本發(fā)明屬于機(jī)械加工過程檢測，尤其涉及一種薄壁工件小切深銑削的顫振控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成在先技術(shù)。

2、顫振是一種在加工過程中常見的現(xiàn)象，影響著加工的質(zhì)量與效率。顫振可以由多種因素引起，并受刀具和工件本身的特性影響。顫振可能來自刀具，也可能來自工件。在切削過程中，弱剛性的刀具高速旋轉(zhuǎn)并與工件不斷碰撞，更容易產(chǎn)生彎曲或振動，特別是在懸伸較長的情況下，刀具的變形更加明顯，導(dǎo)致切削過程不穩(wěn)定。薄壁工件本身存在弱剛性和和高變形傾向的問題，這使得其在銑削過程中容易受到外部力的影響，表現(xiàn)出出尖銳的周期性切削力和不可忽略的時(shí)變動力學(xué)。小切深是薄壁件常見加工工況，因此，迫切需要針對薄壁件小切深工況的顫振主動控制方法，通過對切削過程顫振進(jìn)行抑制，確保加工過程的順利進(jìn)行。

3、在實(shí)際應(yīng)用中，現(xiàn)有主動控制結(jié)構(gòu)主要集中在主軸、刀柄和工件。主軸位置通過改造傳統(tǒng)主軸，將不同種類的致動器集成到主軸系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，這種改造主軸的方式往往需要較大的集成空間，并且控制力施加位置遠(yuǎn)離切削點(diǎn)。工件位置但只能加工簡單零件，在面對復(fù)雜薄壁零件的加工時(shí)，振動隨加工位置不斷變化，固定位置的控制力存在一定不足。而刀柄位置常用的壓電裝置在線性磁滯、結(jié)構(gòu)壽命等方面存在不足。而主動磁軸承主動磁軸承具有無接觸、無潤滑以及無磨損等特點(diǎn)，并且允許轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速只受材料強(qiáng)度的限制，可以通過控制電流的變化產(chǎn)生可控的電磁場力，為抑制旋轉(zhuǎn)刀具振動提供可能。

4、當(dāng)前針對顫振控制，魯棒控制、模型預(yù)測控制、最優(yōu)控制等多種主動控制算法不斷應(yīng)用。但對于小切深工況的研究一般局限在穩(wěn)定性分析和預(yù)測，考慮主動控制的算法往往忽略了小切深工況。只有少數(shù)算法采用高階近似來逼近非光滑銑削力，高階模型會帶來控制器設(shè)計(jì)難度的提升，并且只關(guān)注薄壁工件或者弱剛性刀具其中一方的顫振，對于兩者耦合顫振沒有研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述背景技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種薄壁工件小切深銑削的顫振控制方法及系統(tǒng)，關(guān)注薄壁工件和弱剛性刀具兩者耦合顫振，并將帶寬限制和電流約束綜合考慮，使用主動磁軸承作為執(zhí)行器，相對于現(xiàn)有主動控制算法，對顫振更敏感，對于刀具和工件振動具有較好的抑制作用，能夠同時(shí)控制刀具和工件振動，并且有效節(jié)約控制能量，提高了加工效率。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明的第一個(gè)方面提供一種薄壁工件小切深銑削的顫振控制方法，其包括：

4、獲取機(jī)床刀具工件的振動信號；

5、基于振動信號，通過控制器計(jì)算主動磁軸承的顫振控制電流，以將顫振控制電流施加給主動磁軸承，對旋轉(zhuǎn)刀具產(chǎn)生電磁力，實(shí)現(xiàn)對顫振的控制；

6、其中，控制器的性能指標(biāo)為使刀具-工件耦合系統(tǒng)的位移在期望的頻率區(qū)域內(nèi)最小，且以刀具和薄壁工件柔性、功率放大器帶寬限制和輸出電流飽和為約束。

7、進(jìn)一步地，所述控制器考慮小切深工況下時(shí)變方向系數(shù)，利用傅里葉級數(shù)零階近似簡化刀具-工件的耦合系統(tǒng)模型，將時(shí)變系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為定常系統(tǒng)。

8、進(jìn)一步地，所述刀具-工件的耦合系統(tǒng)模型為：

9、

10、其中，ztw(s)為刀具與工件的相對位移，zs(s)為由電渦流位移傳感器測得的刀柄位移，銑削力ft到工件響應(yīng)的傳遞函數(shù)gw(s)，銑削力到刀具響應(yīng)傳遞函數(shù)gst(s)，刀柄響應(yīng)到刀尖響應(yīng)的傳遞函數(shù)gts(s)，主動磁軸承電磁力fa到刀柄響應(yīng)的傳遞函數(shù)gsa(s)。

11、進(jìn)一步地，所述主動磁軸承包括定子鐵芯和圍繞定子鐵芯的線圈，相鄰兩磁極的線圈相連形成磁極對，當(dāng)在線圈通入電流時(shí)產(chǎn)生磁通回路，并產(chǎn)生電磁力。

12、進(jìn)一步地，所述電磁力通過偏置電流與顫振控制電流的變化進(jìn)行控制，且所述偏置電流為直流分量，用于提供預(yù)置磁場。

13、進(jìn)一步地，所述電磁力為非接觸力，不需要與旋轉(zhuǎn)表面接觸。

14、本發(fā)明的第二個(gè)方面提供一種薄壁工件小切深銑削的顫振控制系統(tǒng)，其包括：

15、信號獲取模塊，其被配置為：獲取機(jī)床刀具工件的振動信號；

16、顫振控制模塊，其被配置為：基于振動信號，通過控制器計(jì)算主動磁軸承的顫振控制電流，以將顫振控制電流施加給主動磁軸承，對旋轉(zhuǎn)刀具產(chǎn)生電磁力，實(shí)現(xiàn)對顫振的控制；

17、其中，控制器的性能指標(biāo)為使刀具-工件耦合系統(tǒng)的位移在期望的頻率區(qū)域內(nèi)最小，且以刀具和薄壁工件柔性、功率放大器帶寬限制和輸出電流飽和為約束。

18、進(jìn)一步地，所述電磁力通過偏置電流與顫振控制電流的變化進(jìn)行控制，且所述偏置電流為直流分量，用于提供預(yù)置磁場。

19、本發(fā)明的第三個(gè)方面提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計(jì)算機(jī)程序，該程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述所述的一種薄壁工件小切深銑削的顫振控制方法中的步驟。

20、本發(fā)明的第四個(gè)方面提供一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)、處理器及存儲在計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述所述的一種薄壁工件小切深銑削的顫振控制方法中的步驟。

21、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

22、本發(fā)明關(guān)注薄壁工件和弱剛性刀具兩者耦合顫振，并將帶寬限制和電流約束綜合考慮，使用主動磁軸承作為執(zhí)行器，相對于現(xiàn)有主動控制算法，對顫振更敏感，對于刀具和工件振動具有較好的抑制作用，能夠同時(shí)控制刀具和工件振動，并且有效節(jié)約控制能量，提高了加工效率。

技術(shù)特征：

1.一種薄壁工件小切深銑削的顫振控制方法，其特征在于，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的一種薄壁工件小切深銑削的顫振控制方法，其特征在于，所述控制器考慮小切深工況下時(shí)變方向系數(shù)，利用傅里葉級數(shù)零階近似簡化刀具-工件的耦合系統(tǒng)模型，將時(shí)變系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為定常系統(tǒng)。

3.如權(quán)利要求1所述的一種薄壁工件小切深銑削的顫振控制方法，其特征在于，所述刀具-工件的耦合系統(tǒng)模型為：

4.如權(quán)利要求1所述的一種薄壁工件小切深銑削的顫振控制方法，其特征在于，所述主動磁軸承包括定子鐵芯和圍繞定子鐵芯的線圈，相鄰兩磁極的線圈相連形成磁極對，當(dāng)在線圈通入電流時(shí)產(chǎn)生磁通回路，并產(chǎn)生電磁力。

5.如權(quán)利要求1所述的一種薄壁工件小切深銑削的顫振控制方法，其特征在于，所述電磁力通過偏置電流與顫振控制電流的變化進(jìn)行控制，且所述偏置電流為直流分量，用于提供預(yù)置磁場。

6.如權(quán)利要求1所述的一種薄壁工件小切深銑削的顫振控制方法，其特征在于，所述電磁力為非接觸力，不需要與旋轉(zhuǎn)表面接觸。

7.一種薄壁工件小切深銑削的顫振控制系統(tǒng)，其特征在于，包括：

8.如權(quán)利要求7所述的一種薄壁工件小切深銑削的顫振控制系統(tǒng)，其特征在于，所述電磁力通過偏置電流與顫振控制電流的變化進(jìn)行控制，且所述偏置電流為直流分量，用于提供預(yù)置磁場。

9.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，該程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的一種薄壁工件小切深銑削的顫振控制方法中的步驟。

10.一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)、處理器及存儲在計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的一種薄壁工件小切深銑削的顫振控制方法中的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及機(jī)械加工過程檢測技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種薄壁工件小切深銑削的顫振控制方法及系統(tǒng)，包括：獲取機(jī)床刀具工件的振動信號；基于振動信號，通過控制器計(jì)算主動磁軸承的顫振控制電流，以將顫振控制電流施加給主動磁軸承，對旋轉(zhuǎn)刀具產(chǎn)生電磁力，實(shí)現(xiàn)對顫振的控制；其中，控制器的性能指標(biāo)為使刀具?工件耦合系統(tǒng)的位移在期望的頻率區(qū)域內(nèi)最小，且以刀具和薄壁工件柔性、功率放大器帶寬限制和輸出電流飽和為約束。對顫振更敏感，對于刀具和工件振動具有較好的抑制作用，能夠同時(shí)控制刀具和工件振動，并且有效節(jié)約控制能量，提高了加工效率。

技術(shù)研發(fā)人員：馬海峰,王晨,陳杰,宋清華,劉戰(zhàn)強(qiáng)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15