[发明专利]一种铣削加工颤振主动控制系统及其方法

说明书

技术领域

本发明属于切削加工控制技术领域，更具体地，涉及一种铣削加工颤振主动控制系统及其方法。

背景技术

在铣削加工过程中，由于铣削力和其他不确定载荷的作用，工艺系统往往会发生颤振现象，并影响到加工精度和铣削效率。颤振是一种自激振动，其中再生型颤振（因铣削厚度变化效应所产生的动态铣削力激起的自激颤振）最为有害。颤振现象的发生会降低铣削用量和工件的表面质量，导致加工刀具的提前报废，同时产生大量的噪声；在加工实践中，颤振现象对于金属合金框、薄壁支架之类弱刚性工件的影响尤为明显。

针对铣削加工过程中的颤振现象，现有技术中已经提出了各种主动控制技术。其中一类方法是对铣削系统进行系统建模，以此方式来执行颤振主动控制，然而铣削加工系统自身往往非常复杂，设计模型往往建立在比较粗糙的流变学假设上，相应导致难以获得准确的系统模型；此外，铣削加工机械系统反应的滞后也会使该方法不能很好地对铣削稳定性执行在线控制，因此难以有效地消除颤振现象。

近年来，随着压电陶瓷、电流变液、磁流变液智能材料的迅速发展，此类材料被引入到颤振主动控制的过程中，并取得了良好的效果。例如，张原铭等提出了一种将压电陶瓷作动器和薄壁状弱刚性工件粘合在一起，相应执行颤振主动控制的方法（参见“Milling Workpiece Chatter Avoidance Using Piezoelectric Active Damping:A Feasibility Study”,Smart Mater.Struct，14（6），N65页-N70页），该方法响应快，但是易于折断，输出力和位移偏小，在较大程度上限制了其作为驱动器的应用；J.L.Dohner等提出了一种将磁致伸缩作动器安装在主轴上执行颤振主动控制的方法（参见“Mitigation of Chatter Instabilities in Milling by Active Structural Control”,J.Sound Vibr,2004，vol 269,197-211页），该方法响应快且输出力大，但同样易于折断，且存在控制成本高的问题。相应地，寻找一种更为完善的颤振主动控制技术，正成为本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种铣削加工颤振主动控制系统及其方法，其中通过采用音圈电机作为抑制颤振的执行器并相应设计其控制系统，能够以响应快、输出力大、便于操控的方式执行颤振主动控制过程，同时具备高精度、抑制效果明显等优点，因而尤其适用于弱刚性工件之类的颤振控制用途。

按照本发明的一个方面，提供了一种铣削加工颤振主动控制系统，其特征在于，该系统包括位移检测单元、信号采集单元、中央控制单元、音圈电机驱动器和音圈电机，其中：

所述位移检测单元用于对工件在铣削加工中由于颤振现象所产生的位移执行实时感测，并获得相应的检测电压信号；

所述信号采集单元用于采集位移检测单元所获得的检测电压信号，并将其输送给中央控制单元；

所述中央控制单元根据所接收的信号，相应计算确定用于抑制颤振现象的控制电压信号，然后将该控制电压信号输送给音圈电机驱动器；

所述音圈电机驱动器将控制电压信号转换为电流信号并予以功率放大，然后输出至设置在工件附近的音圈电机使其驱动；

所述音圈电机作为执行器，根据音圈电机驱动器的驱动来相应抑制颤振，由此实现铣削加工颤振主动控制过程。

作为进一步优选地，所述工件为长桁、壁板、航空叶片之类的弱刚性零件。

作为进一步优选地，所述振动位移检测单元优选为激光位移传感器或涡流位移传感器。

作为进一步优选地，所述信号采集单元为多通道数据采集卡，且其输入通道数为8通道，数据采集速率为50K，分辨率为0.05μm。

作为进一步优选地，所述中央控制单元通过多通道电压输出卡将控制电压信号同步输送给对应设置的多个音圈电机驱动器，由此驱动多个音圈电机来共同执行颤振主动控制。

作为进一步优选地，所述音圈电机的工作频率被设定为0Hz～50Hz，其响应时间和精度分别被设定为0.54ms和0.01N。

作为进一步优选地，所述系统还包括显示单元，该显示单元采用触摸屏的形式，用于输入配置参数和显示颤振控制过程中的相关数据。

作为进一步优选地，所述系统整体构成为实时闭环控制系统。

按照本发明的另一方面，提供了一种相应的铣削加工颤振主动控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：