[发明专利]一种虑及颤振抑制的机床自适应控制方法

权利要求书

1.一种虑及颤振抑制的机床自适应控制方法，首先，在机床上通过变切削参数进行正交试验铣削加工，获取在不同切削参数加工下主轴功率信号，并对主轴功率信号进行缺失值补偿和特征值提取，利用切削参数、功率特征值对深度学习网络进行训练，得到进给速度自适应调控模型，通过深度学习网络对进给速度进行调整；接着，利用基于加权小波包熵的方法判断加工过程中是否产生颤振，建立主轴转速自适应调控模型，通过调整主轴转速的方法来实现对颤振的抑制；然后，设计进给速度和主轴转速的调整原则；最后，在实际加工过程中，对机床主轴功率信号和振动信号进行实时监测，基于设计的进给速度和主轴转速的调整原则对进给速度和主轴转速进行调整和控制，实现自适应加工；其特征在于，步骤如下：

第一步，建立进给速度自适应调控模型

(1)变切削参数主轴功率数据采集处理与特征提取

功率传感器布置在主轴电机上，其三个线圈分别套在主轴电机UVW三根动力线上；

变切削参数加工过程为：在同种刀具和工件的基础上，选择不同的主轴转速、进给速度和切削深度组合搭配进行切削加工，利用功率传感器记录下每一组切削过程的功率信号；

由于功率信号采集过程中会产生信号缺失的情况，因此需要对缺失值进行补偿，采用缺失值前后两个功率值的平均值作为补偿后的新值，补偿后的功率W_i按式(1)计算：

式中，W_i-1为信号缺失前一时刻信号值，W_i+1为信号缺失后一时刻信号值；

然后取整个加工过程功率的平均值作为此次加工过程的功率特征值，功率特征值W_t按式(2)计算：

式中，n为整个加工过程功率值采样总数；

(2)深度学习网络的建立与训练

深度学习网络由两个RBF神经网络和一个自编码器组成；首先，建立第一个RBF神经网络，利用设定的切削参数对目标切削功率参考值进行预测，输入为主轴转速、进给速度和切削深度，输出为目标切削功率参考值；接着，建立自编码器，利用实时采集的功率数据以及设定的主轴转速和进给速度对当前实际切削深度进行预测，输入为功率数据、主轴转速和进给速度，输出为当前实际切削深度；然后，建立第二个RBF神经网络，利用目标切削功率参考值、主轴转速和自编码器预测得到的当前实际切削深度对需要调控的进给速度进行预测，输入为目标切削功率参考值、主轴转速和预测得到的当前实际切削深度，输出为调整后的进给速度f；最后，利用MATLAB深度学习工具箱对深度学习网络进行训练；

第二步，建立主轴转速自适应调控模型

(1)主轴振动数据的采集

加速度传感器布置在主轴外缘下端，靠近刀具一侧，设定采样频率实时采集加工过程振动数据；

(2)加工过程中切削颤振的在线识别

加工过程中切削颤振的在线识别基于加权小波包熵的方法；首先，确定小波包分解的级数L，对采集的振动信号进行小波包分解；其次，获取小波包分解系数，第L级第j频带的小波包系数为：

其中，N为每次采集振动信号的个数；

接着，计算第L级第j频带的能量和第L级的总能量，第L级第j频带能量E_L，_j和第L级的总能量E分别按式(4)和(5)计算：

然后，计算第L级归一化能量，第L级归一化能量V按式(6)计算：

接着，假定第K频段为颤振频段，定其为加权的特定频段，则第K频段的加权能量E_L，K^w按式(7)表示：

其中，α为加权系数；

然后，计算加权小波包熵，加权小波包熵ρ按式(8)计算：

最后，计算颤振产生阈值，颤振产生阈值γ按式(9)计算：

γ＝E(ρ^M)-σ(ρ^M)-0.4 (9)

其中，E(ρ^M)为稳定切削状态下加权小波包熵的期望值，σ(ρ^M)为稳定切削状态下加权小波包熵的标准差；

在实际加工过程中，实时采集振动信号，计算加权小波包熵ρ，若ργ，则判定为颤振产生；

(3)颤振频率的确定

若基于加权小波包熵的颤振识别方法监测到颤振产生，则对小波包分解后的颤振频带信号做频谱分析，设频率谱峰值对应的频率为颤振频率f_c；

(4)主轴转速的实时调控

在检测到颤振出现并确定颤振频率后，通过调整主轴转速改变前后两次切削振纹间的相位差来消除颤振，相位差∈由式(10)确定：

其中，N_m为满足等式的最大整数，f_t为刀齿切削频率，刀齿切削频率f_t按式(11)计算：

其中，z为铣刀齿数，n_s为主轴转速；

当相位差∈趋近于2π的整数倍时，此时极限切削宽度能得到最大值，即实现颤振的抑制；由式(10)和(11)得到主轴转速n_s由式(12)计算：

第三步，设计进给速度和主轴转速的调整原则

在实际加工过程中，首先，对加工过程主轴功率和振动信号进行监测；然后，判断是否产生颤振，若无颤振，则进行进给速度自适应加工，若有颤振，则调整主轴转速，进行颤振抑制直到颤振消除；最后，判断颤振抑制是否使主轴功率增大，若增大，则取消颤振抑制，恢复主轴转速至原始值，只进行进给速度自适应加工，若无增大，则在颤振抑制后进行进给速度自适应加工；

第四步，进给速度和主轴转速的实时调控

将虑及颤振抑制的机床自适应控制系统得出的进给速度和主轴转速除以程序设定的进给速度和主轴转速，得到进给速度和主轴转速调整倍率，进给速度倍率B_f按式(13)计算，主轴转速倍率B_s按式(14)计算：

式中，f₀为设定的进给速度，n₀为设定的主轴转速；

将机床和工控机通过网线连接，实现实时通讯；调用机床动态链接库，将进给速度和主轴转速调整倍率指令通过调用动态链接库发送给机床，通过机床内置PLC模块实现对进给速度和主轴转速的自适应控制。