一种消除数控机床切削颤振的自动补偿装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种消除数控机床切削颤振的自动补偿装置，被置于所述数控机床的刀架处，所述补偿装置包括基座，该基座具有一个刀具接口用来安装刀具，该刀具用于对工件进行切削加工；所述刀具接口处的基座内侧设置有一个力传感器，该力传感器用于测量切削颤振力的大小；所述力传感器通过一个弹性预紧装置与柔性铰链和直线驱动装置联接，该弹性预紧装置用于预紧消除间隙；所述的柔性铰链用于对直线驱动装置输出的驱动力进行放大；所述直线驱动装置的驱动力经柔性铰链进行驱动力放大后，继而驱动与弹性预紧装置连接的刀具进行直线往复运动；所述直线驱动装置后端的基座内侧还设置有振动位移传感器，该振动位移传感器用于检测刀架的振动位移。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机械加工
，特别涉及一种消除数控机床切削颤振的自动补偿装置和方法。
技术介绍
刀具与工件切削面之间的不连续切削周期、工件与切削系统和机床的某固有频率相接近等因素，会引起数控机床切削过程出现颤振现象。诱发切削颤振的因素十分复杂，不连续切削周期、工件与切削系统和机床之间的某个固有频率相同或相近等因素都可能导致颤振的发生。由于颤振使得加工的精度降低、产品质量下降和切削效率下降，因此有必要对数控机床的切削加工过程所产生的颤振进行补偿，即对切削过程的颤振进行在线监测、预测和控制。在这个过程中，现有方法是根据压电传感器监测到工件或刀具的颤振幅值变化进行判断是否发生颤振，然后采用磁流变液或电流变液装置的抑振技术以增加刀柄或镗杆等切削部件的阻尼而抑制颤振。然而磁、电流变材料的响应速度慢，并存在严重非线性畸变现象，导致难以对高速切削产生的颤振进行有效的补偿。另外，这类智能液体在高强度压力和振动情况下的密封防泄漏也是工程实现上的一个不可忽视的问题。另一方面，有关减振控制方法只是根据颤振的谐振频率和位移决定如何进行补偿，而振动、力之间存在一种非线性耦合，其对切削颤振的补偿会产生不利影响，而传统颤振补偿方案未能考虑这种力与振动位移之间的耦合影响，其对颤振的补偿难以取得令人满意的结果。公开号为CN200810020974.0的中国专利申请，公开了一种提高数控车床加工精度的补偿方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤一、测取车床刀具全行程范围内的进给误差；步骤二、将上述步骤一中的进给误差信号做平滑、去噪处理，同时施加一频率为50～ 100Hz，振幅为1～3μm的振动信号，并将该振动信号与处理后的进给误差信号叠加，后输 入数字信号处理芯片；步骤三、将输入数字信号处理芯片的叠加信号转换成电信号并经功率放大后，输出给 磁致伸缩补偿机构，由磁致伸缩补偿机构完成位移补偿和振动补偿切屑。其相应的采用上述数控车床提高加工精度的补偿方法的磁致伸缩补偿机 构，包括基座(5)以及设置在基座(5)上的超磁致伸缩棒(6)、线圈(4)、输出顶杆(8)、 微位移机构(9)，在微位移机构(9)上设置有刀架(10)以及刀具(12)，所述的超磁致 伸缩棒(6)设置在线圈(4)内，所述的输出顶杆(8)的一端与超磁致伸缩棒(6)的一 端连接，输出顶杆(8)的另一端与微位移机构(9)固定连接用于驱动微位移机构(9) 上的刀具，其特征在于：在所述的微位移机构(9)的末端还设置有一位移传感器(18)。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种消除数控机床切削颤振的自动补偿装置和方法。本专利技术的技术方案是，一种消除数控机床切削颤振的自动补偿装置，该补偿装置被置于所述数控机床的刀架处，所述补偿装置包括基座，该基座具有一个刀具接口用来安装刀具，该刀具用于对工件进行切削加工；所述刀具接口处的基座内侧设置有一个力传感器，该力传感器用于测量切削颤振力的大小；所述力传感器通过一个弹性预紧装置与柔性铰链和直线驱动装置联接，该弹性预紧装置用于预紧消除间隙；所述的柔性铰链用于对直线驱动装置输出的驱动力进行放大；所述直线驱动装置的驱动力经柔性铰链进行驱动力放大后，继而驱动弹性预紧装置连接的刀具进行直线往复运动；所述直线驱动装置后端的基座内侧还设置有振动位移传感器，该振动位移传感器用于检测刀架的振动位移。一种用于消除数控机床切削颤振的切削颤振力测量方法，采用前述的自动补偿装置，设定如下：准备加工的工件安装于所述的主控机床上，所述数控机床处于非加工状态，则该状态为A状态；所述数控机床的刀具处于对工件进行加工的状态，则该状态为B状态；包括以下步骤：A1，所述自动补偿装置处于A状态；A2，对直线驱动装置输入驱动电压v (.), 获得直线驱动装置输入电压与输出力之间的关系模型，表示为 (1)其中，φ1(.)为A状态时，直线驱动装置的输入电压与输出力之间的映射，为直线驱动器输入电压与输出力之间的关系模型的输出值，k 为大于等于1的正整数；A3，设实际切削过程中，力传感器的测量信号为f2(k)，有f2(k)＝β1f1(k)+β2f(k) (2)其中，f(k)为B状态时，直线驱动装置在其输入电压作用下产生的力，f1(k)为切削加工过程中刀具与工件接触产生的颤振作用力，β1＞0和β2≥0为加权系数，令则有 (3)即得到 所述刀具与工件接触产生的切削颤振力f1(k) 。对于步骤A2中的的获取，采取模型（4）进行实时估计的方法，设所述直线驱动装置含有迟滞特性，即： （4）其中ai和bj为模型参数；n和m为模型中多项式的阶次；η(k-j)为力迟滞子模型输出，即其中，sgn(.)为符号函数，Δv(k)＝v(k)-v(k-1)，N为多项式阶次，α，d0，dp和gp为力迟滞子模型参数， 利用最小二乘法，离线确定模型（4）和(5)中的参数α，d0，ai，bj，dp和gp。一种用于消除数控机床切削颤振的切削颤振位移测量方法，采用前述的自动补偿装置，设定如下：准备加工的工件安装于所述的主控机床上，所述数控机床处于非加工状态，则该状态为A状态；所述数控机床的刀具处于对工件进行加工的状态，则该状态为B状态；包括以下步骤：B1，所述自动补偿装置处于A状态；B2，给直线驱动装置输入驱动电压v (.) ，直线驱动装置输入电压与输出位移之间的关系模型表示成 (6)其中，Ψ(.)为A状态时，直线驱动装置的输入电压与输出位移之间的映射，为直线驱动装置输入电压与输出位移之间的关系模型的输出值，k 为大于等于1的正整数；B3，设实际切削过程中，位移传感器的测量信号为s2(k)，s2(k)＝α1s1(k)+α2s*(k) (7)其中，s*(k)为B状态时，直线驱动装置在其输入电压作用下产生的位移，s1(k)为切削加工过程中刀具与工件接触产生的颤振位移，α1＞0和α2≥0为加权系数，令 (8)即获得，切削加工过程中所述刀具与工件接触产生的切削颤振位移s1(k)。对于步骤B2的，采用模型（9）进行实时估计的方法：即，设直线驱动装置含有迟滞特性，有 （9）其中，a*i和b*j为模型参数；n*和m*为模型中多项式的阶次；ρ(k-j)为位移迟滞子模型：（10）其中，sgn(.)为符号函数，N为多项式阶次，为位移迟滞子模型参数，利用最小二乘法，离线确定模型（9）和(10)中的参数。一种用于消除数控机床切削颤振的综合补偿方法，采用前述的自动补偿装置，C1，利用力传感器测得所述刀具切削工件引起颤振力f1；C2，利用振动位移传感器测得所述刀具切削工件引起颤振位移s1；C3，所述的自动补偿装置包括力补偿控制器，设为力补偿控制器的输出，设力补偿控制器表示成： (11)其中，μi和δj为力补偿控制器参数，可根据性能指标 (12)利用最小二乘法辨识得到这些参数；C4，所述的自动补偿装置包括位移补偿控制器，设为位移补偿控制器的输出，设位移补偿控制器表示成： (13)其中，为位移补偿控制器参数，可根据性能指标 (14)利用递推最小二乘法辨识得到这些参数；C5，根据颤振力和颤振位移综合补本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种消除数控机床切削颤振的自动补偿装置，该补偿装置被置于所述数控机床的刀架处，其特征在于，所述补偿装置包括基座，该基座具有一个刀具接口用来安装刀具，该刀具用于对工件进行切削加工；所述刀具接口处的基座内侧设置有一个力传感器，该力传感器用于测量切削颤振力的大小；所述力传感器通过一个弹性预紧装置与柔性铰链和直线驱动装置联接，该弹性预紧装置用于预紧消除间隙；所述的柔性铰链用于对直线驱动装置输出的驱动力进行放大；所述直线驱动装置的驱动力经柔性铰链进行驱动力放大后，继而驱动与弹性预紧装置连接的刀具进行直线往复运动；所述直线驱动装置后端的基座内侧还设置有振动位移传感器，该振动位移传感器用于检测刀架的振动位移。

【技术特征摘要】
1.一种消除数控机床切削颤振的自动补偿装置，该补偿装置被置于所述数控机床的刀架处，其特征在于，所述补偿装置包括基座，该基座具有一个刀具接口用来安装刀具，该刀具用于对工件进行切削加工；所述刀具接口处的基座内侧设置有一个力传感器，该力传感器用于测量切削颤振力的大小；所述力传感器通过一个弹性预紧装置与柔性铰链和直线驱动装置联接，该弹性预紧装置用于预紧消除间隙；所述的柔性铰链用于对直线驱动装置输出的驱动力进行放大；所述直线驱动装置的驱动力经柔性铰链进行驱动力放大后，继而驱动与弹性预紧装置连接的刀具进行直线往复运动；所述直线驱动装置后端的基座内侧还设置有振动位移传感器，该振动位移传感器用于检测刀架的振动位移。2.一种用于消除数控机床切削颤振的切削颤振力的测量方法，基于权利要求1所述的自动补偿装置，设定如下：准备加工的工件安装于所述的主控机床上，所述数控机床处于非加工状态，则该状态为A状态；所述数控机床的刀具处于对工件进行加工的状态，则该状态为B状态；其特征在于，包括以下步骤：A1，所述自动补偿装置处于A状态；A2，对直线驱动装置输入驱动电压v (.), 获得直线驱动装置输入电压与输出力之间的关系模型，表示为 (1)其中，φ1(.)为A状态时，直线驱动装置的输入电压与输出力之间的映射，为直线驱动器输入电压与输出力之间的关系模型的输出值，k 为大于等于1的正整数；A3，设实际切削过程中，力传感器的测量信号为f2(k)，有f2(k)＝β1f1(k)+β2f(k) (2)其中，f(k)为B状态时，直线驱动装置在其输入电压作用下产生的力，f1(k)为切削加工过程中刀具与工件接触产生的颤振作用力，β1＞0和β2≥0为加权系数，令则有 (3)即得到 所述刀具与工件接触产生的切削颤振力f1(k) 。3.如权利要求2所述的用于消除数控机床切削颤振的切削颤振力测量方法，其特征在于，对于步骤A2中的的获取，采取模型（4）进行实时估计的方法，设所述直线驱动装置含有迟滞特性，即： （4）其中 和 为模型参数；n和m为模型中多项式的阶次；η(k-j)为力迟滞子模型输出，即： （5）其中，sgn(.)为符号函数，Δv(k)＝v(k)-v(k-1),N为多项式阶次，d0，dp和gp为力迟滞子模型参数，利用最小二乘法，离线确定模型（4）和(5)中的参数ai和bj及α，d0,dp和gp。4.一种用于消除数控机床切削颤振的切削颤振位移测量方法，基于权利要求1所述的自动补偿装置，设定如下：准备加工的工件安装于所述的主控机床上，所述数控机床处于非加工状态，则该状态为A状态；所述数控机床的刀具处于对工件进行加工的状态，则该状态为B状态；其特征在于，包括以下步骤：B1，所述自动补偿装置处于A状态；B2，给直线驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭永红，谢扬球，董瑞丽，
申请(专利权)人：上海师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31