置；
[0016]圖2(a)為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的傳感器安裝布局主視圖；
[0017]圖2(b)為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的傳感器安裝布局左視圖；
[0018]圖3為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的銑削顫振的在線智能檢測(cè)流程；
[0019]圖4為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的銑削顫振的在線智能主動(dòng)抑制流程。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0021]在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明公開(kāi)了一種高速銑削電主軸顫振智能檢測(cè)與主動(dòng)抑制裝置；
[0022]所述裝置包括:高速銑削電主軸、壓電作動(dòng)器、銑削刀柄、加速度傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集與分析儀、功率放大器、FPGA控制器以及計(jì)算機(jī)；
[0023]所述壓電作動(dòng)器與銑削刀柄、高速銑削電主軸集成一體；
[0024]所述位移傳感器和加速度傳感器嵌入高速銑削電主軸一端，與壓電作動(dòng)器同位安裝，實(shí)現(xiàn)加工振動(dòng)信息實(shí)時(shí)測(cè)試與反饋；
[0025]所述數(shù)據(jù)采集與分析儀的一端與加速度傳感器和位移傳感器相連接，另一端與FPGA控制器的一端相連接，F(xiàn)PGA控制器的另一端與計(jì)算機(jī)相連接；
[0026]所述功率放大器的一端與FPGA控制器相連接，另一端與壓電作動(dòng)器相連接；
[0027]所述計(jì)算機(jī)的一端與FPGA控制器連接，用于FPGA控制器內(nèi)部控制程序的可視化調(diào)試與高速銑削電主軸運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示。
[0028]本實(shí)施例所述的裝置通過(guò)角接觸球軸承以及連接支架，實(shí)現(xiàn)銑削主軸、刀柄、壓電作動(dòng)器以及多物理量傳感器的一體化裝配，集成數(shù)據(jù)采集與分析儀以及FPGA控制器等分析與控制模塊，實(shí)現(xiàn)加工狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，加工顫振的實(shí)時(shí)智能檢測(cè)與主動(dòng)抑制。可有效保證銑削加工的穩(wěn)定性，提升加工質(zhì)量。
[0029]在本實(shí)施例中，所述計(jì)算機(jī)與FPGA連接，通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕可視化調(diào)試程序(因?yàn)镕PGA是沒(méi)有顯示功能的，而且系統(tǒng)軟件是類(lèi)似于DOS的語(yǔ)言命令操作，所以借用電腦通訊可視化調(diào)試)，另一方面實(shí)時(shí)監(jiān)控的運(yùn)行狀態(tài)可在計(jì)算機(jī)上可視化顯示。
[0030]本實(shí)施例所述裝置在銑削加工過(guò)程中，通過(guò)內(nèi)置的加速度傳感器、位移傳感器與外部的數(shù)據(jù)采集與分析儀實(shí)時(shí)采集主軸刀柄處的振動(dòng)信號(hào)，采用現(xiàn)代信號(hào)處理方法實(shí)時(shí)分析加速度振動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)銑削顫振的智能檢測(cè)，若發(fā)生顫振，則將位移傳感器采集到的振動(dòng)信息送入FPGA控制器，通過(guò)控制器自適應(yīng)優(yōu)化，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大器驅(qū)動(dòng)壓電作動(dòng)器工作，實(shí)現(xiàn)壓電作動(dòng)器次級(jí)振動(dòng)與加工振動(dòng)的相互抵消，達(dá)到顫振的智能主動(dòng)抑制。加工過(guò)程中整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)信息，包括振動(dòng)、位移以及溫度等可實(shí)時(shí)在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)可視化顯示與監(jiān)控。本智能裝置可有效提高銑削加工的穩(wěn)定性、加工質(zhì)量和加工效率。
[0031]在一個(gè)實(shí)施例中，所述裝置還包括主軸基座，所述主軸基座與高速銑削電主軸構(gòu)成高速銑削電主軸本體;所述主軸基座與高速銑削電主軸采用常規(guī)裝配方式與工藝進(jìn)行裝配集成。
[0032]在本實(shí)施例中，所述高速銑削電主軸轉(zhuǎn)子部分采用油浴加熱膨脹，與主軸基座過(guò)盈配合安裝;所述高速銑削電主軸定子部分采用階梯間隙配合方式安裝;所述高速銑削電主軸基座采用螺栓連接方式緊固。
[0033]在一個(gè)實(shí)施例中，所述裝置還包括有軸承，所述軸承采用過(guò)盈配合安裝在在銑削刀柄處，所述軸承外圈按周向均勻安裝多個(gè)壓電作動(dòng)器。
[0034]更優(yōu)的，所述軸承外圈按周向均勻安裝四個(gè)壓電作動(dòng)器。
[0035]在本實(shí)施例中，所述軸承優(yōu)先選擇角接觸球軸承，所述角接觸球軸承通用性較強(qiáng)，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和承載力。
[0036]在一個(gè)實(shí)施例中，所述裝置還包括有連接支架；
[0037]所述連接支架左端與銑削刀柄端蓋相連接，右端與主軸底座相連接;所述連接支架在壓電作動(dòng)器安裝位置沿周向均勻加工有多個(gè)孔；
[0038]所述壓電作動(dòng)器通過(guò)連接支架上的多個(gè)孔安裝，實(shí)現(xiàn)壓電作動(dòng)器在高速銑削電主軸與銑削刀柄上的固定。
[0039]更優(yōu)的，所述連接支架在壓電作動(dòng)器安裝位置沿周向均勻加工有四個(gè)孔。
[0040]在本實(shí)施例中，所述連接支架左端與銑削刀柄端蓋通過(guò)螺釘相連接，右端與主軸底座通過(guò)螺栓相連接。
[0041]在一個(gè)實(shí)施例中，所述位移傳感器的數(shù)量為兩個(gè)，所述兩個(gè)位移傳感器相互垂直正交通過(guò)連接支架安裝在角接觸球軸承側(cè)面。
[0042]在本實(shí)施例中，兩個(gè)位移傳感器相互垂直正交安裝是為了實(shí)現(xiàn)主軸徑向兩個(gè)相互垂直獨(dú)立方向(水平和垂直方向)運(yùn)行振動(dòng)位移量的測(cè)試。
[0043]在本實(shí)施例中，所述位移傳感器是非接觸位移傳感器，更優(yōu)的選擇電渦流位移傳感器。所述兩個(gè)位移傳感器在主軸同一橫截面內(nèi)保持90度垂直分布安裝;所述同一橫截面內(nèi)垂直分布安裝方式可實(shí)現(xiàn)主軸徑向的雙向檢測(cè)，有利于主軸振動(dòng)檢測(cè)的全面性以及主軸動(dòng)平衡量的實(shí)時(shí)評(píng)判。
[0044]在一個(gè)實(shí)施例中，所述加速度傳感器的數(shù)量為兩個(gè)，所述兩個(gè)加速度傳感器按正交位置安裝在壓電作動(dòng)器連接支架側(cè)面，并保證在主軸同一橫截面內(nèi)。
[0045]在本實(shí)施例中，因?yàn)殂娤麟娭鬏S是柱形結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)沿圓周方向的360度任意徑向傳遞，選擇相互垂直的兩個(gè)徑向方向作為測(cè)試點(diǎn)，其他方向均與這兩個(gè)方向存在耦合關(guān)系。所述兩個(gè)加速度傳感器按正交位置安裝在壓電作動(dòng)器連接支架側(cè)面，是為了實(shí)現(xiàn)主軸徑向兩個(gè)相互垂直獨(dú)立方向(水平和垂直方向)振動(dòng)加速度量的測(cè)試。
[0046]在一個(gè)實(shí)施例中，所述裝置通過(guò)數(shù)據(jù)采集與分析儀和兩個(gè)加速度傳感器實(shí)時(shí)傳送高速銑削電主軸加工狀態(tài)的加速度振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)集成于FPGA控制器中的現(xiàn)代信號(hào)處理方法，提取加速度振動(dòng)信號(hào)的特征信息;通過(guò)集成于FPGA控制器中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、模糊邏輯等智能決策算法，實(shí)現(xiàn)加工狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與加工顫振的早期實(shí)時(shí)智能檢測(cè)和判斷。
[0047]在本實(shí)施例中，提取加速度振動(dòng)信號(hào)的特征信息后，通過(guò)集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、模糊邏輯等智能決策算法，實(shí)現(xiàn)加工狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與加工顫振的早期實(shí)時(shí)智能檢測(cè)和判斷。
[0048]在本實(shí)施例中，所述現(xiàn)代信號(hào)處理方法包括小波分析、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸獾?所述加速度振動(dòng)信號(hào)特征信息包括熵、相關(guān)系數(shù)、顫振頻率、CO復(fù)雜度等;將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、模糊邏輯等智能決策算法集成于FPGA控制器中是為了根據(jù)不同的特征信息選擇不同的方法。
[0049]在一個(gè)實(shí)施例中，所述裝置以加工顫振信號(hào)為依據(jù)，當(dāng)判斷存在早期顫振時(shí)，啟動(dòng)FPGA控制器中的顫振主動(dòng)抑制模塊。
[0050]在本實(shí)施例中，所述早期顫振的判斷，是通過(guò)集成于FPGA控制器中的現(xiàn)代信號(hào)處理方法，提取加速度振動(dòng)信號(hào)特征信息，通過(guò)智能決策算法，與顫振閾值信息只能匹配判斷實(shí)現(xiàn);所述顫振主動(dòng)抑制模塊集成于FPGA控制器中，用于顫振的抑制與消減。
[0051 ]在一個(gè)實(shí)施例中，所述裝置通過(guò)提取兩個(gè)位移傳感器的信號(hào)，基于FPGA控制器，通過(guò)集成于FPGA控制器中的自適應(yīng)優(yōu)化算法的計(jì)算，輸出用于壓電作動(dòng)器工作的激勵(lì)參數(shù)，經(jīng)功率放大器輸出給壓電作動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)壓電作動(dòng)器次級(jí)振動(dòng)源的振動(dòng)激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)次級(jí)振動(dòng)激勵(lì)與顫振激勵(lì)的相互抵消，達(dá)到顫振智能抑制，提高加工穩(wěn)定性與質(zhì)量。
[0052]在本實(shí)施例中，所述激勵(lì)參數(shù)包括激勵(lì)幅值與相位。本裝置所有的計(jì)算、控制全部集成于FPGA控制器中，由于FPGA中程序的調(diào)試需要計(jì)算機(jī)雙級(jí)聯(lián)調(diào)，一級(jí)是他本身，另一級(jí)是計(jì)算機(jī)，所以將FPGA與計(jì)算機(jī)相連；另外，電腦的另一個(gè)作用是當(dāng)顯示，用于當(dāng)前加工狀態(tài)監(jiān)測(cè)與顯示。
[0053]在一個(gè)實(shí)施例中，所述判斷早期顫振是通過(guò)集成于FPGA控制器中的現(xiàn)代處理方法，提取加速度振動(dòng)信號(hào)特征信息，通過(guò)智能決策算法，與顫振閾值信息智能匹配得到的。
[0054]在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明公開(kāi)了一種高速銑削電主軸顫振智能檢測(cè)與主動(dòng)抑制裝置，其特征在于:
[0055](I)壓電作動(dòng)器通過(guò)浮動(dòng)角接觸球軸承與銑削刀柄、高速銑削電主軸集成一體，實(shí)現(xiàn)次級(jí)可控激勵(lì)源的內(nèi)部嵌入與集成。
[0056]圖1所示為高速銑削電主軸顫振智能檢測(cè)與主動(dòng)抑制裝置示意圖。本發(fā)明裝置由高速銑削電主軸、主軸基座、刀柄、角接觸球軸承、壓電作動(dòng)器、壓電作動(dòng)器支架、加速度傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集與分析儀、功率放大器、FPGA控制器以及監(jiān)控用計(jì)算機(jī)組成。采用傳統(tǒng)的電主軸裝配方式與工藝集成高速銑削電主軸與主軸基座；角接觸球軸承通過(guò)過(guò)盈配合安裝于銑削刀柄處，軸承外圈按周向在同一平面內(nèi)均布四個(gè)壓電式作動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)外部可控激勵(lì)源的平衡集成，周向四點(diǎn)均布施加外部激勵(lì)力;銑削刀柄與主軸端部采用常規(guī)的錐孔結(jié)構(gòu)形式連接裝配，壓電作動(dòng)器通過(guò)連接支架上的四個(gè)預(yù)設(shè)孔實(shí)現(xiàn)壓電作動(dòng)器在主軸與刀柄系統(tǒng)上的固定;數(shù)據(jù)采集與分析儀通過(guò)與傳感器的單向通訊，實(shí)時(shí)傳送數(shù)據(jù)至監(jiān)控計(jì)算機(jī);FPGA控制器以采集數(shù)據(jù)為輸入，運(yùn)算優(yōu)化，輸出激勵(lì)參數(shù)，驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器工作，行程閉環(huán)控制。
[0057](2)以目標(biāo)需求為驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部嵌入位移傳感器和加速度傳感器，實(shí)現(xiàn)加工振動(dòng)信息雙物理量(加速度和位移)的實(shí)時(shí)測(cè)試與反饋。
[0058]圖2(a)和圖2(b)所示為銑削刀柄處加速度傳感器和位移傳感器的裝配示意圖。在角接觸球軸承側(cè)面用支架固定安裝相互垂直正交的兩個(gè)電渦流位移傳感器，立體化測(cè)定主軸切削過(guò)程中刀柄處的振動(dòng)位移量，作為主動(dòng)控制中的振動(dòng)反饋量，實(shí)現(xiàn)傳感器與作動(dòng)器的原位測(cè)量和激勵(lì)控制。為了避免接觸式安裝對(duì)主軸加工狀態(tài)和加工精度的影響，在壓電作動(dòng)器連接支架側(cè)面同一平面內(nèi)按正交位置安裝兩個(gè)加速度傳感器，用于實(shí)時(shí)反饋加工狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)傳感器與作動(dòng)器的原位測(cè)量與激勵(lì)控制。
[0059](3)基于現(xiàn)代信號(hào)處理方法，以加速度振動(dòng)信息為輸入，提取特征信息，實(shí)現(xiàn)銑削顫振的在線智能檢測(cè)與診斷。
[0060]圖3所示為加工狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與銑削顫振在線智能檢測(cè)流程圖。通過(guò)安裝于作動(dòng)器支架處的兩個(gè)正交加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集與分析儀，實(shí)時(shí)采集傳送反映加工狀態(tài)的加速度振動(dòng)信息，并實(shí)時(shí)反映于監(jiān)控計(jì)算機(jī)中?；跁r(shí)域分析、頻域分析以及時(shí)頻分析等現(xiàn)代信號(hào)處理方法，提取加速度振動(dòng)信號(hào)的特征信息，集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、模糊邏輯等智能決策算法，實(shí)現(xiàn)加工狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與銑削顫振的早期實(shí)時(shí)智能檢測(cè)和判斷。
[0061](4)基于自適應(yīng)優(yōu)化控制算法，以位移信息為輸入，優(yōu)化控制壓電作動(dòng)器的激勵(lì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)銑削顫振的在線智能抑制，提高加工穩(wěn)定性與質(zhì)量。
[0062]圖4所示所示為銑削顫振的自適應(yīng)智能抑制流程示意圖。依據(jù)銑削顫振的早期檢測(cè)結(jié)果，當(dāng)判斷存在早期顫振時(shí)，啟動(dòng)顫振自適應(yīng)智能抑制。提取角接觸球軸承側(cè)面安裝的兩個(gè)正交位移傳感器信號(hào)，基于FPGA運(yùn)算與控制平臺(tái)，通過(guò)自適應(yīng)優(yōu)化算法的智能計(jì)算，輸出激勵(lì)參數(shù)，經(jīng)功率放大器輸出給壓電作動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)壓電作動(dòng)器次級(jí)振動(dòng)源的振動(dòng)激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)次級(jí)振動(dòng)激勵(lì)與顫振激勵(lì)的相互抵消，達(dá)到顫振智能主動(dòng)抑制，提升加工穩(wěn)定性與質(zhì)量。
[0063]本發(fā)明具有如下特點(diǎn):
[0064](I)壓電作動(dòng)器通過(guò)浮動(dòng)角接觸球軸承與銑削刀柄、高速銑削電主軸集成一體，實(shí)現(xiàn)次級(jí)可控激勵(lì)源的內(nèi)部嵌入與集成。
[0065](2)以目標(biāo)需求為驅(qū)動(dòng)，內(nèi)部嵌入位移傳感器和加速度傳感器，實(shí)現(xiàn)加工振動(dòng)信息雙物理量(加速度和位移)的實(shí)時(shí)測(cè)試與反饋。
[0066](3)基于現(xiàn)代信號(hào)處理方法，以加速度振動(dòng)信息為輸入，提取特征信息，實(shí)現(xiàn)銑削顫振的在線智能檢測(cè)與診斷。
[0067](4)基于自適應(yīng)優(yōu)化控制算法，以位移信息為輸入，優(yōu)化控制壓電作動(dòng)器的激勵(lì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)銑削顫振的在線智能抑制，提高加工穩(wěn)定性與質(zhì)量。
[0068]本發(fā)明裝置由高速主軸、刀柄、壓電作動(dòng)器、加速度傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集與分析儀、功率放大器、FPGA控制器以及監(jiān)控用計(jì)算機(jī)組成。
[0069]集成裝配高速銑削電主軸機(jī)械本體結(jié)構(gòu)。高速銑削電主軸與主軸基座采用主軸的常規(guī)形式進(jìn)行裝配集成；角接觸球軸承通過(guò)過(guò)盈配合安裝于銑削刀柄處，軸承外圈按周向在同一平面內(nèi)均布四個(gè)壓電式作動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)外部可控激勵(lì)源的平衡集成，周向四點(diǎn)均布施加外部激勵(lì)力;銑削刀柄與主軸端部采用傳統(tǒng)的錐孔結(jié)構(gòu)形式連接裝配，壓電作動(dòng)器通過(guò)連接支架上的四個(gè)預(yù)設(shè)孔實(shí)現(xiàn)壓電作動(dòng)器在主軸與刀柄系統(tǒng)上的固定。
[0070]集成安裝用于顫振檢測(cè)和抑制的加速度傳感器和位移傳感器，實(shí)現(xiàn)加工振動(dòng)狀態(tài)雙物理量多位置的實(shí)時(shí)測(cè)量與反饋。角接觸球軸承側(cè)面用支架固定安裝相互垂直正交的兩個(gè)電渦流位移傳感器，立體化雙位測(cè)定主軸切削過(guò)程中刀柄處的振動(dòng)位移量，作為主動(dòng)控制中的振動(dòng)反饋量，實(shí)現(xiàn)傳感器與作動(dòng)器的原位測(cè)量與激勵(lì)控制。
[0071]加工狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)與銑削顫振的在線智能檢測(cè)。通過(guò)安裝于作動(dòng)器支架處的兩個(gè)正交加速度傳感器和數(shù)據(jù)采集與分析儀，實(shí)時(shí)采集傳送反映加工狀態(tài)的加速度振動(dòng)信息，并實(shí)時(shí)反映于監(jiān)控計(jì)算機(jī)中?；跁r(shí)域分析、頻域分析以及時(shí)頻分析等現(xiàn)代信號(hào)處理方法，提取加速度振動(dòng)信號(hào)的特征信息，集成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、模糊邏輯等智能決策算法，實(shí)現(xiàn)加工狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與銑削顫振的早期智能檢測(cè)和判斷。
[0072]銑削顫振的自適應(yīng)智能控制。依據(jù)銑削顫振的早期檢測(cè)結(jié)果，當(dāng)判斷存在早期顫振時(shí)，啟動(dòng)顫振自適應(yīng)智能抑制。提取角接觸球軸承側(cè)面安裝的兩個(gè)正交位移傳感器信號(hào)，基于FPGA運(yùn)算與控制平臺(tái)，通過(guò)自適應(yīng)優(yōu)化算法的智能計(jì)算，輸出激勵(lì)參數(shù)，經(jīng)功率放大器輸出給壓電作動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)壓電作動(dòng)器次級(jí)振動(dòng)源的振動(dòng)激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)次級(jí)振動(dòng)激勵(lì)與顫振激勵(lì)的相互抵消，達(dá)到顫振主動(dòng)抑制，提升加工穩(wěn)定性與質(zhì)量。
[0073]以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明專(zhuān)利而并非限制本發(fā)明專(zhuān)利所描述的技術(shù)方案；因此盡管本說(shuō)明書(shū)參照上述的各個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明專(zhuān)利已進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對(duì)本發(fā)明專(zhuān)利進(jìn)行修改或等同替換;而一切不脫離本發(fā)明專(zhuān)利的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明專(zhuān)利的權(quán)利要求范圍中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高速銑削電主軸顫振智能檢測(cè)與主動(dòng)抑制裝置，其特征在于，所述裝置包括:高速銑削電主軸、壓電作動(dòng)器、銑削刀柄、加速度傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集與分析儀、功率放大器、FPGA控制器以及計(jì)算機(jī)； 所述壓電作動(dòng)器與銑削刀柄、高速銑削電主軸集成一體； 所述位移傳感器和加速度傳感器嵌入高速銑削電主軸一端，與壓電作動(dòng)器同位安裝，實(shí)現(xiàn)加工振動(dòng)信息實(shí)時(shí)測(cè)試與反饋； 所述數(shù)據(jù)采集與分析儀的一端與加速度傳感器和位移傳感器相連接，另一端與FPGA控制器的一端相連接，F(xiàn)PGA控制器的另一端與計(jì)算機(jī)相連接； 所述功率放大器的一端與FPGA控制器相連接，另一端與壓電作動(dòng)器相連接； 所述計(jì)算機(jī)的一端與FPGA控制器連接，用于FPGA控制器內(nèi)部控制程序的可視化調(diào)試與高速銑削電主軸運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于:優(yōu)選的，所述裝置還包括主軸基座，所述主軸基座與高速銑削電主軸構(gòu)成高速銑削電主軸本體;所述主軸基座與高速銑削電主軸采用常規(guī)裝配方式與工藝進(jìn)行裝配集成。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于:所述裝置還包括有軸承，所述軸承采用過(guò)盈配合安裝在在銑削刀柄處，所述軸承外圈按周向均勻安裝多個(gè)壓電作動(dòng)器。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于:所述裝置還包括有連接支架； 所述連接支架左端與銑削刀柄的端蓋相連接，右端與主軸底座相連接;所述連接支架在壓電作動(dòng)器安裝位置沿周向均勻加工有多個(gè)孔； 所述壓電作動(dòng)器通過(guò)連接支架上的多個(gè)孔安裝，實(shí)現(xiàn)壓電作動(dòng)器在高速銑削電主軸與銑削刀柄上的固定。5.根據(jù)權(quán)利要4所述的裝置，其特征在于:所述位移傳感器的數(shù)量為兩個(gè)，所述兩個(gè)位移傳感器相互垂直正交通過(guò)連接支架安裝在角接觸球軸承側(cè)面。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于:所述加速度傳感器的數(shù)量為兩個(gè)，所述兩個(gè)加速度傳感器按正交位置安裝在壓電作動(dòng)器連接支架側(cè)面，并保證在高速銑削電主軸同一橫截面內(nèi)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于:所述裝置通過(guò)數(shù)據(jù)采集與分析儀和兩個(gè)加速度傳感器實(shí)時(shí)傳送高速銑削電主軸加工狀態(tài)的加速度振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)集成于FPGA控制器中的現(xiàn)代信號(hào)處理方法，提取加速度振動(dòng)信號(hào)的特征信息；通過(guò)集成于FPGA控制器中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)、模糊邏輯等智能決策算法，實(shí)現(xiàn)加工狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與加工顫振的早期實(shí)時(shí)智能檢測(cè)和判斷。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于:所述裝置以加工顫振信號(hào)為依據(jù)，當(dāng)判斷存在早期顫振時(shí)，啟動(dòng)FPGA控制器中的顫振主動(dòng)抑制模塊。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于:所述裝置通過(guò)提取兩個(gè)位移傳感器的信號(hào)，基于FPGA控制器，通過(guò)集成于FPGA控制器中的自適應(yīng)優(yōu)化算法的計(jì)算，輸出用于壓電作動(dòng)器工作的激勵(lì)參數(shù)，經(jīng)功率放大器輸出給壓電作動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)壓電作動(dòng)器次級(jí)振動(dòng)源的振動(dòng)激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)次級(jí)振動(dòng)激勵(lì)與顫振激勵(lì)的相互抵消，達(dá)到顫振智能抑制。10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于:所述判斷早期顫振是通過(guò)集成于FPGA控制器中的現(xiàn)代處理方法，提取加速度振動(dòng)信號(hào)特征信息，通過(guò)智能決策算法，與顫振閾值信息智能匹配得到的。
【文檔編號(hào)】B23Q5/04GK105965320SQ201610260469
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年4月25日
【發(fā)明人】張興武, 曹宏瑞, 嚴(yán)如強(qiáng), 陳雪峰, 高家偉, 席松濤
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)