專利名稱：一種基于指令序列的數(shù)控車削加工過程振動抑制方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機械制造自動化領域，具體涉及一種基于數(shù)控加工程序指令序列的數(shù) 控車削加工過程振動抑制方法。該方法旨在提高數(shù)控加工的穩(wěn)定性，避免加工過程中出現(xiàn) 強烈的振動，即抑制顫振的發(fā)生。該方法適用于精密加工、柔性制造、無人化加工等領域。
背景技術：
數(shù)控機床是一種高效的自動化加工設備，它嚴格按照加工程序，自動的對被加工 工件進行加工，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)控機床要完成的全部動作。一個完整的數(shù)控加工程序由程序名、程序內(nèi)容 和程序結束指令三部分組成，程序內(nèi)容是整個數(shù)控加工程序的核心，它由若干個程序段組 成，每個程序段是一個完整的加工工步單元，它由若干個指令字組成。指令字是指一系列按 規(guī)定排列的字符，作為一個信息單元存儲、傳遞和操作。指令字是由一個英文字母與隨后的 若干位十進制數(shù)字組成，這個英文字母稱為地址符。如“X250”是一個指令字，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。把一個數(shù)控加工 程序的程序段按照加工順序進行排列，所構成的一個序列，稱為指令序列。通常，數(shù)控加工 程序在執(zhí)行過程中，會預先把即將要執(zhí)行的程序段加載到緩沖區(qū)，經(jīng)過解釋后，再進行插補 等一系列處理，最后被執(zhí)行。機床切削顫振是發(fā)生在刀具系統(tǒng)與工件系統(tǒng)之間的強烈自激振動，它的產(chǎn)生，與 機床本身的動態(tài)特性以及加工材料的力學特性均有關，影響因素非常多。隨著無人化工廠 以及柔性制造等的發(fā)展，切削顫振日益成為一個制約因素；與此同時，在航空航天等領域， 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、側吃刀量、進給速度等)，這 也對切削顫振的控制提出了較高的要求。在下面的敘述中，為簡單起見，將機床切削顫振簡 稱為顫振。任何機床，在以給定的工藝參數(shù)(包括機床主軸轉速、進給速度、切削寬度等)進 行加工時，都可能發(fā)生顫振。然而，并非在所有的工藝參數(shù)下的加工都會發(fā)生顫振。理論 與實踐均表明機床在加工過程中是否會發(fā)生顫振，與機床主軸轉速及切削寬度密切相關。 稱機床主軸轉速與切削寬度組成的二元向量為關鍵參數(shù)組，記為(n，b)，其中，η表示機床 主軸的轉速值，b表示切削寬度值。在此處，對切削寬度的含義做一解釋對于數(shù)控車削而 言，如
圖1所示，在切削過程中存在待加工表面、過度表面、已加工表面三個表面，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。過度表面與車刀的 主后刀面接觸，接觸部分的長度稱為切削寬度，其反應了切削刃參加切削的工作長度，記為 b，有b = ap/Sinkr (2)其中&為刀具的主偏角。
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對于特定機床的任何一個具體的主軸轉速值，均存在一個確定的切削寬度值blim， 稱為極限切削寬度，當實際的切削寬度b滿足b > blim時，顫振必然會發(fā)生；當實際的切削 寬度b滿足b < blim時，加工是穩(wěn)定的；當實際的切削寬度b滿足b = blim時，稱為臨界情 形，此時一個微小的干擾即可導致顫振的發(fā)生，考慮到實際加工過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。為了將主軸轉速、切削寬度與機床加 工穩(wěn)定性的這種關系直觀地表示出來，以主軸轉速為橫坐標，以主軸轉速對應的極限切削 寬度為縱坐標，繪制一條曲線，稱為機床加工穩(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。通過刀具系統(tǒng)的模態(tài) 試驗及切削力試驗，可以獲得機床加工穩(wěn)定性極限曲線。具體到數(shù)控車床時，針對車刀刀尖 的模態(tài)試驗(圖3)，可獲得數(shù)控車床的動力學參數(shù)；切削力試驗則可獲得切削力系數(shù)，依據(jù) 動力學參數(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，由于認為在給定的工藝參數(shù)下，切削力不變，故稱此時 的切削力系數(shù)為靜態(tài)切削力系數(shù)。當前的數(shù)控加工程序在設計編寫時，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，沒有考慮數(shù)控機床刀具系統(tǒng)的動力學特性，因此，一旦在加工過程中形 成強烈的振動，由于沒有有效的解決措施，將會導致零件加工質量的下降，嚴重的甚至會損 壞刀具乃至機床。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，調整 切削寬度值與轉速值都是可行的方法，但在實際加工過程中，調整切削寬度值會導致零件 輪廓的變化，違背了加工意圖，因此，本專利所提供的方法，將通過調整主軸轉速值對數(shù)控 加工程序進行優(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)控車削加工過程振動抑制方法，該 方法依據(jù)數(shù)控機床動力學特性，從數(shù)控加工程序中讀取加工工藝參數(shù)，實時判斷加工狀態(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)控車削加工過程振動抑制方法，其特征在 于，該方法包括下述步驟第1步識別機床動力學參數(shù)，包括固有頻率ωη，阻尼比ζ和剛度系數(shù)k ；第2步通過切削力實驗，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，進行切削力實驗，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得 到靜態(tài)切削力系數(shù)ks;第3步獲取機床加工穩(wěn)定性極限，制作機床加工穩(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表示轉速，blim 表示在該轉速下的極限切削寬度；
禾Ij用式(II)和式(III)獲得機床加工穩(wěn)定性極限 __60w_
權利要求
一種基于指令序列的數(shù)控車削加工過程振動抑制方法，其特征在于，該方法包括下述步驟第1步識別機床動力學參數(shù)，包括固有頻率ωn，阻尼比ζ和剛度系數(shù)k；第2步通過切削力實驗，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，進行切削力實驗，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得到靜態(tài)切削力系數(shù)ks；第3步獲取機床加工穩(wěn)定性極限，制作機床加工穩(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表示轉速，blim表示在該轉速下的極限切削寬度；利用式(II)和式(III)獲得機床加工穩(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>jπ</mi><mo>+</mo><msup> <mi>sin</mi> <mrow><mo>-</mo><mn>1</mn> </mrow></msup><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>ξλ</mi> </mrow> <msqrt><msup> <mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mi>ξλ</mi><mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup> <mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msup> <mi>λ</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>ξλ</mi></mrow><mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup><mi>λ</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>ξλk</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>ξλ</mi></mrow><msqrt> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>ξλ</mi> <mo>)</mo></mrow><mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup><mi>λ</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>ξλ</mi> </mrow> <mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><msup> <mi>λ</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)加工的過程中，根據(jù)指令序列信息得到由當前主軸轉速值及切削寬度值組成的關鍵參數(shù)組(n，b)，將關鍵參數(shù)組與穩(wěn)定極限曲線對比，并對數(shù)控加工程序進行優(yōu)化。FDA0000029392490000013.tif
2.根據(jù)權利要求1所述的基于指令序列的數(shù)控車削加工過程振動抑制方法，其特征在 于，第3步具體包括下述過程(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；(3.2)對于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，blim為縱坐標繪制穩(wěn)定性極限曲線。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于指令序列的數(shù)控車削加工過程振動抑制方法，其特征在 于，第4步具體包括下述過程(4. 1)從數(shù)控系統(tǒng)的插補緩沖區(qū)中獲取已解釋完畢的待插補的指令序列信息，該信息 中包含了主軸轉速值、待加工表面直徑和已加工表面直徑等數(shù)據(jù)，計算出切削寬度值，得到 當前主軸轉速值及切削寬度值組成的關鍵參數(shù)組(n，b)；(4. 2)將關鍵參數(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，對于超過極限范圍的(n，b)，需要對其所對應的數(shù)控加工程序進行優(yōu)化，此處的優(yōu)化 指的是調整機床主軸轉速的大小，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，則進行優(yōu)化，調整轉速，使新的關鍵參數(shù)組處于最臨近的穩(wěn)定區(qū)域； (4. 3)不斷重復步驟(4. 1)和(4. 2)，直至加工結束。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于指令序列分析的數(shù)控車削加工過程振動抑制方法，步驟為①通過模態(tài)實驗，識別出數(shù)控機床的動力學參數(shù)；②通過切削力實驗，識別切削過程的靜態(tài)切削力系數(shù)；③根據(jù)①得到的動力學參數(shù)及②得到的切削力系數(shù)，制作加工過程的穩(wěn)定性曲線；④將穩(wěn)定性曲線存于數(shù)控系統(tǒng)后，便可開始加工并不斷將當前工藝參數(shù)與穩(wěn)定性曲線比照，對當前數(shù)控加工程序進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)對加工過程振動的抑制。本發(fā)明突破了傳統(tǒng)方式先通過穩(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，再通過數(shù)控系統(tǒng)實時優(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易。
文檔編號G05B19/404GK101984379SQ20101051874
公開日2011年3月9日 申請日期2010年10月25日 優(yōu)先權日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 申請人:武漢華中數(shù)控股份有限公司;華中科技大學