[发明专利]一种电主轴铣削颤振时延主动控制方法及其系统

说明书

技术领域

本公开属于机械切削加工控制技术领域，更具体地，涉及一种铣削加工颤振时延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。通过对铣削系统进行数学建模，实验测定系统各动力学参数，再设计控制算法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延的存在，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

针对上述问题，本公开提供了一种电主轴铣削颤振时延主动控制方法及其系统，用于稳定包含时延和非线性动态切削力的铣削动力学系统，从而达到颤振控制，扩大铣削稳定域和改善加工效果的目的。

一种电主轴铣削颤振时延主动控制方法，所述方法包括下述步骤：

S100、建立连续铣削颤振主动控制状态方程；

S200、将所述连续铣削颤振主动控制状态方程转换为离散控制系统状态方程；

S300、利用离散最优控制算法计算所述离散控制系统状态方程，获得最优主动控制力；

S400、利用压电作动器驱动电压-输出力模型，根据计算得到的最优主动控制力计算压电作动器所需的驱动电压，进而驱动压电作动器对电主轴系统施加主动控制力。

进一步地，所述步骤S100之前还包括采集刀柄末端两个正交方向的振动信号、测定电主轴系统参数和切削力系数。

可选地，所述连续铣削颤振主动控制状态方程的建立包括下述步骤：

S101、建立包含状态时延的铣削颤振主动控制力学模型：

式中：

其中：M∈R^2×2为电主轴系统质量矩阵，C∈R^2×2为电主轴系统阻尼矩阵，K∈R^2×2为电主轴系统刚度矩阵，X(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，τ为切削系统时延，H(t)∈R^2×2为切削力变化矩阵，其周期与切削系统时延相同为τ，U(t)为主动控制力，N为刀齿数，ω为电主轴转速；

S102、利用傅里叶零阶展开对切削力变化矩阵H(t)在一个周期内平均化：

其中：

K₁₁，K₁₂，K₂₁，K₂₂为平均化后的切削力常数；m_x，m_v为电主轴系统质量矩阵在正交的x，y方向上的分量；c_x，c_v为电主轴系统阻尼矩阵在正交的x，y方向上的分量；k_x，k_v为电主轴系统刚度矩阵在正交的x，y方向上的分量；

S103、利用步骤S102中的方程建立连续铣削颤振主动控制状态方程：

其中：

优选地，所述步骤S400中计算获得的驱动电压经功率放大器放大后驱动压电作动器工作。

优选地，所述压电作动器驱动电压-输出力模型为：

其中：

K′_ex为外部结构的动刚度；K_a为压电作动器等效刚度；V为施加在压电叠层作动器两端的电压；n为压电片的层数；d₃₃为压电常数。