專利名稱：一種基于指令序列的數(shù)控車削加工過(guò)程振動(dòng)抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械制造自動(dòng)化領(lǐng)域，具體涉及一種基于數(shù)控加工程序指令序列的數(shù) 控車削加工過(guò)程振動(dòng)抑制方法。該方法旨在提高數(shù)控加工的穩(wěn)定性，避免加工過(guò)程中出現(xiàn) 強(qiáng)烈的振動(dòng)，即抑制顫振的發(fā)生。該方法適用于精密加工、柔性制造、無(wú)人化加工等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
數(shù)控機(jī)床是一種高效的自動(dòng)化加工設(shè)備，它嚴(yán)格按照加工程序，自動(dòng)的對(duì)被加工 工件進(jìn)行加工，把從數(shù)控系統(tǒng)外部輸入的直接用于加工的程序稱為數(shù)控加工程序，數(shù)控加 工程序表示了數(shù)控機(jī)床要完成的全部動(dòng)作。一個(gè)完整的數(shù)控加工程序由程序名、程序內(nèi)容 和程序結(jié)束指令三部分組成，程序內(nèi)容是整個(gè)數(shù)控加工程序的核心，它由若干個(gè)程序段組 成，每個(gè)程序段是一個(gè)完整的加工工步單元，它由若干個(gè)指令字組成。指令字是指一系列按 規(guī)定排列的字符，作為一個(gè)信息單元存儲(chǔ)、傳遞和操作。指令字是由一個(gè)英文字母與隨后的 若干位十進(jìn)制數(shù)字組成，這個(gè)英文字母稱為地址符。如“X250”是一個(gè)指令字，X為地址符， 數(shù)字“250”為地址中的內(nèi)容。指令字是數(shù)控加工程序中最小的有效單位。把一個(gè)數(shù)控加工 程序的程序段按照加工順序進(jìn)行排列，所構(gòu)成的一個(gè)序列，稱為指令序列。通常，數(shù)控加工 程序在執(zhí)行過(guò)程中，會(huì)預(yù)先把即將要執(zhí)行的程序段加載到緩沖區(qū)，經(jīng)過(guò)解釋后，再進(jìn)行插補(bǔ) 等一系列處理，最后被執(zhí)行。機(jī)床切削顫振是發(fā)生在刀具系統(tǒng)與工件系統(tǒng)之間的強(qiáng)烈自激振動(dòng)，它的產(chǎn)生，與 機(jī)床本身的動(dòng)態(tài)特性以及加工材料的力學(xué)特性均有關(guān)，影響因素非常多。隨著無(wú)人化工廠 以及柔性制造等的發(fā)展，切削顫振日益成為一個(gè)制約因素；與此同時(shí)，在航空航天等領(lǐng)域， 為了提高加工效率，往往采用較大的切削用量(包括背吃刀量、側(cè)吃刀量、進(jìn)給速度等)，這 也對(duì)切削顫振的控制提出了較高的要求。在下面的敘述中，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，將機(jī)床切削顫振簡(jiǎn) 稱為顫振。任何機(jī)床，在以給定的工藝參數(shù)(包括機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、切削寬度等)進(jìn) 行加工時(shí)，都可能發(fā)生顫振。然而，并非在所有的工藝參數(shù)下的加工都會(huì)發(fā)生顫振。理論 與實(shí)踐均表明機(jī)床在加工過(guò)程中是否會(huì)發(fā)生顫振，與機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速及切削寬度密切相關(guān)。 稱機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速與切削寬度組成的二元向量為關(guān)鍵參數(shù)組，記為(n，b)，其中，η表示機(jī)床 主軸的轉(zhuǎn)速值，b表示切削寬度值。在此處，對(duì)切削寬度的含義做一解釋對(duì)于數(shù)控車削而 言，如

圖1所示，在切削過(guò)程中存在待加工表面、過(guò)度表面、已加工表面三個(gè)表面，待加工表 面與已加工表面之間的垂直距離稱為背吃刀量，記為ap，有ap = (Cl2-Cl1)^(I)其中，d2為待加工表面外圓直徑，Cl1為已加工表面外圓直徑。過(guò)度表面與車刀的 主后刀面接觸，接觸部分的長(zhǎng)度稱為切削寬度，其反應(yīng)了切削刃參加切削的工作長(zhǎng)度，記為 b，有b = ap/Sinkr (2)其中&為刀具的主偏角。
4
對(duì)于特定機(jī)床的任何一個(gè)具體的主軸轉(zhuǎn)速值，均存在一個(gè)確定的切削寬度值blim， 稱為極限切削寬度，當(dāng)實(shí)際的切削寬度b滿足b > blim時(shí)，顫振必然會(huì)發(fā)生；當(dāng)實(shí)際的切削 寬度b滿足b < blim時(shí)，加工是穩(wěn)定的；當(dāng)實(shí)際的切削寬度b滿足b = blim時(shí)，稱為臨界情 形，此時(shí)一個(gè)微小的干擾即可導(dǎo)致顫振的發(fā)生，考慮到實(shí)際加工過(guò)程難以避免的存在各種 各樣的外界或內(nèi)部干擾，因此此種情形亦是不穩(wěn)定的。為了將主軸轉(zhuǎn)速、切削寬度與機(jī)床加 工穩(wěn)定性的這種關(guān)系直觀地表示出來(lái)，以主軸轉(zhuǎn)速為橫坐標(biāo)，以主軸轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的極限切削 寬度為縱坐標(biāo)，繪制一條曲線，稱為機(jī)床加工穩(wěn)定性極限曲線(圖2)。曲線上方代表顫振發(fā) 生的區(qū)域，曲線下方代表穩(wěn)定加工的區(qū)域，曲線本身則代表臨界情形。通過(guò)刀具系統(tǒng)的模態(tài) 試驗(yàn)及切削力試驗(yàn)，可以獲得機(jī)床加工穩(wěn)定性極限曲線。具體到數(shù)控車床時(shí)，針對(duì)車刀刀尖 的模態(tài)試驗(yàn)(圖3)，可獲得數(shù)控車床的動(dòng)力學(xué)參數(shù)；切削力試驗(yàn)則可獲得切削力系數(shù)，依據(jù) 動(dòng)力學(xué)參數(shù)和切削力系數(shù)可獲得數(shù)控車床的穩(wěn)定性極限曲線。切削力是刀具切入工件使被 加工材料發(fā)生變形而需要的力，切削力的大小與切削寬度及切削厚度的乘積成正比，比例 系數(shù)稱為切削力系數(shù)，一般情況下，由于認(rèn)為在給定的工藝參數(shù)下，切削力不變，故稱此時(shí) 的切削力系數(shù)為靜態(tài)切削力系數(shù)。當(dāng)前的數(shù)控加工程序在設(shè)計(jì)編寫時(shí)，只基于加工零件的幾何輪廓特征，是加工軌 跡的幾何信息表達(dá)，沒(méi)有考慮數(shù)控機(jī)床刀具系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性，因此，一旦在加工過(guò)程中形 成強(qiáng)烈的振動(dòng)，由于沒(méi)有有效的解決措施，將會(huì)導(dǎo)致零件加工質(zhì)量的下降，嚴(yán)重的甚至?xí)p 壞刀具乃至機(jī)床。為保證加工精度及加工安全，必須采取措施抑制切削顫振的產(chǎn)生。如前所述，調(diào)整 切削寬度值與轉(zhuǎn)速值都是可行的方法，但在實(shí)際加工過(guò)程中，調(diào)整切削寬度值會(huì)導(dǎo)致零件 輪廓的變化，違背了加工意圖，因此，本專利所提供的方法，將通過(guò)調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速值對(duì)數(shù)控 加工程序進(jìn)行優(yōu)化，以避免加工顫振的發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于指令序列的數(shù)控車削加工過(guò)程振動(dòng)抑制方法，該 方法依據(jù)數(shù)控機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性，從數(shù)控加工程序中讀取加工工藝參數(shù)，實(shí)時(shí)判斷加工狀態(tài)， 提醒操作者是否有顫振發(fā)生并給出相應(yīng)控制策略。本發(fā)明提供的一種基于指令序列的數(shù)控車削加工過(guò)程振動(dòng)抑制方法，其特征在 于，該方法包括下述步驟第1步識(shí)別機(jī)床動(dòng)力學(xué)參數(shù)，包括固有頻率ωη，阻尼比ζ和剛度系數(shù)k ；第2步通過(guò)切削力實(shí)驗(yàn)，得到靜態(tài)切削力系數(shù)ks切削力F模型如式(I)所示F = ksbh 式(I)其中，h為切削厚度，b為切削寬度，ks為靜態(tài)切削力系數(shù)，在變化切削厚度h和切 削寬度b條件下，進(jìn)行切削力實(shí)驗(yàn)，得到一系列數(shù)據(jù)值(h，b，F(xiàn))，經(jīng)線性最小二乘法辨識(shí)得 到靜態(tài)切削力系數(shù)ks;第3步獲取機(jī)床加工穩(wěn)定性極限，制作機(jī)床加工穩(wěn)定性極限曲線加工穩(wěn)定性極限是指顫振發(fā)生的臨界條件下的一組(n，blim)的值，η表示轉(zhuǎn)速，blim 表示在該轉(zhuǎn)速下的極限切削寬度；
禾Ij用式(II)和式(III)獲得機(jī)床加工穩(wěn)定性極限 __60w_
權(quán)利要求
一種基于指令序列的數(shù)控車削加工過(guò)程振動(dòng)抑制方法，其特征在于，該方法包括下述步驟第1步識(shí)別機(jī)床動(dòng)力學(xué)參數(shù)，包括固有頻率ωn，阻尼比ζ和剛度系數(shù)k；第2步通過(guò)切削力實(shí)驗(yàn)，得到靜態(tài)切削力系數(shù)ks切削力F模型如式(I)所示F＝ksbh式(I)其中，h為切削厚度，b為切削寬度，ks為靜態(tài)切削力系數(shù)，在變化切削厚度h和切削寬度b條件下，進(jìn)行切削力實(shí)驗(yàn)，得到一系列數(shù)據(jù)值(h，b，F(xiàn))，經(jīng)線性最小二乘法辨識(shí)得到靜態(tài)切削力系數(shù)ks；第3步獲取機(jī)床加工穩(wěn)定性極限，制作機(jī)床加工穩(wěn)定性極限曲線加工穩(wěn)定性極限是指顫振發(fā)生的臨界條件下的一組(n，blim)的值，n表示轉(zhuǎn)速，blim表示在該轉(zhuǎn)速下的極限切削寬度；利用式(II)和式(III)獲得機(jī)床加工穩(wěn)定性極限 <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>60</mn><mi>w</mi> </mrow> <mrow><mn>2</mn><mi>j&pi;</mi><mo>+</mo><msup> <mi>sin</mi> <mrow><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msup><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>&xi;&lambda;</mi> </mrow> <msqrt><msup> <mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mi>&xi;&lambda;</mi><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msup> <mi>&lambda;</mi> <mn>2</mn></msup><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup> </msqrt></mfrac><mo>-</mo><msup> <mi>tan</mi> <mrow><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msup><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mn>2</mn> <mi>&xi;&lambda;</mi></mrow><mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup><mi>&lambda;</mi><mn>2</mn> </msup></mrow> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow>式(II) <mrow><msub> <mi>b</mi> <mi>lim</mi></msub><mo>=</mo><mo>-</mo><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>&xi;&lambda;k</mi> </mrow> <mrow><msub> <mi>k</mi> <mi>s</mi></msub><mi>sin</mi><mrow> <mo>(</mo> <msup><mi>sin</mi><mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn></mrow> </msup> <mfrac><mrow> <mn>2</mn> <mi>&xi;&lambda;</mi></mrow><msqrt> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>&xi;&lambda;</mi> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup><mi>&lambda;</mi><mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup></msqrt> </mfrac> <mo>-</mo> <msup><mi>tan</mi><mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn></mrow> </msup> <mrow><mo>(</mo><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>&xi;&lambda;</mi> </mrow> <mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><msup> <mi>&lambda;</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow></mfrac><mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow>式(III)其中，ω為比ωn值稍大的頻率值，j是一個(gè)整數(shù)，且大于或等于0；第4步將穩(wěn)定性極限曲線保存到數(shù)控系統(tǒng)，在數(shù)控系統(tǒng)加工的過(guò)程中，根據(jù)指令序列信息得到由當(dāng)前主軸轉(zhuǎn)速值及切削寬度值組成的關(guān)鍵參數(shù)組(n，b)，將關(guān)鍵參數(shù)組與穩(wěn)定極限曲線對(duì)比，并對(duì)數(shù)控加工程序進(jìn)行優(yōu)化。FDA0000029392490000013.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于指令序列的數(shù)控車削加工過(guò)程振動(dòng)抑制方法，其特征在 于，第3步具體包括下述過(guò)程(3. 1)在ωη附近等間距的選取比(^值稍大的頻率值ω，記為ωω，m表示頻率值ω 的序號(hào)；(3.2)對(duì)于j =0、1、2、…，依次以一系列頻率值ωω分別代入式(II)和式(III)，求 得一系列值(n, blim)；(3. 3)以η為橫坐標(biāo)，blim為縱坐標(biāo)繪制穩(wěn)定性極限曲線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于指令序列的數(shù)控車削加工過(guò)程振動(dòng)抑制方法，其特征在 于，第4步具體包括下述過(guò)程(4. 1)從數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)緩沖區(qū)中獲取已解釋完畢的待插補(bǔ)的指令序列信息，該信息 中包含了主軸轉(zhuǎn)速值、待加工表面直徑和已加工表面直徑等數(shù)據(jù)，計(jì)算出切削寬度值，得到 當(dāng)前主軸轉(zhuǎn)速值及切削寬度值組成的關(guān)鍵參數(shù)組(n，b)；(4. 2)將關(guān)鍵參數(shù)組(n，b)與穩(wěn)定性極限曲線圖比照，確定(n，b)在穩(wěn)定性極限中的 位置，對(duì)于超過(guò)極限范圍的(n，b)，需要對(duì)其所對(duì)應(yīng)的數(shù)控加工程序進(jìn)行優(yōu)化，此處的優(yōu)化 指的是調(diào)整機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速的大小，具體如下若(n，b)處于穩(wěn)定區(qū)域，則不需優(yōu)化；若(n，b)處于顫振發(fā)生區(qū)域或位于曲線上，則進(jìn)行優(yōu)化，(b)若(n，b)處于顫振發(fā)生區(qū)域或位于曲線 上，則進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整轉(zhuǎn)速，使新的關(guān)鍵參數(shù)組處于最臨近的穩(wěn)定區(qū)域； (4. 3)不斷重復(fù)步驟(4. 1)和(4. 2)，直至加工結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于指令序列分析的數(shù)控車削加工過(guò)程振動(dòng)抑制方法，步驟為①通過(guò)模態(tài)實(shí)驗(yàn)，識(shí)別出數(shù)控機(jī)床的動(dòng)力學(xué)參數(shù)；②通過(guò)切削力實(shí)驗(yàn)，識(shí)別切削過(guò)程的靜態(tài)切削力系數(shù)；③根據(jù)①得到的動(dòng)力學(xué)參數(shù)及②得到的切削力系數(shù)，制作加工過(guò)程的穩(wěn)定性曲線；④將穩(wěn)定性曲線存于數(shù)控系統(tǒng)后，便可開(kāi)始加工并不斷將當(dāng)前工藝參數(shù)與穩(wěn)定性曲線比照，對(duì)當(dāng)前數(shù)控加工程序進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加工過(guò)程振動(dòng)的抑制。本發(fā)明突破了傳統(tǒng)方式先通過(guò)穩(wěn)定性曲線確定工藝參數(shù)再編制數(shù)控加工程序的模式，可以直接事先編制程序，再通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)優(yōu)化程序，從而大大提高了編程效率，也使得數(shù)控加工程序的編制變得更加簡(jiǎn)易。
文檔編號(hào)G05B19/404GK101984379SQ20101051874
公開(kāi)日2011年3月9日 申請(qǐng)日期2010年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月25日
發(fā)明者周向東, 周彬, 唐小琦, 尹玲, 張敏, 毛寬民, 陳吉紅 申請(qǐng)人:武漢華中數(shù)控股份有限公司;華中科技大學(xué)