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1、数控机床切削颤振状态监测与控制技术 工具技术 赵中敏1 ，王茂凡2 1 淮海工学院；2 亚翔系统集成科技( 苏州) 股份有限公司 摘要：针对数控机床加工过程中切削颤振的现象，通过对机床的在线监测，将采样出的加速度信号进行数据 处理，提出一种0 法作为判据的方法来判别颤振是否发生，并通过监控计算机对主轴箱和进给箱进行调控，达到抑 制颤振的方法。该监控系统通用性强。所用设备少，具有可行性，从而为提高加工效率提供可循的加工依据。 关键词：数控机床；切削颤振；0 法；在线监控；控制 中图分类号：T G 5 0 2 3 6文献标志码：A A p p l i c a t i o no fC N CC u
2、t t i n gC h a t t e rM o n i t o r i n ga n dC o n t r o lT e c h n o l o g y Z h a oZ h o n g m i n ，W a n gM a o f a n A b s t r a c t ：C N Cm a c h i n i n gp r o c e s so ft h ep h e n o m e n o no fc h a t t e r ，o n l i n em o n i t o r i n go fm a c h i n et o o l s w i l lb es a m - p i i n
3、 gt h ea c c e l e r a t i o ns i g n a lf o rd a t ap r o c e s s i n g ，p r o p o s e da0l a wa sac r i t e r i o nm e t h o dt od e t e r m i n ew h e t h e rt h eo c c u r - r e n c eo fc h a t t e r ，a n db ym o n i t o r i n gc o m p u t e ro nt h eh e a d s t o c ka n df e e db o xt oc o n t
4、r o l ，t os u p p r e s sc h a t t e ra p p r o a c h T h e m o n i t o r i n gs y s t e mv e r s a t i l i t y ，t h eU s eo f1 e q u i p m b n tl e s sf e a s i b l e ，S Oa st oi n c r e a s et h em a c h i n i n ge f f i c i e n c yo ft h ep r o c e s s a c c o r d i n gt of o l l o w K e y w o r
5、d s ：C N Cm a c h i n et o o l s ；c u t t i n gc h a t t e r ；0l a w ；l i n em o n i t o r i n g ；c o n t r o l 1引言 在数控机床的切削加工过程中，刀具及切削状 态和工件加工质量直接相关，机床的切削颤振始终 是高速、高精和高柔性数控加工的主要制约因素之 一。重载、高速加工中颤振诱发的振动，严重地影响 了工件的表面质量和尺寸精度，为了使机床在切削 加工过程中尽可能处于连续的高效稳定工作状态， 因此要对切削状态进行实时监测与控制。 2 切削颤振监测信号的选择 当机床发生颤振时，振动信号与
6、动态切削力信 号之间的相关关系增强，在时域上幅值增大i 在频域 上主频带由高频带向低频带移动，功率谱密度的最 大值显著增大并且模态阻尼比剧烈下降。因此，人 们用于切削颤振监测的信号主要有：切削力信号，刀 具与工件之间的振动位移信号，车床尾架、刀架以及 铣床主轴的振动加速度信号，切削位置附近的振动 声音信号，反映工件加工表面波纹的光纤信号，反应 切削力变化的主轴驱动电流信号等。 在检测颤振所采用的几种信号中，最准确的 是测量分析已加工表面的表面质量。但是该测量 方法已经对工件造成伤害，而且由于其他随机因 收稿1 3 期：2 0 1 1 年1 2 月 素的影响，该测量结果对后续的加工指导意义不 大
7、。检测加工过程中的切削力信号，虽然实际操 作复杂，所需设备昂贵，但由于它与切削振动之间 有着紧密的联系，直接反映了刀具和工件之间的 相对运动。与加速度等振动传感器相比，受外界 干扰较小，对于颤振的发生检测比较准确。所以 本文根据切削速度和进给量对动态切削力显著影 响的特点，引用特征信号0 法进行信号识别，提出 速度型动态切削力的表达方式，对速度型切削颤 振进行计算机在线监控与控制。 3 特征信号的提取 对颤振机理的研究为颤振的识别、预报与控制奠 定了良好的基础。切削颤振的预报要及时、可靠，即 在颤振尚未发生之前就要发出预报信号，同时不产生 误报、漏报现象；还要兼顾实用性，即通用性要强，所 用设
8、备要少。在众多的方法中，有分别对各种颤振类 型“对症下药”的；有不论颤振机理如何，仅仅为控制 颤振的切削效应而采取适当措施的；也有综合考虑数 种颤振的切削效应而进行颤振识别、预报与控制的。 下面从通用性强，所用设备要少这个角度说明数控机 床切削颤振的在线监控方法一0 法。 切削加工过程中颤振的形成和发展具有三个不 同的过程，即稳定切削过程、过渡过程和稳定的颤振 过程。在稳定切削过程中，动态切削力凡较小，其值 万方数据 2 0 1 2 年第4 6 卷N o 4 并不规律，如图l 所示，而当处于稳定颤振态以后，它 却非常有规则，呈现明显的周期性，如图2 所示。 F d ( f ) 、八、入八八】厂
9、 VVV VVV f 图1 稳定状态 肌| nI 1h 八。| n 一 沙V y “ 、l 一 图2 颐振状态 设尺为n 的每秒穿越零值次数，Q 为凡的每 秒峰值和谷值次数之和。由于稳定切削过程中凡 信号为随机信号，0 = R Q 1 ，而颤振过程中0 = R Q l ，因此可以根据这一特性进行颤振识别和预 报。实际应用时取 2 Z ，z ( t i ) 一2 羞z ( t 。) ( t 。一1 ) z ( t ；) 一z ( t 。) 日= _ 盐_ 上L 一 2 Z z 7 ( t 。) 一2 z ( t 。) Z ( t i I ) 一Z 7 ( t 2 ) 一Z ( t 。) I2 l
10、2 I 式慨，= 描五s ，扎 z ，( f i ) ：f 1 F d ( 。- ) 一F d ( t 一1 ) o i ：2 ，3 ，n L OF d ( t i ) 一于。d ( t i 一1 ) 0 假如设置门限值p 为0 8 5 ( 一般取为0 8 0 9 ) ，则当实际口值超过该门限值时控制系统就 “报警”，发出控制信号，并通过调节主轴箱和进给 箱来控制颤振的发生。 4 模式识别过程 工况监视与故障诊断就是对工况状态的识别。 对状态的判别与分类，是模式识别的主要内容之一。 “模式”是对客观事物的描述，“识别”就是对客观事 物按其特征进行分类。这里主要借助计算机判断， 计算机可以模拟并
11、延伸人的思维能力，它是人工智 能的重要组成部分。 机械加工过程监视与诊断的要求和模式识别的 一般原理，把整个识别系统分成分析阶段和实现阶 段。模式识别过程可概括如图3 所示。 信号预处理：因为检测信号一般都是随机信号， 故需进行预处理，包括必要的统计检验，剔除野点， 8 5 确定信号范围( 边界) ，由于噪声干扰，有时尚需进 行平滑处理。 图3 模式识别过程 特征分析：应用有关信号处理方法，将模拟信号 转变为特征量，并研究特征量与状态间关系，达到去 伪存真目的，它是进行状态分类最关键的一步。 特征量选择：在特征分析基础上，选择规律性 强，对状态变化反映敏感的特征量作为模式向量，达 到去粗取精的
12、目的。 自学习( 训练) ：根据所选择的模式样本集，在 有人或无人指导下，构造分类判别函数，使对所有模 式样本集分类良好。它能向分类器提供判别函数的 结构及参数。 特征量计算：当特征分析、特征量选择、自学习 ( 训练) 完成后，按特征量选择所提供的特征量类 型，从预处理信号中计算用作分类的模式向量，并送 至分类器。，。 分类器：按自学习( 训练) 所确定的判别函数的 结构形式及参数，并从特征量计算提供的模式样本 实现分类，达到识别的目的。 5 机床颤振在线监测与控制 根据机床颤振的非线性理论，机床颤振的振幅 对于切削用量有极其敏锐的依赖关系。切削颤振发 生后，只要适当改变切削速度或增大进给量，
13、即可有 效地抑制颤振。因此，在切削过程中，计算机一旦识 别出颤振即将发生的预兆，即可迅速启动控制系统， 调整切削用量，从而把颤振消灭在孕育阶段。 机床颤振的计算机在线监视与控制系统如图4 所示，该系统具有以下功能： ( 1 ) 在线监视机床颤振预兆。机床刀具三向加 速度传感器经滤波放大器和信号采集处理分析仪馈 人计算机，通过A D 转换得到数据序列，上述对策 进行计算和判断，一旦出现颤振预兆，立即报警并启 动控制系统。 ( 2 ) 在线调整切削用量。颤振预兆出现后，计 算机按预定的控制策略，通过计算机的计数器定时 器电路C T C 调整进给量，或通过并行输入输出接口 P I O 调整主轴转速(
14、 即切削速度) 。 万方数据 8 6 ( 3 ) 在线显示切削过程的状态。计算机的结果 送到显示器C R T 中能够显示p 变化情况，以及颤振 报警。 采用上述在线识别方法监视颤振的预兆，并通 过改变主轴转速或进给量来抑制颤振的发展，保持 切削过程的稳定性，效果极其明显。 步进 电机 丰 轴 箱 进给箱 步进电 机电源 二向加速度 传感器 光电隔离 及按形 鲨H 兰竺兰H ! 竺H 盏量 图4 状态监控系统框图 5结语 为了能够更快速、准确地判断、预报和控制颤 振，颤振监测技术还须从研究新型传感器，提高传感 器测量精度和响应速度，采用多传感器智能融合技 工具技术 术，更好地监测切削系统的动态变
15、化；应用先进算 法，实现对测量数据快速、精确的处理与分析，满足 迅速判断颤振的需要；将人工智能方法引入切削颤 振的研究中，使整个颤振检测、控制系统具有自适 应、自学习的能力，并能更好地适应切削过程的实际 工作状况，增加检测、控制系统的通用性。 参考文献 1 杨楠，唐恒龄，廖伯瑜机床动力学( I ) ( I I ) M 北京：机 械工业出版社，1 9 8 3 2 刘习军机床速度型切削颤振的非线性研究 J 振动与 冲击，1 9 9 9 ，1 8 ( 2 ) ：5 9 1 3 李宝灵，高尚晗，高中庸，等金属切削过程中自激振动 的实验分析 J 机械制造，2 0 0 4 ，8 ( 1 9 ) ：4 9
16、5 1 4 汤爱君，马海龙机床再生颤振系统研究现状的综述 J 机床与液压，2 0 0 7 ，3 5 ( 8 ) ：2 2 3 2 2 5 5 黄毅，王太勇，张莹，等机械系统中摩擦颤振机理的非 线性分析 J 中国机械工程，2 0 0 8 ，1 9 ( 1 4 ) ：1 6 7 7 1 6 8 0 第一作者：赵中敏，讲师，淮海工学院工程训练中心，江 苏省连云港 F i r s tA u t h o r ：Z h a oZ h o n g m i n ，L e c t u r e r ，E n g i n e e r i n gT r a i n - i n gC e n t e r ，H u a
17、i h a i I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y ，L i a n y u n g a n g 2 2 2 0 0 5 ，C h i n a 美媒：高端机械提升“中国制造“ 形象 位于湖南中部的三一集团计划走向全球。当穿戴蓝色 工作服和黄色安全帽的工人们在起重机和搅拌车上忙个不 停时，该公司总裁唐修国正讨论在巴西、印度和美国开设分 厂和即将收购德国的世界最大混凝土机械制造商事宜。唐 的目标是5 年内使该公司海外销售收入份额由目前的5 提 升至2 0 。 一提起“中国制造”，人们就想到廉价鞋、塑料玩具和富 士康组装的电子产品。尽管中国强大的出1 3
18、 工业建立在此 类轻工基础上，但它正迅速发生变化。不断上升的劳动力成 本和逐渐升值的人民币，使廉价制造业模式面临新压力。英 国资本经济公司认为，“中国在世界低端出口市场中的份额 已开始下降。中国制造商正转入利润更高的行业而非坐以 待毙。” 中国造船业去年以4 1 的份额在全球市场独占鳌头。 联合国和世贸机构的数据表明，中国铁路机车、车厢、机械和 工业锅炉的全球份额显著增长。在建筑机械方面，包括三一 集团在内的3 家中资企业在全球1 0 大同类公司中排名靠 前。许多中国新出口商的生产基地位于中国内地而非制造 业传统地区的沿海。 重工业在中国出口中的份额由2 0 0 1 年的2 9 上升至去 年的
19、3 8 7 ，已超过轻工业和电子产品，机械类产品在重工 业中的比重约为2 3 ，正在生产各种科技含量和售价更高的 产品。业内人士预测，“典型的中国出口商已不再是广东的 鞋厂，而是某种设备或机械制造商。” 世行前首席中国经济师高路易表示，欧美日在中国总出 口中的比重已由2 0 0 3 年的5 6 1 下降至去年的4 8 。中国 机械制造商正将目光转向印度、南美和中东。中国的技术和 产品水平更适合这些国家，价格也稍低于国际品牌。 中国的新制造商尚未在发达市场展开竞争，但已对卡特 彼勒、西门子、通用等老牌设备制造商形成挑战。中国的建 筑机械产业有望很快超越日德，使中国成为该领域仅次于美 国的第二大出口国。唐说：“我们知道中国制造的声誉不 够响亮。我们希望借助于出售高质量产品改变这种现状。” 万方数据