（机械电子工程专业论文）数控粗加工过程中的机电动态特性研究.pdf

摘要在制造技术中，数控粗加工是提高加工效率和经济性的重要步骤。数控粗加工通常采用大切削深度和进给量，因此加工过程的动态性能比传统粗加工要复杂很多。改善数控粗加工的切削性能，提高加工效率一直是粗加工领域追求的目标。本文首先针对数控粗加工过程的特点及其稳定性影响因素进行了分析，建立了粗加工再生型颤振的模型，通过粗加工切削过程的运动方程分析了粗加工过程的稳定性。粗加工颤振的预报与控制也是当前研究的一个重点，本文通过一种利用时域波形的不规则系数对颤振预报方法进行了初步的探究。切削过程中存在着稳定、临界和颤振三种可能。本文通过建立一个模拟的切削颤振信号，通过颤振信号处理方法的研究对这个颤振信号进行了仿真处理，着重分析了信号方差和互相关数的描述意义和影响因素。仿真结果表明，随着信号由平稳向颤振状态过渡，信号的方差和互相关系数都相应地发生较大的变化，对颤振信号有较好的反应能力。针对数控粗加工的特点，对粗加工再生型颤振的运动方程进行了仿真，通过不同切削深度的仿真实验探求切削深度对系统颤振产生的影响。同时通过仿真来研究了切削用量三要素与颤振产生之间的关系。数控粗加工机床伺服系统的三环设计关系到机床伺服系统的动态和稳态性能。本文结合粗加工过程对伺服系统电流环、速度环要求较大的特点，进行了粗加工条件下的三环设计。通过仿真结果表明，合适选择并确定电流调节器参数，可以在保证响应快速性的前提下抑制电流响应超调；合理选择速度环调节器参数，可使系统在保证快速响应的前提下防止振荡与超调；将位置环等效为一阶惯性环节可以满足系统需要。最后介绍了模糊控制器设计的基本方法，并结合数控粗加工进给伺服系统稳定性受位置环增益大小影响的特点，将模糊控制p i d 调节器引入伺服系统的位置环，以适应数控粗加工过程的时变、大干扰、非线性等特点。仿真结果表明，模糊p i d 比常用p i d 控制具有更强的鲁棒性和抗干扰能力，可以在粗加工中获得更大极限切削宽度，使数控机床伺服系统具有优良的动态特性。关键词。数控粗加工颤振仿真伺服系统模糊控制a b s t r a c ta b s t r a c ti nm a n u t u r i n gt e c h n o l o g y t t l er o u g l ln c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) i s 觚i i n p o r t a n ts t e p 、对k c hc 跚i m p r o v et 1 1 ee m c i e n c y 觚de c o n o r n y0 f 也ep r o c e s s b e c a u s e0 f 伧l a r g ed e p t l lo fc u ta n dl 鹕ef e e dm t ei l lr o u g l ln c ，t l l ed y n 锄i cp e r f o m a n c ei i lt l l ep r o c e s si sm u c hm o 阳c o m p l e xt i l a l lt h a ti n 仃a d i t i o n a lr o u g l lm a c l l i l l i n g t 0i i n p r o v e也ec 删n gp e r f l o m a i l c eo fr o u g t ln c 觚dt 0e m l a r l c et t 屺e 伍c i e r l c yo fp r o c e s sh a v eb e e nt ：h eg o a lw m c hi sa l w a y sp u r s u e di nt l l ef i e i do fr o u g l lm l l i i l i n g i i lt 1 1 i st h e s i s ，t l l ef e a t u r e so fr o u g l ln cp r o c e s s 趾df 如t 0 瑙a f f c c t i n gm es 诎i l i t ) r袱躺a 脚y z e d ；ar o u g l lr e n e 谢b l ec h a n e rm o d e l 、v 嬲b u i l t ；觚db yu s i n gt h ee q u a t i o no fm o t i o ni nt ：h er o u g l lm 量l i l l i n gp r o c e s s ，t l l e 嘲b i l i 哆o f l ep r o c e s sw 嬲a l s o髓a l y z e d 1 kf 0 r e c a s t i n g 觚dc o n 仃o lo fr o u 曲m a c h i i l i n gc h a 钍e ri sa l s 0 吼i m p o n 觚tf o c u so fc 硼r e mr e s e a r c h b yu s i n g 觚i 玳g u l a rc o e 伍c i e n to fat i m e d o m a i l lw a v e f 0 册，ap r e l i m i n a r yr e s e a r c hi n t 0t h ef o r e c a s to ft h ec h a t t e rw 嬲m a d e t 1 1 e r ea 化t h 呛ep o s s i b i i i t i e si i lt i 心c 0 u t o fc l m i n g ，t i l a ti s ，s t a _ b l e ，c r i t i c a la n dc b a t t e r i nt 1 1 i st 1 1 e s i s ，锄锄a l o gs i 掣l a lo fc u t t i n gc h a t t e rs i g n a lw a se s t a _ b l i s h e d 、) l ，_ i l i c hw 嬲s i i i l u l a t e do nt l l eb a s i so ft h er e s e a r c ho ni t sp r o c e s s i n gm e t h o d s a n dm ef o c l l sw 嬲o n 撒a l y z i n gt i l es i g i l i f i c a l l c eo fd c s c r i p t i o n 锄dt h ei i i l p a c to ff a c t o r sa _ b o u tt l l es i 擘删v a r i 趾c e 锄ds e v e r a lc o r 他l a t i o nc o e f f i c i e n t s t h es 而u l a t i o n 聆s u l t ss h o wt l l 她、航也t ：h es i 擘皿a l 仃a n s n sf r o l mt l l es t a t u so fs 瑚1 0 0 mt oc t 掇t t e r 也es i 窖乒l a lv a r i 觚c e 趾dc o r r c l a t i o nc o e m c i e n t sh a v ec o n e s p o n d i n gc h 觚g e s ，孤l dm e 孤m ，h i l et i l ec h a n g e sh a v eab e t t e r 他s p o n t ot t l ec h a t t e rs i 割i a l i i la d d i t i o n 嬲r d i n gt 0t l l ec h 蜀吸i c t e r i s t i c so fu g i ln c ，t l l ee q 嘁i o nw k c hw 鹤a _ b o u tm em o t i o no ft l l er o u g l l 托n e w a b l ec h 砷衙w 弱s i i i l u l a t e d b 勰eo nv 撕o u ss i i i l u l a t i o ne x p e r i m e n t so nd i 侬i r e mc u t t i n gd e p t l l t l l ei n l p a c t w k c hw 弱m a d eb yt l l ec l l ：t t i i l gd e p t l l ，伽t l l ec h a ：t t e ro f 也es y s 咖w 弱e x p l o r e d ；出l db ys i m u l a t i o 玛m er e l a t i o n s t l i pb c 铆nt 1 1 ec u t t i n g 锄o u n to f l r e l e m e n t s 跚dc h a n e rw a ss t u d i e d t h em r 1 0 0 pd e s i 瓯o fc n c ( c o m p u ：t e rn u m e r i c a lc o n 协d 1 ) r o u g hm a c m 鹋t 0 0 l os y s t e mi sr e l a t e dt 0t l l ed y n 锄i c 鲫ds t a t i cp e r f 0 m l a n c e0 fm a c m n et 0 0 ls e r v os y s t e m b 舔e do nt l l el a r g er c q u i r e m e n t so fc u l l r e n tl o o p 锄ds p e e dl o o pi i lm er v 0s y s t e m sd u r i n gr o u g hm a c h i n i n gp r o c e s s ，a 慨e l o o pd e s i 印w 弱m a d e 岫d e rn l ec o n d i t i o 璐o fr o u g hm a c l l i n i n g t h es i h m l a t i o nr e s u l t ss h o w ：f i r s t l y m er i 星蛳c h o i c e 锄dd e t e m i n a t i o no nt l l ep a 鞠m e t e 路o fc u r r c m 坞g u l a t i o nc a n s 蛐c u t e n t 他s p o 嬲ef r o mo v e 塔h 0 0 t i n gu n d e rt l l ep 陀m i s eo fe n s i i r i n gr 蜀i p i dr e s p o n s e ；s e c o n d l y r e a s o n a b l ec h o i c eo fs p e e dl o o pr e g u l a t o rp a r a m e t e r sc 锄p 豫v e n to s c i l l a t i o n 舡l do v e r s h 0 0 tu i l d e rm ep 陀m i o fe n s 谢n gr a p i dr e s p 0 啮e ；t l l i r d l y t l l e 鹏e d so fs y s t e mc 髓b em e ti fp o s i t i o n1 0 0 pi se q u i v a l e n tt 0m ef i r s ts e s s i o no fi n e r t i a f i n a l l y t i l eb 嬲i c 印p r o a u c ht 0t l l ed e s i 四o f 丘屹巧c o n t i 0 l l e r 、v 勰砷的d u c e d ；b e s i d e s ，u n d e rt l l ec o n d i t i o nt i l a tt i l es t a b i l i 够o fr o u g t ln cf e e d r v os y s t e mw 鲢i i l - f l u e i l db yt l l es i z eo fp o s i t i o n1 0 0 pg a i n ，如z z yc o n l lp i dr e g u l a t o rw 勰i n 仃0 d u c e dt 0t l l ep o s i t i o nl o o ps e r v os y s t e m st oa d a p tt ot l l ec h a m c t c r i s t i c s0 ft i m e - v 哪i n g ，t l i ei n t e r f e 豫n c e ，如dn o n - l i n e 盯d u r i n gr o u g i ln cp r o c e s s t h ei i硕士学位论文二- 一一一一蚴u l a t i o n s u l t ss h o wn l a t 舵巧p i di sm o r er o b u s t 锄dl l a sm o 地a n t 嘞m m i n ga b l l i 桫t l l 锄c o 伽m o np i dc 0 曲0 l ，舭di tc 锄g e tg r e a t e r l i m i tc 础i n g 、i d t i li nr o u g hm a c n i m n g ，t l l e r e f o r e ，m a c h i n et o o ls e os y s t e mc a nh a v ee x c e l l e n td v 瑚m i cl ( e y w o r d s ：r d u g l ln c ；c h a t 研；s 删撕锄；s 哪os y s 胁：f u 到踟1 们u e rn i硕士学位论文第1 章概述1 1 数控粗加工研究的背景和主要内容随着科学技术的飞速发展，在汽车、航空等工业领域中，复杂形状的零件越来越多，零件的精度要求也越来越高。此外，由于对工业产品的需求不断增加和市场竞争不断激烈，如何提高加工效率，是需要解决的首要问题。传统的加工设备和制造方法虽仍有着很大的市场，但却已经难于适应现状。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，具有高精度、高效率等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。数控技术的广泛应用，大大提高了产品的加工效率、加工精度和加工速度。由于数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低已经成为衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，因此，实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向【卜2 】。工业产品中，很多产品的外形一般是复杂曲面，它由多张不规则曲面构成，曲面之间的连接关系复杂，没有严格的几何连续性要求，相互之间不易建立拓扑关系。这种复杂曲面的加工一直受到国内外学者的广泛关注，如何提高曲面的加工效率和加工质量是制造业中的难题之一。目前，数控机床广泛地应用在曲面的加工中，有效地提高了曲面的加工质量和加工效率。曲面的加工一般分为粗加工和精加工两个阶段，粗加工主要任务是去除绝大部分加工量和为精加工留下较小的、均匀的加工余量；精加工的任务则是获得满足设计要求的加工表面。所以，精加工注重曲面的加工精度和表面质量，粗加工则更加关注加工效率。在曲面粗加工中，一般采用大切削量、较大的进给量和较小的切削速度来提高切削效率。数控曲面粗加工过程中较大的切削工艺参数必将引起很大的切削力，且其大小、方向也是经常变化的，从而极易引起切削过程中发生振荡，影响加工效率、加工精度和表面质量，有时甚至无法将加工进行下去。所以，若想最大地利用数控机床的加工能力，必然要研究数控机床的动态特性，研究数控机床的动态特性参数是如何影响机床的加工能力的。本文主要通过切削粗加工过程，对数控粗加工过程机电动态性能进行研究和探讨。第1 章概述本文研究的主要内容是：( 1 ) 数控粗加工颤振机理研究及在线预报与控制：本文将推导出粗加工再生型颤振运动方程和稳定性方程，以及极限宽度的表达式，并通过稳定性图对切削颤振进行定性分析；通过对切削振动的时域波形的分析，利用时域波形不规则系数对切削颤振进行预报。( 2 ) 数控粗加工颤振仿真与分析基于机床切削稳定、临界和颤振三种状态的存在性，创建一个模拟的切削颤振信号，在阐述对于颤振信号处理方法理论的同时对这个颤振信号进行仿真处理研究，分析信号方差和互相关系数的描述意义和影响因素。对粗加工再生型颤振的运动方程进行仿真，通过不同切削深度的仿真实验分析切削深度对系统颤振产生的影响。同时通过仿真来研究切削用量与颤振产生之间的关系。( 3 ) 数控粗加工伺服系统设计和动态性能分析分析数控粗加工对于伺服系统的特殊要求，并分析其在粗加工条件下的动态性能。通过对数控曲面粗加工中电流环、速度环和位置环的设计和仿真，分析系统的动态响应性能，研究其动态特性。( 4 ) 模糊自适应p i d 控制在数控曲面粗加工伺服系统中的应用研究将模糊控制引入到数控伺服系统中，结合粗加工的特点，设计出一个模糊p i d 控制器。通过对大切削量情况进行仿真，探求模糊p i d 控制和传统p i d 控制器对系统阶跃响应的区别，并对模糊p i d 控制的优点进行研究。1 2 数控粗加工研究的发展和现状1 2 1 数控粗加工颤振的研究现状自1 9 0 7 年美国学者f w t a y l o r 发表第一篇关于切削颤振的文章以来，学者们对切削颤振研究领域做了大量的工作。数控粗加工工件型面复杂，而粗加工主要注重加工效率，加工中的动态切削力较大，颤振产生的可能性相对要大很多。和其他切削颤振一样，数控粗加工的颤振机理研究内容大致也分为三方面：一是颤振机理与模型的研究主要包括颤振产生的物理原因、线性或非线性数学模型、稳定性条件等；二是颤振的在线监测与控制的研究，主要包括颤振预防的特征与2硕士学位论文判别、在线控制策略等。三是颤振抑制措施的研究，主要包括机床结构的设计与改进、减振装置的研制、切削参数的调整策略等；l 、颤振的产生机理与模型研究1 9 0 7 年f w t a y l o r 在阐述切削颤振产生的理论时认为：形成不连续切削的频率与工件、刀具或机床的传统机构中任一部分振动的固有频率相同，是引起颤振的主要原因之一【3 】。t a y l o r 理论开始了对切削过程中颤振的研究，但是他简单地将切削颤振归结为是由于切削断裂时力的作用，因而还不能完全反映切削颤振过程中复杂的物理本质。1 9 3 7 年苏联学者h a upo3i iob 在他写的一篇题为车削加工机床振动问题的文章中，用实验结果首先对t a y l o r 提出的切削单元体理论提出异议，并首先提出了自激振动的概念1 9 4 4 年苏联学者a m k ammphhu 在他的著作金属切削振动的研究中提出了负摩擦理论，认为切削力的主分力相对于切削速度的下降特性是产生切削颤振的主要机理之一。1 9 4 6 年该理论被英国学者n i l l d 所证实，并进一步提出了“摩擦型颤振1 9 5 4 年美国学者r s h a l l l l 提出了机床切削颤振研究的再生机理，认为颤振的产生是在有波纹的表面上进行切削而由波纹再生效应引起的。他将这种现象称为“再生型颤振 ，并认为再生效应是产生颤振的主要原因。同年，捷克学者j t l u s 哆在切削实验中发现，在机床切削系统发生颤振时，振动体在空间的振动轨迹不是一条直线而是一个空间封闭曲线，并据此建立了机床切削颤振的耦合理论，这种现象现在被称为“振型耦合型颤振 【4 】。日本学者土井静雄和加藤仁也在1 9 5 4 年提出的“滞后型颤振指出：“在实际切削过程中，由于切削力水平分力的瞬时变化相对于切削厚度的瞬时变化产生了时间上的滞后，这也是一种产生切削自激振动的原因。1 9 7 7 年，星铁太郎提出了混合型颤振的概念，认为混合型颤振是由再生效应和外部强制激励综合作用产生的【5 】。在对以上这些颤振类型的研究中，很多学者发现这些理论模型与实际的加工过程存在着一定的误差。随着对颤振机理建究的不断深入，很多学者利用非线性理论对颤振进行了大量的研究。3笫1 章概述华中理工大学杨叔子院士、师汉民教授等建立了机床颤振的非线性理论1 6 棚。q a b e c 等研究了切削颤振的混沌现象，并给出了系统出现混沌现象的条件【9 1 。天津大学的刘习军等提出了由刀架弹性子系统与工件弹性子系统在动态切削力耦合下的多自由度非线性力学模型【1 0 1 。迄今为止，得到国内外学者普遍认可的颤振主要是再生效应、振型耦合效应、滞后效应和负摩擦效应四种，其中再生效应和振型耦合效应被认为是最直接、最主要的两种激振机制。而非线性理论自身包含的线性十分复杂，已有的一些研究方法大多存在一定的局限性。2 、颤振的在线监测与控制研究颤振的在线监测和控制是指在切削颤振发生之前，在线监测系统对切削过程进行监测，一旦发现有颤振征兆后，采取措施控制颤振的进一步发展，及时避免颤振的产生。切削颤振的在线监测和控制的核心在于：切削颤振的在线监测方法和切削颤振的控制策略与方法。w 酗e d a 大学科学工程学院的m i y o s l l i 分别在时域方面利用“峰间距法 ( 间距指信号相邻两个峰值之间的距离) 和频域方面利用均方频率作为预报参数来对颤振进行预报，该方法计算比较简单，运算速度比较快，但存在需要设门限值和容易误判的缺点【l l 】。华中科技大学梅志坚、杨叔子等人根据切削过程即将发生颤振时振动信号在时域上幅值增大、在频域上主频带由高频带向低频带移动的现象，提出利用模式向量作为预报参数来判断切削过程中是否有颤振发生，其模式向量由信号的方差和自相关函数组成，该方法不易设定门限值，预报的准确性不高i 囝。吉林工业大学于骏一、周晓勤等人利用切削过程从稳定状态向不稳定状态过渡时振动频率由宽频向窄频过渡的特征，以振动信号为预报参数，此种预报参数的计算速度快，抗干扰能力强，但门限值不易设定，容易造成漏报和误报【1 3 l 。值得一提的是近年来，模糊理论和人工智能的发展，切削颤振的早期预报正朝着智能化方向发展。专家系统、人工神经单元和模糊识别的理论及方法在切削颤振预报中得到了应用，增大了预报系统的容错能力和判别速度。3 、颤振抑制措施的研究抑制颤振的方法有很多，传统的方法主要集中在切削用量的改变，如降低切4硕士学位论文削宽度和吃刀深度，离线调整机床主轴转速，进给速度等。这些调整方法带有一定的盲目性，且不能在线调整，严重影响生产效率。为寻求更有效的抑制颤振措施，当前在这个领域中进行的主要研究内容包括：在线变速( 主轴速度) 切削抑振、主动控制抑振、智能控制抑振等1 1 4 1 。主轴变速对颤振抑制的效果十分明显，这一点在理论和实践上已经取得共识，但在实践中的推广应用还存在实时变速实现的复杂性、变速时电机出现瞬时大电流等问题。切削颤振的主动控制就是采用反馈控制的原理，检出系统的某一状态量( 如切削力或位移) 的变动，然后把它与状态量同频率、同幅度但反相的控制量加到这个状态量本身或作相应变动后加在别的状态量上去。虽然主动控制在理论上已有相当的基础，但由于其结构实现的复杂性使得它不能很快被投入到实际应用中。智能控制是目前颤振抑制领域中的又一个热点，理论分析和实验结果表明了智能控制在颤振抑制中的具有一定的作用。但智能控制与主动控制同样存在结构难以实现的问题【1 5 嵋】。1 2 2 数控粗加工伺服系统的研究现状数控粗加工由于主要注重加工效率，因而切削用量和进给速度都比较大，在切削过程中的切削力也比较大，因此对伺服系统的电流环和速度环要求比较高，而位置环相对要求比较低一些。但是，随着高速切削和重型切削的发展，粗加工的加工精度大大提高，有的甚至能在粗加工阶段就能满足精加工的要求，而且对于曲面加工位置控制也要求较高，所以数控粗加工中位置环的设计也越来越被重视。同时，切削过程可能发生颤振的检测和抑制对伺服系统性能也有很高的要求。在颤振的在线监测和抑制过程中，要求伺服系统必须有较好的稳定性、较高的精度和较好的快速响应能力i 悖】。l 、伺服系统的发展概况伺服系统发展与伺服电机发展紧密相关，迄今为止主要经历了三个阶段：( 1 ) 、2 0 世纪6 0 年代，伺服电机驱动是以步进电机驱动的液压伺服马达或者以功率步进电机直接驱动，响应时间短，外形尺寸小但是发热量大、效率低、易污染环境、不易维修且不能满足高性能要求，其位置控制为开环控制。( 2 ) 、2 0 世纪6 0 - 7 0 年代，这一阶段是直流伺服电动机的诞生和全盛发展的时代，由于直流电动机具有优良的调速性能，很多高性能驱动装置采用了直流电第1 章概迷动机，伺服系统的位置控制也由开环系统发展成为闭环系统。永磁式直流电机有着控制电路简单、无励磁耗损、低速性能好的特点，但是有刷直流电机换向器、电刷易磨损，换向器会产生火花，限制了电动机的最高转速和过载能力，且无法直接应用在易燃、易爆的工作环境中。( 3 ) 、2 0 世纪8 0 年代至今，随着电机技术、电力电子技术、微电子技术、永磁材料技术及交流可调速驱动技术发展，永磁交流伺服技术得到了长足进步。交流伺服电机控制复杂和调速性能差等问题研究取得突破性进展，使得交流伺服电机逐步取代直流伺服电机，尤其在高精度、高性能要求伺服驱动领域。与其相应的伺服传动装置也经历了模拟式、数模混合式和全数字式的发展历程【2 。2 、数控伺服系统的技术发展( 1 ) 、永磁同步电机的发展永磁电机的发展同永磁材料的发展密切相关，目前永磁同步电机中广泛使用的永磁材料为钕铁硼( n d f e b ) 永磁，称为第三代稀土永磁。该永磁体性能高、价格低，使得永磁同步电动机体积减小，性价比提高，引起了国内外磁学界和电机界的极大关注，纷纷投入大量人力物力进行研究开发。目前正在研究新的更高性能的永磁材料有钐铁氮永磁、纳米复合稀土永磁等瞄】。为满足工程应用的需要，永磁同步电动机正向大功率化( 高转速、高转矩) 、高功能化和微型化方向发展。( 2 ) 、电力电子技术发展第三代电力电子器件的代表器件i g b t 性能更趋优良，容量不断提高，已取代g t r 、m o s f e t 成为伺服驱动器的首选功率开关器件，使伺服驱动器p w m开关频率提高到1 0 l 强i z 以上，从而实现了伺服驱动器的高频化，提高了系统的响应速度，而且对降低电动机噪声、减小转矩脉动极为有利，在性能上获得较大的改善。目前，新一代的智能功率模块( i p m ) 是集功率器件i g b t 、驱动电路、检测电路和保护电路于一体，实现过流、短路、过热、欠压保护，模块包含三相桥逆变器，从而使装置体积缩小，可靠性提高。( 3 ) 、微处理器技术的发展近年来包括t i 、m o t o r o l a 、a d 等大公司在内的许多d s p 厂商都相继推出了电机控制专用高速数字信号处理器( d s p ) 芯片。这类芯片都以d s p 处理器为核心，使用其高效的指令集，同时在片内集成了包括黜d 、p w m 等在内的6硕士学位论文电机控制接口电路，不仅简化了系统硬件电路，同时也提高了可靠性和性价比。d s p 的应用，使伺服系统模块化和全数字化的实现成为可能，同时为先进控制理论以及复杂控制算法的实现提供了有力的支持，大大提高了系统的柔性、精度和控制性能瞄】。同时由于可编程逻辑器件出色的二次开发能力和设计灵活性，在很多伺服系统中它们和d s p 结合在一起，d s p 作为主控器件，可编程逻辑器件作为扩展器件。这样可以根据用户不同要求，设计不同的标准接口。( 4 ) 、控制理论的发展交流调速理论包括矢量控制和直接转矩控制。直接转矩控制技术( d t c ) 是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型的高性能交流调速技术。这种技术运用空间矢量分析方法，采用定子磁场定向，根据参考转矩与真实转矩、参考定子磁链与真实定子磁链之间的差异直接选择定子电压矢量，达到直接控制转矩的目的。省掉了复杂的矢量变换，控制结构简单，转矩响应迅速，对转子参数不敏感。但存在的主要问题是低速时转矩脉动大m 5 1 。传统的数字p i d 控制是一种技术成熟、应用最为广泛的控制算法，其结构简单，调节方便，且不依赖于具体被控对象的数学模型，具有动、静态性能良好，稳态精度高的特点。但是传统的p i d 控制对于动特性复杂的控制对象，其一次整定出的p i d 参数往往不能达到最优。因此，在对传统p i d 控制方法进行改进的同时，还要不断研究新型控制算法，应用到交流伺服系统中网。现代控制理论的发展与应用，一定程度上弥补了经典控制理论对时变非线性随机系统无能为力的缺点，提出反馈线性化控制、滑模变结构控制和自适应控制等。但这些控制策略对被控对象具有一定的依赖性，不能从根本上解决复杂和不确定系统的控制问题。模糊控制、神经网络控制、专家系统控制、以及鲁棒控制和遗传算法等控制策略不依赖于对象的数学模型，为系统的智能化提供了依据。由于交流伺服控制系统的复杂性，以及对动、静态性能指标的高要求，使得单纯一种控制方法难以满足期望。所以将多种控制方法结合起来，应用到矢量控制和直接转矩控制理论当中，做到优势互补，这是取得高性能控制的有效途径1 2 7 2 9 】。7第2 章数控粗加工颤振机理研究及在线预报与控制第2 章数控粗加工颤振机理研究及在线预报与控制2 1 颤振的概念和特点在机械加工过程中，工艺系统会发生振动，即在刀具切削刃和工件上正在被切削的表面之间，除了名义上的切削运动以外，还会叠加上一种周期性的相对运动。切削振动会招致一系列不良的影响，有时甚至会带来相当严重的后果。尤其粗加工中，由于进给量和吃刀深度都比较大，必然引起较大的动态切削力，这些交变的切削力可能会促使刀具切削部分疲劳，引起崩刀、打刀，并且使机床和夹具的有关部位加速磨损、松动、丧失精度。振动往往成为机械加工中限制生产率提高的主要障碍之一。机械切削过程中发生的振动可分为强迫振动与自激振动两大类。强迫振动是机床内部的周期振源或由外界传入的振动对机床结构持续作用所激起的一种振动。自激振动是指在没有周期性外力的作用下，由系统内部激发及反馈的相互作用而产生的稳定的周期性振动，也称为颤振【3 0 】。粗加工的自激振动和其他机械加工自激振动一样，有如下特征：( 1 ) 、自激振动是在没有周期性外力的干扰下产生，但自激振动产生需要两个条件：第一，系统在平衡点附件的不稳定性；第二，有迫使系统的工作点略偏离平衡点的外界扰动。( 2 ) 、和自由振动相反，自激振动一旦被激起，其振幅会迅速上升。( 3 ) 、和强迫振动不一样，自激振动的维持与扩大并不需要持续的外加交变激励。( 4 ) 、稳态自激振动的轨线和周期与其运动的初始条件无关，这是它与无阻尼自由振动的重要区别。( 5 ) 、自激振动并不是“自给摄动”，在能量上它并不能“自给自足 ，而是必须依赖于外界的能量供给，以补充系统阻尼所造成的能量耗散，并扩大振幅。综上所述，自激振动是切削过程中工件和刀具之间自发产生的振荡。自激振动由非振荡性能源、调节系统和振动系统三个部分组成。如图2 1 所示。非振荡性能源供给自激振动系统所消耗的能量，具有反馈特性的调节系统将振动系统所矗硕士学位论文产生的交变运动变换为交变力，并反馈到振动系统，以维持振动持续进行。图2 1 自激振动系统f i g 2 ls e l 仁v i b r a t i o ns y 咖m引起机床自激振动( 颤振) 的原因大致可分为再生效应、切入效应、刀具工作角度动态变化效应、切削力下降特性、振型关联效应、大干扰、切屑不稳定等几种情况。2 2 再生型颤振2 2 1 再生型颤振的产生切削过程中，切削力有随切削速度上升而下降的特性。由金属切削原理知道，在切削塑性金属且切削速度较高时，切削力一般随着切削速度的提高而减小，当在切削力具有下降特性的速度范围内进行切削时，如果由于刀具和工件的相对振动，引起切削速度变化，则切削力将随之变化，从而产生了动态切削力。由于动态切削力存在，使得在切削过程中刀具和工件之间产生相对运动，从而导致上次切削所形成的振纹与本次切削的振动位移之间的相位差，使得刀具切削厚度的不同，并由此引起颤振。这种颤振就是再生型颤振，又称为切削厚度变化效应，它是一种典型的由于振动位移延时反馈所导致的动态失稳现象1 3 1 训。2 2 2 粗加工再生型颤振模型与精加工和强力切削一样，在普通机床上的粗加工工程中，最经常发生的一类自激振动是再生型颤振。根据实际的加工经验可知，在数控粗加工过程中，同样有一类振动的直接激励源来自于两次切削振纹之间的变化所引起的动态切削力，它和普通机床的粗加工是一样的。因此，可以用普通机床上的粗加工切削动态过程来得出数控粗加工的物理切削过程的动态模型。9第2 章数控粗加工颤振机理研究及在线预报与控制再生颤振由r s h a d l n ( 1 9 5 4 年) 首先提出，此后一大批研究者进行了大量的研究。其物理模型如图2 2 所示，其中，机床结构被简化成一个单自由度系统，切削运动由工件的自转与刀具沿工件径向的进给勋组成：勒在数量上又等于平均切削厚度。啪是刀具对于工件在水平方向的振动位移，即机床结构的变形，而尺f ) 是作用在刀具上的切削力。而图2 - 2 再生型颤振模型f i g 2 - 2m 0 d e lo f 哗n e r a t i v ec h a n 盯在平稳切削条件下，工件表面的厚度为勘的一层金属被均匀地切下，刀刃相对于工件的运动轨迹为阿基米德螺线，如图2 2 中细实线所示；此时切削力r为一恒量，此力作用在机床结构上，引起恒定的变形劫，而恒定的洳又反过来保证切削厚度勋恒定不变。从理论上讲，如果没有外界干扰，此平稳切削过程似乎可以一直进行下去。但是，在实际切削情况下，尤其粗加工情况下，总是存在着这样或那样的扰动，因此上述平稳切削过程注定要受到扰动。如果受扰动后，切削过程仍能回复到平衡状态，则过程仍然是平稳的；如果一个扰动使切削过程愈来愈偏离上述平衡状态，则切削过程是不稳定的。现在假设在切削过程中突然碰到某一个干扰，例如，由于粗加工表面十分复杂，刀刃碰到工件材料中的某一个硬质点，切削力立即获得一个动态增量4f ( f ) ，而4f ( f ) 作用在机床上，引起振动颤d ，后者又使瞬时切削厚度发生了4 s m 的变化，从而引起切削力的二次变化4 f ( ，) 。在一定的条件下，工件转动一转后，切削力的波动量会增加，即4 ，( ，) 4 只，) 。同理，工件再转动一转后，又会有4 f ”( ，) 4 f ，( ，) 4 只，) 如此周而复始，4 只，) 及取，) 不断上升，愈演愈烈，最终形成强烈的自激振动，也就是再生型颤振。根据图2 2 ，可以将运动方程写成：l o硕士学位论文，溅( ，) + 西( ，) + 缸( ，) = 一，( ，)( 2 - 1 )式中：聊一结构失稳模态的模态质量( k g ) ；c 一结构失稳模态的模态阻尼( n s m ) ：七一结构失稳模态的模态刚度( n m ) 。如果切削厚度的变化4 s ( d 比较小，则切削力的动态增量4 只d 可以表示为：f ) = 6 后d ，( ，) ( 2 - 2 )式中：6 一切削宽度( i n ) ，即图2 - l 中工件的厚度；局一切削力的切削厚度系数( n 恤2 ) ，即单位“64 j ( r ) 下的切削力；4 s ( ，) 一为切削厚度动态变化量( m ) 。2 3 粗加工切削过程的运动方程与稳定性2 3 1 运动方程由于粗加工过程相对复杂，其颤振的形式也很多，包括摩擦型颤振、振型耦合型颤振、滞后型颤振以及混合型颤振等【3 5 】，但是在粗加工过程中，由于强调加工的效率，所产生的主要颤振仍然是再生型颤振。图2 - 3 刀具的切削轨迹f i g 2 3c u n i n g 眦ko f t h et c d将图2 2 中的阴影部分一段切屑放大、展直，绘于图2 3 中，在图2 3 中被展成了两条刃在本圈和上一圈中的切削轨迹顶，) 及畎，) ，它们分别构成被切削层的下表面和上表面，此两者之差即为振动切削条件下的瞬时切削厚度：s ( ，) = x ( ，) 一j ，( ，)( 2 3 )第2 章数控粗加工颤振机理研究及在线预报与控制仍考虑x ( f ) 为等幅谐波的情况下，即稳定与不稳定之间的临界状态，设x ( f ) = 彳oc o s 耐( 2 - 4 )于是由图2 3 有：j ，( f ) = x ( ，一丁) 一s o( 2 5 )式中：r 为工件每转l 转所需要的时间( s )r ：粤( 2 6 )n、。设为相邻两圈刀刃波纹之间的相位差= 砌= 6 0 国( 2 7 )将式( 2 - 4 ) 、式( 2 5 ) 和式( 2 - 6 ) 代入式( 2 - 3 ) ，得：s ( ，) = 厶c o s 耐一彳oc o s ( 纠一声) + s o= + 厶【( 1 一c o s ) c o s 耐一二s i l l 膨s i i l 研】( 2 8 )考虑式( 2 - 6 ) 及文( f ) = 一吼s i n 耐( 2 - 9 )得s ( ，) ：s 。+ ( 1 一c o s ) x ( f ) + 呈塑型兰戈o ) ( 2 1 0 )而切削厚度围绕其均值勋的动态变化为：s ( f ) = s ( f ) 一s 。= ( 1 一c o s ) x ( f ) + 皇垒曼宕( r ) ( 2 1 1 )将此式代回式( 2 2 ) ，即得动态切削力的表达式：，( ，) ：6 七d 【( 1 一c o s ) x ( ，) + 皇堕望戈o ) 】( 2 1 2 )此式表明激振力同时受到振动位移和振动速度同时反馈。将式( 2 1 2 ) 代入运动方程式( 2 - 1 ) ，并移项得：挣l 鬈( ，) + ( c + 6 ks i i l 彩) j ( ，) + 【七+ 6 ( 1 一c o s ) 】x ( ，) = o( 2 一1 3 )这个运动方程中【3 1 3 每3 7 1 ，其阻尼系数与刚度系数均由两部分组成：一部分是机床机构本的阻尼或刚度，而另一部分则是由于位移延时反馈，即“再生效应”造成的切削过程的等效阻尼与等效刚度。因为l c o 轮0 ，而且通常有6 姒l - c o 翰 戤，即切削过程的等效刚度为正，而且远小于机床机构本身的刚度，由此看来，等效刚度只可能使系统的总刚度略1 2硕士学位论文有增加，对系统的特性并无实质性的影响。可另一方面，等效阻尼6 如i 叫却有可能使整个切削系统失去动态稳定性。首先，s i 咿可正可负，视卢角而定，当户1 8 0 。3 6 0 。时，s i 班o ，因而等效阻尼6 如i 够肠是负的；其次，如果切削宽度6 又足够大，则可使c + 6 幻s i 叫 卸i m 时，系统的总阻尼为负值，将会发生自激振动。因此，籼i m 又称为“稳定性阈 【3 射。在满足式( 2 - 1 4 ) 的条件下，式( 2 1 3 ) 成为朋舅( ，) + 【七+ 6 吒( 1 一c o s ) 】x ( ，) = 0 ( 2 - 1 6 )第2 章数控粗加工颤振机理研究及在线预报与控制即得无阻尼系统自由振动的运动方程，其固有频率为或写成缈2 ：国：+ 堕幽( 2 1 7 )朋这里即为系统自激振动的频率，而( - 砌) 是机床结构本身的固有频率。显然，自激振动的频率总是略高于机床结构的某个失稳模态的自然频率，即 。这是由于切削过程的等效刚度使得整个切削系统的刚度略有上升的缘故。由式( 2 1 4 ) 和( 2 1 7 ) 构成该系统的稳定性方程组【3 9 1i c + 6 bs 证缈= o1 小缈：+ 巡生业( 2 1 酌l历当机床的动态特性聊、c 、七与动态切削的特性缸给定以后，通过式( 2 一1 8 ) 可以解出在某一切削速度下发生颤振的临界切削宽度6 i i m 及在该临界条件下的颤振频率。显然6 l i m 与国都与工件的转速有关，表示这种关系的图线称为系统的“稳定性图 ( s t a b i l i 锣c l l a r t ) 。图2 5 给出了典型的稳定性图，图( a ) 中具有耳垂状的上方是不稳定区域，而水平虚线以下的区域是在所有工件转速下均属稳定的无条件切削区。令( 2 1 5 ) 式中的砒i n ( 6 0 & ，加一1 ，则可以得最小的临界切削宽度( 6 i i m ) m 矿- c 幻，即此图中的无条件稳定区域的宽度。即当6 ( 6 i i 曲m i i 时，切削系统在任何工件转速下均为稳定的。图表示在稳定阈上，即6 = ( 6 l i m ) l i i i i l 时，颤振频率国与工件转速的关系成锯齿状( 3 5 3 节中将对颤振和转速的关系作具体研究) 。( a )图2 5 稳定性图f i g 2 - 5s t a b i i 时c h a r t1 4硕士学位论文2 4 数控粗加工颤振在线预报与控制随着自动化机械加工系统、柔性制造、集成制造以及网络制造的发展，对数控粗加工颤振进行在线监测和实时控制提出了迫切要求，同时又为实现这一目标提供了新的可能性。为使颤振预报准确及时，正确选择颤振征兆识别参数是关键，所构成的颤振征兆识别参数首先必须能够充分反映切削颤振孕育过程的本质与特征，预报必须准确，既不能漏报也不能错报。此外，还必须充分考虑信号采集和数据处理的简便易行，使监测系统有可能在可控时间内完成振动信号采集、预报参数计算并向控制系统发出预报控制信号。2 4 1 基于振动时域波形的不规则系数对切削颤振进行预报l 、切削过程中从稳定切削向不稳定切削过渡时振动频率的变化特征实际考察切削过程中由稳定状态向不稳定状态过渡时机床加工系统的振动响应频率特征可知：当切削过程处于稳定切削状态时，振动响应频率呈现宽带分布特征；当粗加工过程处于不稳定切削状态，即加工系统发生颤振时，在加工系统的固有频率附近，振动响应频率呈现窄带分布特征。振动响应频率由宽带分布向窄带分布特征，就是切削过程即将发生颤振的征兆，因此可以根据振动频率的变化特征进行预报。2 、振动波形的不规则系数当切削过程有颤振发生时，振动位移响应基本呈现单一频率分布，如图2 6 ( a )所示。振动位移曲线穿越零线的次数尺与振动位移曲线的峰谷总数q 基本相同，图2 石振动响应曲线f i g 2 - 61 1 h e 障s p o n c u n 他o f v i b 豫t i 彻，oh目f臀曩第2 章数控粗加工颤振机理研究及在线预报与控制其比值伊朋接近l 。当切削过程处于稳定切削状态时，振动位移响应星现宽带分布特征，见图2 6 ( b ) ，振动位移曲线的峰谷数q 远大于穿越零线的次数r ，故秒接近于0 ，p 称为振动波形的不规则系数。口在o 和l 之间变化。当p 值由0 向l 逐渐变化时，表明切削过程由稳定状态逐渐向不稳定状态过渡。由于口值与切削过程的稳定性有如此明显的对应关系，可以用口作为识别颤振征兆的预报参数