[发明专利]一种电主轴系统铣削颤振抑制方法及电主轴系统

说明书

本发明公开了一种电主轴系统铣削颤振抑制方法及电主轴系统，首先构建电主轴铣削动力学模型，对电主轴铣削颤振进行颤振识别，实现电主轴主颤振频率的准确估计；其次，基于传递矩阵理论，揭示颤振波在电主轴轴系中的传播机理和传递路径，确定在颤振激励条件下主轴轴系各个节点的状态参数；然后，基于弹性波在周期结构中传播理论，以主轴铣削颤振频率为目标函数，设计声子晶体的尺寸、结构参数、布局形式；最后制备声子晶体，并将其安装到主轴系统相应阻隔节点上，基于颤振波在轴系中的传递规律与传递路径，确定颤振频带范围；精确定位轴系中响应极值点，确定阻隔零件；回避了传统铣削颤振抑制系统复杂附加机构和控制难度高、抑制频带窄等问题。

技术领域

本发明属于铣削颤振抑制技术领域，具体涉及一种电主轴系统铣削颤振抑制方法及电主轴系统。

背景技术

铣削颤振是一种发生在加工过程中工件与刀具之间的强烈自激振动，工件的低频振动会影响刀具的精确定位并影响到加工精度。如何抑制铣削颤振是提升零件高精度、高品质、高效率加工的重要因素之一，也是当前我国开发智能加工技术和研制高性能制造装备必须攻克的关键核心技术。

为了实现铣削颤振抑制，针对不同的主轴系统和使用工况，常用参数调控、被动式和主动式等几种颤振抑制方法。尽管目前运用以上三种方式对铣削颤振的抑制起到了很好的效果，但是，不同的抑制方式也存在其自身的缺陷：采用参数调控或被动颤振抑制方法仅能覆盖较窄的颤振抑制频段，且由于设计完成后参数随之固化，无法随切削系统的动态特性变化而实时调整，导致所设计的颤振抑制系统鲁棒性不佳；采用主动式颤振抑制系统的方法，常常基于附加作动器或监控系统，但在实际加工中，由于实际模型复杂、参数时变等难题，往往造成颤振抑制控制器设计难度高、可靠性差等不足。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供电主轴系统铣削颤振抑制方法及电主轴系统，在电主轴阻隔零件上设计以颤振频段为带隙的声子晶体结构，使其具有较宽的颤振抑制频段、简单可行的颤振抑制机构，并能针对所产生的电主轴铣削颤振迅速做出响应，从而使具有声子晶体结构的电主轴在铣削颤振时具有更好的抑制效果。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电主轴系统铣削颤振抑制方法，包括以下步骤：

基于电主轴铣削动力学模型分析在典型工况下电主轴铣削的稳定性特征，根据所述稳定性特征对电主轴铣削颤振时主颤振频率估计；

基于传递矩阵理论，计算得到颤振波在电主轴轴系中的传播机理和传递路径，确定在典型颤振激励条件下各个节点的状态参数，进一步确定在电主轴传递路径上响应的极大值点，确定抑制振动传播节点的位置；

基于弹性波在周期结构中的传播理论，以所述电主轴铣削颤振时电主轴颤振频率为目标函数，设计声子晶体的几何参数、材料参数以及布置形式；

将所述声子晶体安装到所述抑制振动传播节点的位置，声子晶体外形与主轴系统结构相匹配，实现对电主轴系统铣削颤振的抑制。

基于电主轴铣削动力学模型分析在典型工况下电主轴铣削的稳定性特征，根据所述稳定性特征对电主轴铣削颤振时主颤振频率估计，具体如下：

基于铣削颤振频率特性与信号正交性分析，构建铣削振动信号的参数化模型，将铣削振动信号分为稳定成分和干扰成分，对信号中的稳定周期成分进行滤除；

在颤振识别的基础上，利用经验模式分解实现铣削颤振特征信号的提取，采用基于希尔伯特变换的主颤振频率估计方法，提取主颤振中心频率及颤振频带。

基于传递矩阵理论，将质量连续分布的弹性转子离散为由不计厚度但考虑惯量的刚性圆盘和不计质量但考虑刚度的弹性轴段组成的盘轴系统，得到刚性盘左右两端传递矩阵为：

将轴段与刚性盘合成一个综合轴段，其轴段左右两端传递矩阵为