[发明专利]一种电主轴铣削颤振鲁棒主动控制方法及其主动控制系统

权利要求书

1.一种电主轴铣削颤振鲁棒主动控制方法，所述方法包括以下步骤：

第一步骤(S1)中：建立铣削颤振主动控制动力学模型：

其中：M为电主轴系统质量矩阵，C为电主轴系统阻尼矩阵，K为电主轴系统刚度矩阵，z(t)为刀具正交的x，y方向的位移向量，为刀具正交的x，y方向的速度向量，为刀具正交的x，y方向的加速度向量，b为轴向切削深度，z(t-τ)为切削系统时滞，H(t)为时变切削力系数矩阵，其周期与切削系统时滞相同为τ，F_a(t)为主动控制力；

第二步骤(S2)中：对时变切削力系数矩阵H(t)在其一个周期τ内取平均值：

式中：为平均后的切削力系数矩阵；和为平均后的切削力系数；

利用逼近算法和状态增广将切削系统时滞z(t-τ)线性化：

式中：表示2L维状态向量，表示2L×2L维矩阵，表示2L×2维矩阵，表示2×2L维矩阵，为表示2×2维矩阵；

第三步骤(S3)中：利用线性分式变化方法建立电主轴模态摄动模型：

式中：x(t)是电主轴系统状态向量，q_g(t)是摄动输出向量，p_g(t)是摄动输出向量，A是系统状态矩阵，B₁是力输入矩阵，B₂是摄动输入矩阵，C₁是摄动状态输出矩阵，C₂是电主轴位移状态输出矩阵，D₁₁是力前馈矩阵，D₁₂摄动前馈矩阵；

第四步骤(S4)中：建立铣削颤振主动控制状态增广模型并利用结构奇异值方法求解控制算法：

式中：状态向量输入信号输出信号增广模型的状态空间矩阵如下：

计算获得主动控制力；

第五步骤(S5)中：根据压电作动器驱动电压-输出力模型，利用计算得到的主动控制力来计算压电作动器所需的驱动电压。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，优选的，第一步骤(S1)中：主动控制力由压电堆、磁浮轴承、磁流变材料或电流变材料生成，所述τ＝60/NΩ，其中，N为刀齿数，Ω为电主轴转速。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二步骤(S2)中：所述逼近算法为Pade逼近算法、泰勒展开法或线性插值逼近法。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第三步骤(S3)中：电主轴模型中对模态参数、切削力系数和/或加工工艺参数进行摄动建模。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第四步骤(S4)中：利用结构奇异值方法、H_∞方法、线性矩阵不等式或回路成型方法进行控制算法求解。

6.一种电主轴铣削颤振鲁棒主动控制系统，其特征在于：所述主动控制系统包括，

刀具(1)，其连接在电主轴上，

位移传感器(2)，用于测量电主轴位移的位移传感器(2)连接并发送位移信号到控制器(4)，

电涡流传感器(3)，用于测量电主轴振动的电涡流传感器(3)连接并发送振动信号到控制器(4)，

控制器(4)，用于对电主轴铣削颤振鲁棒控制的控制器(4)包括用于采集位移信号和振动信号的信息采集单元(5)和利用权利要求1-5中任一项所述电主轴铣削颤振鲁棒主动控制方法计算主动控制力的计算单元(6)，

作动器(7)，接收控制器(4)发出的主动控制力信号的作动器(7)致动电主轴以抑制颤振。

7.根据权利要求6所述的主动控制系统，其特征在于，所述作动器(4)为压电作动器。

8.根据权利要求6所述的主动控制系统，其特征在于，信息采集单元(5)包括滤波模块。

9.根据权利要求6所述的主动控制系统，其特征在于，计算单元(6)为通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA。

10.根据权利要求6所述的主动控制系统，其特征在于，所述控制器(4)包括存储器，所述存储器包括一个或多个只读存储器ROM、随机存取存储器RAM、快闪存储器或电子可擦除可编程只读存储器EEPROM。