一種智能銑削電主軸在線主動式切削顫振抑制系統及方法與流程

2023-04-23 14:19:56

本發明高端工具機智能化部件技術領域，涉及智能電主軸領域，具體為一種智能銑削電主軸在線主動式切削顫振抑制系統及方法。

背景技術：

近幾年來，隨著制約高速加工技術應用的高速工具機技術尤其是高速主軸技術等的不斷發展，已經使得高速銑削加工技術越來越多地應用到實際加工中來。高速銑削加工技術一方面可以大大提高工件材料的切除速度、提高加工效率，從而獲得更好的經濟效益；另一方面也可以在保證高加工效率的前提下，選用較小的切削深度和進給速度，從而減小切削力，進一步地可以減少刀具的磨損、工件的加工變形以及獲得較好的加工表面質量等。

然而，在實際加工過程中，制約銑削加工效率的另外一個因素是銑削加工過程中的顫振現象。顫振現象的發生是由于振動引起的切削層厚度的非周期性變化進一步引起了切削力的非周期性變化進而導致切削過程系統的不穩定。銑削顫振的發生會在加工表面產生振紋，嚴重影響工件的加工表面質量，同時也會加劇刀具的磨損甚至影響工具機主軸部件的使用壽命，因此需要對顫振現象進行抑制和消除。

由於銑削顫振的發生主要與銑削加工參數以及工具機主軸的動態特性有關，因此目前常見的顫振抑制的方法主要有兩類：一類是控制銑削參數，包括變轉速加工、切削參數的自適應調控等；另一類是控制工具機主軸的動態特性，主要通過顫振抑制調控機構，改變主軸系統的阻尼等來改變銑削穩定域區間從而抑制顫振的發生。其中，前者在實際應用過程中由於切削參數的改變會引起切削力較大的變化，對主軸系統造成衝擊，同時也難以實現無顫振條件下的最大加工效率；後者利用阻尼來抑制顫振，包括主動式和被動式兩種方式，但由於阻尼大小難以精確控制，因此很難實現對主軸系統進行精確 的調控來抑制顫振的發生。

技術實現要素：

針對高速銑削加工過程中存在顫振現象的問題，本發明提供一種智能銑削電主軸在線主動式切削顫振抑制系統及方法，能夠在不改變切削參數，即在保證既有的加工效率的情況下，通過改變主軸系統的動態特性，進而抑制顫振的發生。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種智能銑削電主軸在線主動式切削顫振抑制系統，包括依次連接的傳感部分、控制器以及顫振抑制調控裝置；傳感部分包括安裝在主軸前端用於測量主軸徑向位移的非接觸式電渦流位移傳感器、用於採集電渦流位移傳感器的位移信號並將位移信號轉換為加速度信號的信號採集器；控制器用於根據信號採集器輸出的加速度信號，輸出控制電壓信號到顫振抑制調控裝置；顫振抑制調控裝置包括功率放大器和主動式電磁軸承；主動式電磁軸承包括轉子鐵心和定子鐵心；轉子鐵心安裝在主軸的前端；定子鐵心上繞有銅線圈；功率放大器用於將收到的電壓信號轉換為控制電流信號，其輸出端分別與銅線圈連接。

優選的，所述的信號採集器實時採集位移信號，對位移信號進行低通濾波和微分處理後，將位移信號轉換為加速度信號。

優選的，所述的定子鐵心與轉子鐵心分別由矽鋼片疊加而成的；轉子鐵心與主軸過盈配合，定子鐵心及銅線圈安裝在主軸殼體上。

優選的，所述的銅線圈纏繞在定子鐵心上，形成磁極，每相鄰兩個磁極上的銅線圈串聯，且繞向相反，形成一個磁極對；定子上均勻分布八個磁極，形成四個磁極對，用於產生水平和豎直方向的力。

優選的，共設置有兩個電渦流位移傳感器；兩個電渦流位移傳感器垂直分布，且與磁極對產生電磁力的方向一致。

一種智能銑削電主軸在線主動式切削顫振抑制方法，包括加工過程中顫振的識別及抑制兩個步驟；

顫振識別時，利用非接觸式的電渦流位移傳感器直接測得加工過程中主軸前端的徑向位移；利用信號採集器對位移信號進行採集並轉換為加速度信號；對加速度信號進行分析，判斷顫振是否發生，若顫振發生則進行顫振抑制步驟；

顫振抑制時，利用主動式電磁軸承的精確可控性，通過改變輸入主動式電磁軸承定子上的電流，實現主動式電磁軸承支撐參數的精確調控，改變銑削加工過程中的穩定切削區間範圍，實現不改變切削參數條件下的顫振抑制。

優選的，顫振的識別具體步驟如下，

安裝在主軸前端的電渦流位移傳感器實時地檢測加工過程中銑削電主軸前端的徑向位移，並利用信號採集裝置對位移信號進行採集，同時，對採集到的位移信號進行處理，通過低通濾波及微分處理，最終將位移信號轉換為加速度信號；將轉換後的加速度信號輸入到控制器中，對加速度信號進行如下的功率譜分析；

計算加速度信號功率譜的能量總值

計算加速度信號功率譜中主顫振頻率附近的能量值

計算主顫振頻率附近範圍內的能量值在加速度信號功率譜能量總值中所佔的比例

將λ與閾值λ0進行比較，若λ≥λ0，則判斷顫振發生，進行顫振抑制的步驟；若λ＜λ0則判斷無顫振發生，控制器無動作；

其中，fa、fb為加速度信號功率譜的頻率範圍區間；fc1＝0.8fc，fc2＝1.2fc，fc為主顫振頻率，等於主軸刀具系統的一階固有頻率，由模態實驗獲得；閾值λ0根據切削試驗獲得。

優選的，顫振的抑制具體步驟如下，

當檢測到顫振的發生時，控制器向功率放大器輸出控制電壓信號，控制電壓信號經功率放大器放大後轉換成控制電流信號，輸入到繞在定子鐵心上的銅線圈中，使得每對磁極產生對應大小的電磁力；電磁力的大小表徵了主動式電磁軸承的支撐剛度，而電磁力的大小由輸入到線圈中的控制電流電磁的大小控制；通過改變主動式電磁軸承的支撐剛度，改變銑削電主軸系統的動態特性，使得切削過程從顫振不穩定區域變為穩定切削區域，從而抑制顫振的發生。

與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：

本發明提供的一種智能銑削電主軸在線主動式切削顫振抑制系統，引入了主動式電磁軸承作為顫振抑制調控裝置，相當於給銑削電主軸引入了一個輔助支撐，提高了軸系總的支撐剛度，能夠提高主軸系統的臨界轉速，更有利於高速加工；同時配合用於控制主動式電磁軸承的傳感部分和控制器，能夠實現銑削加工中顫振的在線自調控，具有響應速度快，可精確調控的優點；可以實現對主軸動態特性的精確調控，從而改變切削穩定域的分布，進而抑制顫振的發生，實現銑削電主軸的智能化。

本發明所述方法以最大銑削加工效率為目標的，通過實時地獲取切削過程中主軸前端的振動信息，實現顫振的在線識別。利用主動式電磁軸承的精確可控性，將其作為顫振抑制調控裝置，安裝在主軸前端。當顫振被識別時，控制器下達控制指令到顫振抑制調控裝置，通過控制改變軸承的支撐特性來實現主軸系統動態特性的在線調控，實現切削過程由顫振不穩定變為穩定切削，從而保證在不改變切削參數條件下的穩定加工，保證最大的切削效率和精度。

附圖說明

圖1為本發明所述系統的結構原理示意圖。

圖2為圖1中主動式電磁軸承處的橫截面結構示意圖。

圖中：1為刀柄，2為主軸，3為定子鐵心，4為轉子鐵心，5為前軸承組，8為後軸承組，6為內裝電機的定子，7為內裝電機的轉子，9為電渦流位移傳感器，10為信號採集器，11為控制器，12為功率放大器。

具體實施方式

下面結合具體的實施例對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。

如圖1所示，本發明一種智能銑削電主軸在線主動式顫振抑制系統包括傳感部分、控制器、顫振抑制調控裝置。傳感部分包括非接觸式的電渦流位移傳感器9和相應的信號採集器10，其中，電渦流位移傳感器9共有兩個，成90°角分布，用來採集主軸2前端徑向的實時位移，同時信號採集器10可以對位移信號實時採集，並可以對信號進行低通濾波和微分處理，將位移信號實時採集並進行處理轉換成加速度信號。

控制器11用於根據信號採集器10輸出的加速度信號，輸出控制電壓信號到顫振抑制調控裝置。通過實時地獲取切削過程中主軸2前端的振動信息，實現顫振的在線識別。

顫振抑制調控裝置包括功率放大器12和主動式電磁軸承。其中主動式電磁軸承包括兩部分：由矽鋼片疊加起來並套裝在主軸2上的轉子鐵心4和繞有銅線圈的由矽鋼片疊加起來的定子鐵心3。其中，轉子鐵心4與主軸過盈配合，安裝在主軸2的前端。

具體的主動式電磁軸承的結構及電渦流位移傳感器9的安裝位置如圖2所示。該主動式電磁軸承共有八個磁極，每兩個磁極上的線圈串聯形成一個閉合的磁場迴路，進一步地對主軸產生水平和豎直方向上力。

一種智能銑削電主軸在線主動式顫振抑制系統搭建在銑削電主軸上。該銑削電主軸包括安裝在銑削電主軸上的帶有刀具的刀柄1、銑削的主軸2、 前軸承組5、電主軸上內裝電機的定子6和轉子7和後軸承組8。優選的，前軸承組5和後軸承組8的軸承類型為角接觸球軸承，

本發明一種智能銑削電主軸在線主動式顫振抑制方法主要包括顫振的識別和顫振的抑制。

其中，顫振的識別利用安裝在主軸前端的電渦流位移傳感器9實時地獲取加工過程中銑削電主軸前端的徑向位移，並利用信號採集裝置10對位移信號進行採集，同時，對採集到的位移信號進行低通濾波及微分處理，最終將位移信號轉換為加速度信號；將轉換後的加速度信號輸入到控制器11中，對加速度信號進行功率譜分析；

計算加速度信號功率譜的能量總值

計算加速度信號功率譜中主顫振頻率附近的能量值

計算主顫振頻率附近範圍內的能量值在加速度信號功率譜能量總值中所佔的比例

將λ與閾值λ0進行比較，若λ≥λ0，則判斷顫振發生，進行顫振抑制的步驟；若λ＜λ0則判斷無顫振發生，控制器無動作。

其中，fa、fb為加速度信號功率譜的頻率範圍區間；fc1＝0.8fc，fc2＝1.2fc，fc為主顫振頻率，等於主軸刀具系統的一階主頻率，由模態實驗獲得；閾值λ0的確定需要根據切削試驗，通過對比分析無顫振切削和顫振切削情況下主軸2前端的加速度信號功率譜來進行設定。

當檢測到顫振的發生時，系統進行顫振抑制。控制器11向功率放大器12輸出增量控制電壓信號，增量控制電壓信號經功率放大器12放大後轉換成控制電流信號輸入到繞在定子鐵心3上的銅線圈中，直到由顫振識別過程識別到無顫振現象發生。

具體地，通過輸入控制電流信號到繞在定子鐵心3上的銅線圈中，使得每對磁極產生對應大小的電磁力；而電磁力的大小表徵了主動式電磁軸承的 支撐剛度，而電磁力的大小由輸入到繞在定子鐵心3上的銅線圈中的控制電流的大小決定；通過改變主動式電磁軸承的支撐剛度，改變銑削電主軸系統的動態特性，使得切削過程從顫振不穩定區域變為無顫振穩定切削區域，從而抑制顫振的發生。