[发明专利]在线同时调整变主轴转速幅值和频率的主动颤振抑制方法

说明书

本发明公开了一种在线同时调整变主轴转速幅值和频率的主动颤振抑制方法，包括：当数控车床进行切削加工时，实时采集振动信号，并利用滑动窗口方法更新颤振指标，对加工状态进行在线监控；将实时计算出的颤振指标与设定的阈值进行对比，并计算出二者的差值，将其作为两个PID控制器的输入，两个PID控制器的输出经过饱和器模块进行限幅；将两个PID控制器的输出经过饱和器模块进行限幅后的值分别指定为变主轴转速的归一化的幅值和频率，在线调整所述变主轴转速的幅值和频率，实现自适应颤振抑制。本发明提出在线调整SSV参数的自适应颤振抑制系统，对于有效避免各种程度颤振发生，提高工件的加工质量和加工效率具有十分重要的意义和价值。

技术领域

本发明涉及智能制造技术领域，尤其涉及一种在线同时调整变主轴转速幅值和频率的主动颤振抑制方法。

背景技术

由于工业产品的轻量化要求，越来越多的产品零部件采用薄壁结构。然而，由于薄壁零件自身刚性弱，加工工艺性差，容易引发加工颤振。颤振是发生在刀具与工件之间的一种自激振动，通常认为是切屑厚度的再生引起的。颤振出现会造成工件表面质量急剧下降，机床和刀具寿命缩短，噪声危害增强等，严重影响零件的加工质量和加工效率。在车削过程中，通过连续变化主轴转速(如正弦变化)的方法可以有效干扰再生效应从而达到抑制颤振的目的。虽然利用变主轴转速(spindle speed variation，SSV)来抑制颤振的效果已经被广泛证实，但是针对特定的加工条件选择合适的变主轴转速参数一直是一个难题。首先，切削加工系统是一个非常复杂的系统，准确建模非常困难，而且SSV参数对加工稳定性的影响也与切削系统、加工参数等众多因素相关，所以很难利用加工模型通过离线计算准确地确定合适的SSV参数。另外，对于薄壁零件来说，在加工过程中由于材料去除和加工位置变化，工件的模态参数会随时间而变化，进一步增加了准确确定有效的SSV参数的困难。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种在线同时调整变主轴转速幅值和频率的主动颤振抑制方法，提出在线调整SSV参数的自适应颤振抑制系统，对于有效避免各种程度颤振发生，提高工件的加工质量和加工效率具有十分重要的意义和价值。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何针对当前SSV技术用到颤振抑制中存在问题，通过闭环控制系统同时调节SSV的双参数实现主动颤振抑制，从而能够抑制不同加工工况下的颤振。

为实现上述目的，本发明提供了一种在线同时调整变主轴转速幅值和频率的主动颤振抑制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、当数控车床进行切削加工时，实时采集振动信号，并利用滑动窗口方法更新颤振指标，对加工状态进行在线监控；

步骤2、将实时计算出的所述颤振指标与设定的阈值进行对比，并计算出二者的差值，将其作为两个PID控制器的输入，所述两个PID控制器的输出经过饱和器模块进行限幅；

步骤3、将步骤2中所述两个PID控制器的输出经过饱和器模块进行限幅后的值分别指定为变主轴转速的归一化的幅值和频率，在线调整变主轴转速的幅值和频率，实现自适应颤振抑制。

进一步地，所述步骤1中的所述实时采集的振动信号包括切削力信号、声音信号和加速度信号中的一种或多种。

进一步地，所述步骤1中的所述更新颤振指标为更新小波包熵，具体包括采用小波包矩阵与滑动窗内信号序列相乘的方法计算所述小波包熵，其中所述小波包矩阵通过Matlab离线得到，作为已知量存在计算机的存储器中，在实时计算中直接调用。

进一步地，所述步骤1中的所述更新颤振指标还包括将计算出的所述小波包熵值除以在当前分解层数下的所述小波包熵的最大值，做归一化处理。

进一步地，所述步骤2中的所述两个PID控制器采用两个FOPID控制器，并且其参数在设定的目标函数下经过启发式算法进行离线优化得到，以获得更好的颤振控制性能。