[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

说明书

本发明公开了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，应用于包含作动装置的电主轴中，其中所述方法包括步骤：建立铣削颤振主动控制动力学模型；将铣削过程动力学模型转化为线性时不变模型；分析模态摄动，并对模型进行电主轴模态摄动建模；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；使用所设计控制算法计算电主轴系统的主动控制力，进而获得驱动压电作动器对电主轴系统施加主动控制力的驱动电压。采用本发明方法和系统可有效抑制铣削加工时的颤振，扩大铣削稳定域，改善加工质量并提高加工效率。

技术领域

本发明属于铣削加工控制技术领域，特别是一种铣削加工颤振鲁棒主动控制方法及其系统。

背景技术

铣削加工广泛应用于航空、航天、模具等行业。在铣削加工中，颤振是制约加工表面质量和生产率的关键因素。颤振是机床-刀具-工件构成的闭环切削系统的动态不稳定现象，根源于切削力的异常变化，造成刀具与工件之间十分强烈而持续的相对振动。颤振是切削加工中的自激振动现象，其中再生型颤振，因铣削厚度变化所产生的动态铣削力激起的自激颤振，是引起振动的主要因素。切削颤振会在零件表面留下振纹，从而降低零件加工质量；由于颤振的发生，在加工过程中不得不采取保守的切削用量从而降低机床加工效率；颤振会导致加工刀具的提前报废，同时产生大量的噪声污染环境。

针对铣削加工过程中的颤振现象，振动主动控制技术被应用于对铣削颤振的控制上。振动主动控制是指在振动控制过程中，根据所检测到的振动信号，应用一定的控制策略，经过实时计算，进而驱动作动器对控制目标施加一定的影响，达到抑制或消除振动的目的。通过，实验测定系统各动力学参数，建立铣削系统数学模型，继而设计控制算法，这是颤振主动控制的核心；但是，铣削动力学系统比较复杂，铣削过程的复杂性不仅在于系统中时滞的存在，还在于铣削过程中刀齿旋转切削运动的周期性，这导致铣削动力学方程中的系数呈周期性变化，从而加大了控制算法的设计难度。因此，铣削颤振主动控制方法的设计具有很大的挑战性。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出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，本发明考虑模型摄动的影响，从而获得鲁棒性更好的主动控制方法。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种电主轴铣削颤振鲁棒主动控制方法包括以下步骤：

第一步骤中：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；

第三步骤中：利用线性分式变化方法建立电主轴模态摄动模型：