基于预测-自适应控制的铣削电主轴振动抑制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开基于预测‑自适应控制的铣削电主轴振动抑制系统及方法，通过前一时刻预测得到的当前时刻先验振动位移，对电主轴振动进行自适应控制；对当前时刻先验振动位移进行校正，得到当前时刻后验振动位移；利用当前时刻后验振动位移，预测后一时刻先验振动位移，实现主轴振动位移的预测。系统包括机械部分和电控部分；机械部分包括电磁致动器和套筒，电磁致动器密封套设在主轴的一端，套筒接触套设在主轴上；电磁致动器和套筒同轴同心设置，且两者之间设置有环形的气隙；电控部分包括振动位移传感器、振动加速度传感器、A/D转换器、控制器、D/A转换器和功率放大器；提高加工工件表面质量，延长机床零部件寿命，提高整个系统的加工能力。

【技术实现步骤摘要】
基于预测-自适应控制的铣削电主轴振动抑制系统及方法
本专利技术属于机床电主轴性能的智能调控应用领域，涉及电主轴振动主动抑制结构和振动主动抑制方法，具体为基于预测-自适应控制的铣削电主轴振动抑制系统及方法。
技术介绍
机床电主轴是高档数控机床的核心部件，机床电主轴的振动是影响机床加工精度的一个重要因素。在现代加工中，往往要求机床电主轴在高速、重载或多工况更替的加工条件下保持良好的振动稳定性，以保证加工工件的高精度、高表面质量和高可靠性。因此，如何实现电主轴在多转速、多切削深度和多进给方式等复杂工况下的实时振动抑制至关重要。目前，比较有效的解决办法是在电主轴内部安装振动主动抑制装置，通过测量电主轴加工时的振动信号，经过运算得到相应反馈力控制信号，通过致动器对主轴振动进行主动抑制，实现电主轴振动的智能调控。传统振动主动控制采用压电陶瓷等致动机构，加以PID控制算法，能实现简单的控制效果。随着现代加工中加工工况的多样性以及工件完成质量要求不断提高，传统的电主轴振动主动控制结构及策略已难以满足“高性能、高效率、智能化和绿色化”的加工要求。为此，国内外诸多研究与学术机构就振动主动抑制机构和振动主动控制算法开展了大量的研究，并取得了一定的成果。在振动主动抑制机构方面，主要提出了基于电磁轴承的电磁致动器主动抑制机构和基于电流变液/磁流变液的液压致动器主动抑制机构等机构；在振动主动抑制控制算法方面，提出了基于振动位移、振动速度、振动加速度的多种自适应控制策略、鲁棒控制策略和滑模控制策略等策略。传统控制策略往往依靠采集位移信号、根据简单经验和固定参数输出反馈力，已无法在复杂的加工条件下获得良好的改良效果，振动的幅值依然难以控制，导致出现加工的零件表面质量较差，机床零部件出现磨损甚至断裂的现象。鲁棒控制策略在极窄的转速范围内拥有良好的振动抑制性能，但每次抑制前都需要进行复杂的模态实验，且该策略在其他转速范围内控制性能较差；滑模控制依靠人工设置滑模面，使振动状态在状态平面上向滑模面滑动来达到预期的效果，但振动状态会在滑模面附近不断震荡，导致微小的颤振。已提出的自适应控制策略中，往往忽略时滞项的影响，导致存在较大的误差的同时，并未考虑振动力在主轴建模上x与y方向的权值分配问题，导致振幅衰减时间过长，影响工件加工质量；测量的振动信号本身包含未知误差，且不具有预测功能，控制效果较差。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供基于预测-自适应控制的铣削电主轴振动抑制系统及方法，结构简单，设计合理，振动主动控制调控转速范围宽，进给速率范围大，切削深度适应性强。本专利技术是通过以下技术方案来实现：基于预测-自适应控制的铣削电主轴振动抑制方法，包括，通过前一时刻预测得到的当前时刻先验振动位移，对电主轴振动进行自适应控制；根据当前振动位移，对当前时刻先验振动位移进行校正，得到当前时刻后验振动位移；利用当前时刻后验振动位移，预测后一时刻先验振动位移，实现主轴振动位移的预测。优选的，在当前的kΔt时刻，对电主轴振动进行自适应控制，Δt表示将时间t离散化后的时间步长，k＝1,2,3…，其具体步骤如下，步骤1.1，读取时刻x方向的后验振动位移和y方向的后验振动位移步骤1.2，根据kΔt时刻的振动加速度a(k)，计算kΔt时刻的振动速度v(k)＝v(k-1)+a(k)Δt；步骤1.3，接收kΔt时刻x方向的先验振动位移和y方向的先验振动位移步骤1.4，根据步骤1、2和3得到的参数，通过如下的自适应控制算法，得到反馈电压U(k)：式中：kd为电磁致动器电压与力的转换系数；g为自适应控制的输入参考：其中，h(k)＝[1,cos(ωkΔt),sin(ωkΔt),…,cos(lωkΔt),sin(lωkΔt)]T，ω为各刀齿的总角速度；步骤1.5，根据反馈电压U(k)得到需要产生的振动抑制力u(k)＝kdU(k)，对电主轴振动进行自适应控制。进一步，步骤1.4中，自适应系数具体如如下，其中，E＝[ExEy]＝PBM-1，P为李雅普诺夫方程PA+ATP＝-I的解，B为状态方程中的控制矩阵，M为电主轴的质量矩阵；C为电主轴的阻尼矩阵，K为电主轴的刚度矩阵。进一步，对当前时刻先验振动位移进行校正的具体步骤如下，步骤2.1，将时刻至(k-1)Δt时刻间的所有后验振动位移和kΔt时刻先验振动位移带入到状态向量中，组成先验状态向量步骤2.2，利用如下的卡尔曼滤波对先验状态向量进行修正运算，得到后验状态向量式中：时刻至kΔt时刻间的所有测得的振动位移组成的状态向量，Pk-1为(k-1)Δt时刻的后验估计误差的协方差，Pk-1＝E[ek-1ek-1T]，ek-1为(k-1)Δt时刻的后验估计误差，为kΔt时刻的先验估计误差的协方差，为kΔt时刻的先验估计误差，Pk为kΔt时刻的后验估计误差的协方差，Pk＝E[ekekT]；ek为kΔt时刻的后验估计误差，b为切削深度，Hl(k)为切削面积与切削力的转换系数傅立叶变换形式；Kk为残余的增益；Q为过程激励噪声ωk的方差；R为观测噪声vk的方差；步骤2.3，通过卡尔曼滤波修正后，得到kΔt时刻的后验状态向量如下，从中提取得到kΔt时刻的后验振动位移进一步，预测后一时刻先验振动位移时的具体步骤如下，步骤3.1，根据kΔt时刻后验振动位移，利用卡尔曼滤波对(k+1)Δt的先验状态向量进行如下预测：其中，u(k)为kΔt时刻的振动抑制力，Bk：＝[Δt2(M-1)T0…0]T，为kΔt时刻的后验状态向量；步骤3.2，通过计算得到(k+1)Δt时刻的x方向先验振动位移y方向先验振动位移即为(k+1)Δt时刻的振动位移预测值，用于(k+1)Δt时刻的自适应振动抑制。基于预测-自适应控制的铣削电主轴振动抑制系统，包括机械部分和电控部分；所述的机械部分包括电磁致动器和套筒，电磁致动器密封套设在主轴的一端，套筒接触套设在主轴上；电磁致动器和套筒同轴同心设置，且两者之间设置有环形的气隙；所述的电控部分包括振动位移传感器、振动加速度传感器、A/D转换器、控制器、D/A转换器和功率放大器；振动位移传感器和振动加速度传感器分别位于主轴同一端的两个滚动轴承上，振动位移传感器测得振动位移模拟信号，振动加速度传感器测得振动加速度模拟信号，均由A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，输入到控制器中进行处理；控制器接收振动位移信号和振动加速度信号，经过自适应控制运算产生反馈控制信号；反馈控制信号经过D/A转换器和功率放大器处理后，驱动电磁致动器产生电磁力，电磁力作用在套筒上，对正在旋转的主轴施加振动抑制力。进一步，电磁致动器、振动位移传感器和振动加速度传感器的接线经主轴壳体上的三个竖直孔分别引出。再进一步，电磁致动器经橡胶密封圈密封套设在主轴的一端。优选的，电磁致动器包括固定在主轴壳体内的电磁致动器外圈，以及沿径向设置在电磁致动器外圈上的多组电磁线圈；多组电磁线圈的末端共圆，与套筒间存在1-2mm的气隙。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术所述的方法，突破传统振动主动控制调控转速范围窄、进给速率范围小、切削深度单一的技术难题，使振动抑制力参数随加工工况的变化进行自适应调节；在kΔt时刻，先利用(k-1)Δt时刻预测得到的kΔt时刻先验振动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于预测‑自适应控制的铣削电主轴振动抑制方法，其特征在于，包括，通过前一时刻预测得到的当前时刻先验振动位移，对电主轴振动进行自适应控制；根据当前振动位移，对当前时刻先验振动位移进行校正，得到当前时刻后验振动位移；利用当前时刻后验振动位移，预测后一时刻先验振动位移，实现主轴振动位移的预测。

【技术特征摘要】
1.基于预测-自适应控制的铣削电主轴振动抑制方法，其特征在于，包括，通过前一时刻预测得到的当前时刻先验振动位移，对电主轴振动进行自适应控制；根据当前振动位移，对当前时刻先验振动位移进行校正，得到当前时刻后验振动位移；利用当前时刻后验振动位移，预测后一时刻先验振动位移，实现主轴振动位移的预测。2.根据权利要求1所述的基于预测-自适应控制的铣削电主轴振动抑制方法，其特征在于，在当前的kΔt时刻，对电主轴振动进行自适应控制，Δt表示将时间t离散化后的时间步长，k＝1,2,3…，其具体步骤如下，步骤1.1，读取时刻x方向的后验振动位移和y方向的后验振动位移步骤1.2，根据kΔt时刻的振动加速度a(k)，计算kΔt时刻的振动速度v(k)＝v(k-1)+a(k)Δt；步骤1.3，接收kΔt时刻x方向的先验振动位移和y方向的先验振动位移步骤1.4，根据步骤1、2和3得到的参数，通过如下的自适应控制算法，得到反馈电压U(k)：式中：kd为电磁致动器电压与力的转换系数；为与振动位移和振动速度v(k)相关的自适应系数，i＝x,y，Λx、Λy为自适应控制x、y方向振动抑制力分配的权重矩阵；g为自适应控制的输入参考：其中，h(k)＝[1,cos(ωkΔt),sin(ωkΔt),…,cos(lωkΔt),sin(lωkΔt)]T，ω为各刀齿的总角速度；步骤1.5，根据反馈电压U(k)得到需要产生的振动抑制力u(k)＝kdU(k)，对电主轴振动进行自适应控制。3.根据权利要求2所述的基于预测-自适应控制的铣削电主轴振动抑制方法，其特征在于，步骤1.4中，自适应系数具体如如下，其中，E＝[ExEy]＝PBM-1，P为李雅普诺夫方程PA+ATP＝-I的解，B为状态方程中的控制矩阵，M为电主轴的质量矩阵；C为电主轴的阻尼矩阵，K为电主轴的刚度矩阵。4.根据权利要求3所述的基于预测-自适应控制的铣削电主轴振动抑制方法，其特征在于，对当前时刻先验振动位移进行校正的具体步骤如下，步骤2.1，将时刻至(k-1)Δt时刻间的所有后验振动位移和kΔt时刻先验振动位移带入到状态向量中，组成先验状态向量步骤2.2，利用如下的卡尔曼滤波对先验状态向量进行修正运算，得到后验状态向量式中：z(k)为时刻至kΔt时刻间的所有测得的振动位移组成的状态向量，Pk-1为(k-1)Δt时刻的后验估计误差的协方差，Pk-1＝E[ek-1ek-1T]，ek-1为(k-1)Δt时刻的后验估计误差，为kΔt时刻的先验估计误差的协方差，为kΔt时刻的先验估计误差，Pk为kΔt时刻的后验估计误差的协方差，Pk＝E[ekekT]；ek为kΔt时刻的后验估计误差，b为切削深度，Hl(k)为切削面积与切...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小虎，钟谱华，李中平，李森，李翠，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61