智能制造工艺基础课件：机械加工质量的智能检测和控制方法

智能制造工

艺机械加工质量分析和控制知识点(参考教材)6.1

机械加工精度与原始误差6.2

加工误差的统计分析方法6.3

机械加工表面质量6.4

机械加工质量的智能检测和控制方法6.4.1

加工精度检测和控制6.4.2

表面质量检测与控制机械加工质量分析和控制2024/12/19

2触头式测头基本结构铣床中测头与CNC交互示意图(1)

测头在线测量原理简介6.4.1加工精度检测和控制2024/12/19

3测头应用示意图(2)

测头在线测量应用实例6.4.1加工精度检测和控制2024/12/19

4某用户加工工件示意图具体测点分布(3)

视觉检测i5智能系统测头检测编程引导功能界面传统CNC中视觉检测系统组成2024/12/196.4.1加工精度检测和控制智能数控系统中视觉检测系统组成视觉检测软件示意图56.4.1加工精度检测和控制i5视觉检测套件i5Vision的工作环境测试及相机防护2024/12/19

6(3)

视觉检测(4)

视觉检测应用案例

某品牌手机按键槽和耳机孔加工6.4.1加工精度检测和控制视觉检测在金属手机按键槽和耳机孔加工中的应用2024/12/19

7(4)

视觉检测应用案例

液压阀孔珩磨加工6.4.1加工精度检测和控制2024/12/19

8视觉检测在液压阀孔珩磨加工中的应用6.4.2表面质量检测和控制2024/12/19

9发生颤振与未发生颤振时的加工表面对比(1)

颤振抑制稳定性叶瓣图6.4.2表面质量检测和控制2024/12/19

10(1)

颤振抑制某铣床发生颤振时的频谱图CUTPRO软硬件示意图6.4.2表面质量检测和控制2024/12/19

11i5智能系统中QEC功能的使用流程QEC反向补偿前后加工效果对比(2)

反向补偿QEC功能的补偿效果反向误差示意图补充机械加工过程中的振动2024/12/19

12振动的危害一、

机械加工过程中振动的危害

影响加工表面粗糙度，振动频率较低时会产生波度

影响生产效率

加速刀具磨损，易引起崩刃

影响机床、夹具的使用寿命

产生噪声污染，危害操作者健康补充机械加工过程中的振动2024/12/19

13干扰力；机床内部振源,各种旋转体的不平衡,电动机转子、砂轮、工件等;

往复运动惯性力,液压传动系统中油路油压脉动等等。外部传来的冲击力,机械系统本身产生的周期/非周期干扰力,如间隙、材料硬点、凸轮与杠杆的冲击等自由振动强迫振动

自激振动二、工艺系统振动的分类及产生的原因再生效应振型耦合负摩擦及其他补充机械加工过程中的振动工艺系统振

动机床空运

转时的振动切削或磨

削时的振动如切屑形成的周期性、断续的交变力外部传来的振动,地基周期/非周期例如床鞍与导轨之间的爬行强迫振动自激振动2024/12/1914有粘性阻尼强迫振动的初始响应过程

t2024/12/19

自由振动

强迫振动

自激振动补充机械加工过程中的振动机械加工过程中振动的类型有粘性阻尼强迫振动的稳态有粘性阻尼的自由振动有粘性阻尼强迫振动x15m1

x..1

=

−kx1

+

k2

(x2

−

x1

)

m1

m1

m2

x..2

=

−k2

(x2

−

x1

)

k2 c

=m很明显，这是一个二阶齐次常系数线性方程组。2024/12/19(b)动力学模型112212m2mk1

x(a)

振动系统

a

=

k1+

k2

b

=

k2

补充机械加工过程中的振动2

k振动系统的动力学模型x..

+ax

−bx

=

0x..

−cx

+cx

=

0k2

(x2

−k2

(x2

−

m

x..

m

x..

221

x2砂轮主轴系统x1

)x1

)

11x砂轮架o2kx11o16112动力学模型分类

集中参数模型

有限元模型

连续弹性梁模型补充机械加工过程中的振动2024/12/19

17振动系统自由度

工艺系统、机床、甚至机床的零部件都是多自由度系统。严格来说，机床及其零部件都应视为具有无穷多个自由度的振动系统。因为它们是连续体，其质量和刚度都是连续分布的。

多自由度系统在自由振动时，根据不同的起始条件、不同的激发方式，可能有多种振动形态，每一种振动形态是由多个按不

同振动频率的简谐运动综合而成。补充机械加工过程中的振动2024/12/19

18(a)模型单自由度系统强迫振动模型补充机械加工过程中的振动单自由度系统强迫振动模型Wcx.(b)质量块的受力分析Fd

=F0

sinωtx

+xXc2024/12/19mx..xstFdstkm19oo引入符号2δ

=

,

=

,

q

=

其中：δ衰减系数，ω0

振动系统固有圆频率ω02单自由度系统强迫振动模型mx..

=恢复力+阻尼力+激振力mx..+cx.

+k(x

+xst

)=F0

sin

ωt

+WW

=kxstx..+2δx.

+x

=qsin

ωt

(2)ω02补充机械加工过程中的振动2024/12/19

20mx..+cx.

+kx

=F0

sin

ωt

(1)单自由度系统强迫振动模型x..+2δx.

+ω

x

=qsinωt的通解可写成x

=A1e

−δt

cos(ωd

t

−9)+Acos(ωt

−φ)02其中ωd

=ω

−δ2

，粘性阻尼振动固有圆频率δ0稳态解：x

=Acos(ωt

−φ)02补充机械加工过程中的振动2024/12/19

21令D

=，阻尼比ω单自由度系统强迫振动模型稳态解：x

=Acos(ωt

−φ)F

1A

=

0

1

−

+

4D2

ω

2Dφ=arctg

ω01

−

22KKKKKKKKKKK22K补充机械加工过程中的振动2024/12/19

22令V

=

A

，振动系统动态放大系数x令λ=

ω

，频率比令xst

=，等效刚度K的振动系统在静力F0作用下的位移补充机械加工过程中的振动单自由度系统强迫振动模型2024/12/19

23ω0st单自由度系统强迫振动模型A11

xst

A

=

xst

(1

−

λ)2

+

4D2λ22Dλ====VV

=补充机械加工过程中的振动2024/12/19

24φ=

arctg

1

−

λ20.12wr

1234频率比λ=

ω0静力区共振区惯性区强迫振动幅频曲线某一阻尼比时的幅频曲线补充机械加工过程中的振动321放大系

D=2024/12/19ω40525D=0.060.1250.20.350.5

222补充机械加工过程中的振动12不同阻尼时的幅频曲线强迫振动幅频曲线34频率比λ=

5432102024/12/19261三、机械加工过程中的强迫振动

强迫振动产生原因

旋转件不平衡引起的振动

机床传动机构缺陷引起的振动

切削过程中的冲击引起的振动

往复运动部件的惯性力引起的振动

强迫振动的特征

频率特征：与干扰力的频率相同，或是干扰力频率整倍数

幅值特征：与干扰力幅值、工艺系统动态特性有关。当干扰力频率接近或等于工艺系统某一固有频率时，产生共振

相角特征：强迫振动位移的变化在相位上滞后干扰力一个φ角，其值与系统的动态特性及干扰力频率有关。补充机械加工过程中的振动2024/12/19

27机械加工过程中强迫振源的查找方法补充机械加工过程中的振动2024/12/1928四、机械加工过程中的自激振动(颤振)

自激振动的概念

在没有周期性外力作用下，

由系统内部激发反馈产生的周

期性振动

自激振动过程可用传递函数概念说明(右图)补充机械加工过程中的振动调节系统(切削过程)机床振动系统

(弹性环节)2024/12/19

29电动机

(能源)自激振动闭环系统振动位移X(t)交变切削力F(t)自激振动6354

721电铃的自激振动补充机械加工过程中的振动2024/12/19

30自激振动

自激振动的特征

自激振动是一种不衰减振动

自激振动的频率等于或接近于系统的固有频率

自激振动能否产生及振幅的大小取决于振动系统在每一个周期内获得和消耗的能量对比情况(右图)。补充机械加工过程中的振动2024/12/19

31自激振动系统能量关系0

A

B

C

振幅E－E＋能量EQ产生自激振动的条件

在刀架振入工件的半个周期内，切削力作负功。

在刀架振出工件的半个周期内，切削力作正功。

只有正功大于负功，或者说只有系统获得的能量大于系统对外界释放的能量，系统才有可能维持自激振动。

自激振动的条件可表示为：E吸收＞E消耗。yb)车削外圆单自由度振动模型补充机械加工过程中的振动vkm振出振入2024/12/19 aFya)Fy32yv0机械加工过程中自激振动的激振机理

再生颤振原理

振型耦合原理

负摩擦原理

切削力滞后原理补充机械加工过程中的振动2024/12/19

33面上留下振纹。第二次走刀时，刀具

◆

再生机理：

切削过程，由于偶然干

φ

a)

b)扰，使加工系统产生振动并在加工表

y0

将在有振纹的表面上切削，使切削厚

y度发生变化，导致切削力周期性地变

切入

切出

f

化，产生自激振动c)

d)再生自激振动原理图◆

产生条件

(图)

：

a)b)c)系统无能量获得；d)y

滞后于y0

，即0＞φ＞-π

，此时切出比切入半周期中的平均切削厚度大，切出时切削力所作正功(获得能量)大于切入时所作负功，系

统有能量获得，产生自激振动自激振动

自激振动机理φ 0yf补充机械加工过程中的振动2024/12/19

34 0yf

0yf切入切入切出切入切出切出φyyyψyn

−

1tnt车刀F(t)βO补充机械加工过程中的振动再生颤振原理再生切削效应振入

振出An−12024/12/19Anyya350机械加工过程中自激振动的激振机理◆振型耦合机理：将车床刀架简化为两自

由度振动系统，等效质量m用相互垂直的等效刚度分别为k1

、k2两组弹簧支撑(设x1为低刚度主轴，如图)◆自激振动的产生：①k1=k2

，x1与x2无相位差,轨迹为直线，②k1＞k2

，x1超前x2

，轨迹d→c→b→a为一椭圆，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的大，系统无能量输入③k1＜k2

，x1滞后于x2

，轨迹为一顺时针方向椭圆，即：a→b→c→d

。此时，切入半周期内的平均切削厚度比切出半周期内的小，有能量获得，振动能够维持。补充机械加工过程中的振动a

dX2024/12/19

36x2

k2 2车床刀架振型耦合模型

1 1无能量输入x2b

cαα

1

1mβxxkF五、控制机械加工振动的途径

首先应该判别这种振动是强迫振动还是自激振动，然后再采取相应措施来消除或减小振动

消除或减弱产生振动的条件；

改善工艺系统的动态特性；

采用消振减振装置。补充机械加工过程中的振动2024/12/19

37式中f

和分别为振源频率和系统固有频率

隔振

消除或减弱产生自激振动的条件◆调整振动系统小刚度主轴的位置(图)2024/12/19nf消除或减弱产生振动的条件

消除或减弱产生强迫振动的条件

减小机内干扰力的幅值

调整振源的频率，一般要求：

x1

x2x1补充机械加工过程中的振动fn

−

f

fx2β≥0.25βx2x1x2x138消除或减弱产生自激振动的条件◆减小切削或磨削时的重叠系数(图)=

bd

(切削)