專利名稱：機(jī)床切削顫振在線智能控制方法及其系統(tǒng)的制作方法
機(jī)床切削顫振在線智能控制方法及其系統(tǒng)屬于機(jī)械制造自動(dòng)化及智能制造領(lǐng)域，主要為了保證金屬切削加工的加工穩(wěn)定性，避免加工過(guò)程中出現(xiàn)自激振動(dòng)—顫振，保證加工零件質(zhì)量和切削刀具壽命。該技術(shù)適用于自動(dòng)化程度高的精密柔性制造加工系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于需要精密加工的航空、航天和汽車等行業(yè)。
切削顫振屬于自激振動(dòng)，是金屬切削機(jī)床在切削過(guò)程中產(chǎn)生的刀具和工件之間十分強(qiáng)烈的相對(duì)振動(dòng)。它產(chǎn)生的原因和發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律與切削加工過(guò)程本身及金屬切削機(jī)床動(dòng)態(tài)特性都有著內(nèi)在的本質(zhì)聯(lián)系，影響因素很多，是一個(gè)非常復(fù)雜的機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象。隨著工廠自動(dòng)化發(fā)展，機(jī)械加工的柔性化要求切削加工可對(duì)不同的工件和在不同工作條件下進(jìn)行，因此通過(guò)顫振預(yù)防控制的方法往往不能從根本上杜絕顫振現(xiàn)象的出現(xiàn)，所以對(duì)其進(jìn)行在線監(jiān)視預(yù)報(bào)和控制成為改善切削系統(tǒng)穩(wěn)定性的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。
由于切削系統(tǒng)發(fā)生顫振具有突發(fā)性和不確定性，從正常切削到發(fā)生顫振的時(shí)間歷程非常短暫，一般在幾百毫秒之內(nèi)。所以對(duì)切削顫振進(jìn)行在線監(jiān)視和控制是非常困難的。目前較為成功的方法可歸為兩類一類采用對(duì)切削系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)建模的方法進(jìn)行顫振控制，一類采用對(duì)切削加工參數(shù)(主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、切削深度等)進(jìn)行在線調(diào)整來(lái)抑制顫振。但由于切削加工系統(tǒng)的復(fù)雜性使建立準(zhǔn)確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型非常困難，同時(shí)切削加工機(jī)械系統(tǒng)反應(yīng)的嚴(yán)重滯后使上述兩類方法都不能很好地對(duì)切削穩(wěn)定性進(jìn)行在線控制，不能完全將顫振現(xiàn)象消除掉。
本發(fā)明主要目的就是針對(duì)于柔性制造單元，開發(fā)出一種通用的不影響制造單元柔性化程度的切削顫振在線控制的方法，以提高加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。本發(fā)明主要針對(duì)克服以往顫振在線控制技術(shù)難于突破的障礙，利用智能材料根據(jù)傳感器采集切削振動(dòng)信息調(diào)控機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性以實(shí)現(xiàn)切削顫振的在線控制。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想是基于控制切削系統(tǒng)時(shí)變動(dòng)態(tài)特性來(lái)提高切削穩(wěn)定性的理論作為其理論基礎(chǔ)，具體實(shí)施時(shí)對(duì)原有機(jī)床切削系統(tǒng)的改動(dòng)很小。原有切削系統(tǒng)主要由機(jī)床、工件和刀具系統(tǒng)三部分組成，本發(fā)明只是在在影響切削系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵零部件(例如鏜桿、刀柄等)的設(shè)計(jì)上，采用了內(nèi)嵌智能材料的方法，利用智能材料動(dòng)態(tài)特性可以實(shí)時(shí)快速調(diào)控的特點(diǎn)，對(duì)整個(gè)加工系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行在線快速調(diào)控，消除顫振發(fā)生的條件以避免切削顫振的發(fā)生。
本發(fā)明的技術(shù)方案分為機(jī)床切削顫振在線智能控制方法及系統(tǒng)兩部分，本發(fā)明控制方法部分參見流程圖1，而CDM在線識(shí)別顫振預(yù)測(cè)參見CDM信息流程圖3和CDM在線識(shí)別顫振預(yù)兆流程圖2，該方法特征在于它依次包括以下步驟(1)系統(tǒng)初始化，設(shè)定初始化電場(chǎng)強(qiáng)度E0，采樣頻率Fs；(2)顫振識(shí)別把加速度信號(hào)輸入顫振識(shí)別程序模塊CDM，循環(huán)判別并運(yùn)行，一直到識(shí)別出顫振預(yù)兆；(3)顫振控制(a)一旦識(shí)別出顫振預(yù)兆，計(jì)算此時(shí)得顫振頻率FC，令Fpost＝FC，F(xiàn)post施加電場(chǎng)強(qiáng)度前的顫振頻率；(b)施加控制電場(chǎng)強(qiáng)度E＝E0KV/mm；(c)再把加速度信號(hào)輸入上述CDM模塊，判別此時(shí)顫振預(yù)兆是否仍然存在，如顫振預(yù)兆消失，令施加的電場(chǎng)強(qiáng)度E＝0，然后程序轉(zhuǎn)入步驟(2)繼續(xù)運(yùn)行。如顫振預(yù)兆仍然存在，程序向下運(yùn)行；(d)計(jì)算此時(shí)顫振頻率FC；(e)判別FC＞Fpost？若FC＞Fpost，則令E＝E-0.1KV/mm，重新測(cè)加速度，按(c)～(d)運(yùn)行；若FC＜Fpost，則令E＝E+0.1KV/mm，重新測(cè)加速度，按(c)～(d)運(yùn)行；(4)上述程序流程在切削加工過(guò)程中一直循環(huán)運(yùn)行，直到切削加工過(guò)程結(jié)束，該控制程序結(jié)束；上述CDM模塊依次執(zhí)行以下步驟(1)輸入采樣加速度信號(hào)ri；(2)將ri輸入LO-RBF型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)程序模塊，依次按以下步驟運(yùn)行(a)計(jì)算傳感信號(hào)時(shí)間序列的概率密度函數(shù)在ri處的估算值f(ri)和概率密度函數(shù)一階微分函數(shù)在ri處的估算值 即計(jì)算(f(ri),∂∂rif(ri))=LO-RBF(ri),]]>(b)構(gòu)造新信號(hào)序列Gn、對(duì)照與每一個(gè)輸入傳感信號(hào)采樣值ri時(shí)得Gn中元素gi為gi=f(ri)/∂∂rif(ri)]]>(3)將gi輸入Fuzzy ARTMap顫振預(yù)兆識(shí)別模塊，依次按以下步驟運(yùn)行(a)判別i＞128？，進(jìn)行判別并循環(huán)運(yùn)行，(b)在采樣頻率為1000Hz下，判別i＞128時(shí)，每隔50毫秒判斷一次顫振是否發(fā)生？即fmod(i，50)＝0，(c)取出時(shí)間信號(hào)序列即取出G序列中前127點(diǎn)，與當(dāng)前值gi構(gòu)成128點(diǎn)的時(shí)間信號(hào)序列G128，即G128＝gi-127，gi-126，…，gi-1，gi}，(d)將G128輸入快速傅立葉變換(FFT)子程序，得到G128的傅立葉變換序列F128，F(xiàn)128＝FFT(G128)，(e)取F128序列前64元素的模構(gòu)成新的序列S64，S64中各元素代表在分析頻段內(nèi)各頻率點(diǎn)的能量密度Si＝|Fi|(i＝1，2，3，…64)，(f)把64維序列S64輸入Fuzzy ARTMap神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(模糊自適應(yīng)共振神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò))子程序，(g)判別Fuzzy ARTMap神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)輸出的二維向量C2C2＝Fuzzy ARTMap(S64)若C2＝{0，1}，表示無(wú)顫振預(yù)兆，若C2＝{1，0}，表示有顫振預(yù)兆，在上述Fuzzy ARTMap監(jiān)督學(xué)習(xí)階段，在切削顫振預(yù)兆存在時(shí)采集得到的M個(gè)64維信號(hào)S64和代表顫振預(yù)兆的M個(gè)兩維向量C2(都為{1，0})同時(shí)分別輸入網(wǎng)絡(luò)的ARTa子模塊和ARTb子模塊；同樣，N個(gè)顫振預(yù)兆不存在時(shí)采集得到的64維信號(hào)S64和代表無(wú)顫振預(yù)兆的N個(gè)兩維向量C2(都為{0，1})同時(shí)分別輸入網(wǎng)絡(luò)的ARTa子模塊和ARTb子模塊。這里，{0，1}對(duì)應(yīng)于無(wú)顫振預(yù)兆，{1，0}對(duì)應(yīng)于有顫振預(yù)兆。通過(guò)這樣的監(jiān)督學(xué)習(xí)，在ARTa子模塊和ARTb子模塊之間以權(quán)值的形式建立起映射關(guān)系。這樣保證網(wǎng)絡(luò)可在線根據(jù)ARTa子模塊的輸入判別加速度采樣信號(hào)中是否存在顫振預(yù)兆。
采用機(jī)床切削顫振在線智能控制方法的系統(tǒng)參見本發(fā)明的系統(tǒng)框圖4和原理框圖5，機(jī)床切削顫振在線智能控制方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)含有計(jì)算機(jī)，其特征在于它包括有設(shè)置有電流變材料的智能型鏜桿，向鏜桿上的電流變材料施加高壓電場(chǎng)的電壓變換器，經(jīng)主板PCI插槽和數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換卡向電壓變換器施加控制電壓信號(hào)的計(jì)算機(jī)，經(jīng)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換卡和主板PCI插槽向計(jì)算機(jī)輸入加速度信號(hào)的電荷放大器，以輸出端與電荷放大器輸入端相連、而輸入信號(hào)為鏜桿端部切削加工過(guò)程中振動(dòng)加速度信號(hào)的加速度傳感器。
在切削系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上采用了一含有一種電流變材料的鏜桿，當(dāng)施加在電流變材料上的控制電場(chǎng)強(qiáng)度由0變化至2000伏特/每毫米時(shí)鏜桿固有頻率有30赫茲的變化量。
采用的電流變材料配置過(guò)程將淀粉(顆粒直徑為10微米到50微米之間)和真空泵油按9∶11混合，再加入適量的松香衍生物及附加添加劑，在室溫下用電動(dòng)攪拌機(jī)攪拌15-30分鐘，攪拌后為均勻的棕色懸浮狀液體。該材料在施加0～10000伏/每毫米的高壓電場(chǎng)后，其所能承受的抗剪切屈服應(yīng)力由0增加到3900帕。
含有電流變材料的智能型鏜桿是在現(xiàn)有的鏜桿上、套有作為電流變材料正電極的薄壁鋼圈，電流變材料負(fù)極為位于相對(duì)于薄壁鋼圈部分的支撐套，兩電極間的0.5mm間隙中裝有電流變材料，電流變材料兩端的密封采用2個(gè)O型圈，支撐套和鏜桿靠四個(gè)內(nèi)六角螺栓從相互垂直的兩個(gè)方向固定，支撐套被裝卡于鏜削系統(tǒng)中的刀架中，加速度傳感器安置于鏜桿的端部。
本發(fā)明將智能材料引入金屬切削加工顫振的在線控制中，應(yīng)用智能材料固有特性對(duì)電控制信號(hào)的瞬間響應(yīng)能力，不僅克服了切削系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)控制信號(hào)響應(yīng)慢的缺點(diǎn)，而且該系統(tǒng)根據(jù)獲得的傳感信息進(jìn)行顫振的在線抑制，克服了切削系統(tǒng)因其復(fù)雜性而難于建立準(zhǔn)確的控制模型的困難。因此該發(fā)明增強(qiáng)了機(jī)械加工設(shè)備適應(yīng)不同的加工對(duì)象和加工條件的能力，大大地提高了機(jī)械加工設(shè)備的柔性化程度。
并且基于該技術(shù)開發(fā)的顫振在線控制裝置可根據(jù)切削振動(dòng)信號(hào)及時(shí)調(diào)控加工系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，將切削顫振抑制在其萌芽狀態(tài)，不在工件表面產(chǎn)生加工振痕，不影響切削加工過(guò)程的正常進(jìn)行，保證加工的質(zhì)量和效率。
本發(fā)明中CDM在線識(shí)別顫振預(yù)測(cè)中的應(yīng)用主要基于大量實(shí)驗(yàn)研究表明加工過(guò)程中顫振的發(fā)展過(guò)程有以下特點(diǎn)(1)顫振波形類似于諧振波，幅值的增長(zhǎng)是一個(gè)漸變的過(guò)程，可分為初始顫振階段、顫振發(fā)展階段和充分顫振階段。
(2)切削振動(dòng)頻率隨顫振的發(fā)展，逐漸穩(wěn)定到接近系統(tǒng)的固有頻率。此時(shí)振動(dòng)能量在頻域內(nèi)分布由寬帶分布轉(zhuǎn)為窄帶能量分布。
(3)在初始顫振階段，振動(dòng)頻率已穩(wěn)定到系統(tǒng)的固有頻率處，此時(shí)振動(dòng)幅值尚未達(dá)到顫振的最大幅值。在顫振幅值達(dá)到充分顫振階段前約有400至600毫秒或更長(zhǎng)，這就給監(jiān)控系統(tǒng)提供了識(shí)別和反饋控制的寶貴時(shí)間。
由上述特點(diǎn)可知由顫振的諧振波特性和頻域的窄帶特征可作為顫振發(fā)生的重要預(yù)兆。本發(fā)明中的顫振預(yù)報(bào)技術(shù)就是基于上述分析，采用局部最佳信號(hào)偵測(cè)技術(shù)和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在顫振發(fā)展階段識(shí)別顫振預(yù)兆，進(jìn)行顫振預(yù)報(bào)，以達(dá)到本發(fā)明的目的。


圖1本發(fā)明中控制方法流程圖，F(xiàn)s＝采樣頻率，E＝電場(chǎng)強(qiáng)度，E0＝初始電場(chǎng)強(qiáng)度，AS＝加速度信號(hào)，CDM＝顫振識(shí)別程序模塊，F(xiàn)c＝顫振頻率，F(xiàn)post＝當(dāng)電流變材料處于屈服后狀態(tài)時(shí)的顫振頻率；圖2CMD在線識(shí)別顫振預(yù)兆流程圖；圖3CMD信息流程圖；圖4本發(fā)明的系統(tǒng)框圖，1、計(jì)算機(jī)，2、主板PCI插槽，3、模擬/數(shù)字?jǐn)?shù)字/模擬轉(zhuǎn)換卡，4、模擬輸入口，5、模擬輸出口，6、電荷放大器，7、加速度傳感器，8、電壓變換器，9、智能鏜桿(含電流變材料)；
圖5本發(fā)明的系統(tǒng)原理框圖，a、干擾，b、動(dòng)態(tài)切削力，c、控制指令，d、振動(dòng)響應(yīng)，10、控制器，11、機(jī)床-工件-刀具組成的機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，12、切削過(guò)程示意模塊；圖6智能型鏜桿結(jié)構(gòu)示意圖，13、支撐套，14、正電極，15、O形圈，16、絕緣套，17、鏜桿，18、鏜刀，L1、鏜桿裝卡長(zhǎng)度，L2、鏜桿懸伸長(zhǎng)度；圖7加速度傳感器安置及鏜削系統(tǒng)示意圖，19、卡盤，20、鏜刀頭夾具，21、工件，22、鏜刀架；圖8本發(fā)明監(jiān)視系統(tǒng)信號(hào)傳輸配置原理圖，23、8通道扁平適配器；圖9利用智能型鏜桿進(jìn)行鏜削加工的系統(tǒng)裝置示意圖；圖10Fuzzy-ARTMAP神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)離線學(xué)習(xí)訓(xùn)練時(shí)信息輸入示意圖；圖11Fuzzy-ARTMAP神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)在線預(yù)報(bào)顫振預(yù)兆時(shí)的信息輸入輸出示意圖。
實(shí)施例本發(fā)明可使用在鏜削加工中。因?yàn)殓M削是內(nèi)孔加工，因此鏜桿一般設(shè)計(jì)成細(xì)長(zhǎng)懸臂梁結(jié)構(gòu)，剛性差，易于受力發(fā)生彎曲變形，在受到動(dòng)態(tài)切削力時(shí)顫振往往無(wú)法避免。本發(fā)明為了克服鏜桿剛度無(wú)法根本提高的弱點(diǎn)，在其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)加入了一種智能材料——電流變材料，通過(guò)對(duì)電流變材料施加電場(chǎng)來(lái)在線改變鏜桿整體的動(dòng)態(tài)特性，結(jié)合顫振在線預(yù)報(bào)技術(shù)在線根據(jù)傳感信號(hào)調(diào)控鏜桿動(dòng)態(tài)特性以避免顫振的發(fā)生。
本實(shí)施例中系統(tǒng)根據(jù)圖4按常規(guī)技術(shù)裝配，其中采用配件及相互關(guān)系描述如下(1)計(jì)算機(jī)CPU型號(hào)為PII233，主板有3個(gè)PCI插槽，在系統(tǒng)中作為數(shù)據(jù)采集、顫振預(yù)報(bào)控制軟件的載體。
(2)模擬/數(shù)字，數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換卡型號(hào)為HY-6070，插于計(jì)算機(jī)PCI插槽中，其模擬輸入端與電荷放大器的電壓輸出端相連，模擬輸出端與高電壓變換器的輸入電壓端相連。
(3)電荷放大器型號(hào)為YE5858，其輸入端將加速度傳感器輸出的電荷量接入，輸出為代表加速度信號(hào)的電壓信號(hào)，輸出接入A/D，D/A卡的模擬輸入端。
(4)加速度傳感器型號(hào)為YE14103，加速度傳感器通過(guò)雙頭螺釘固定在鏜桿的懸臂端，輸出與電荷放大器的電荷輸入端相連。
(5)電壓變換器型號(hào)為GYW-010，其功能為將由計(jì)算機(jī)輸出的0～5伏特的低電壓轉(zhuǎn)換為0～10000伏特的高電壓，其輸入電壓端與A/D，D/A卡的模擬輸出端相連，其高電壓輸出端的兩極分別與鏜桿中電流變材料的正負(fù)極相連。
本發(fā)明的在切削系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將電流變材料引入機(jī)械加工系統(tǒng)關(guān)鍵部件，研制出一種可由外部電信號(hào)直接控制機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的智能型鏜桿。智能型鏜桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)針對(duì)以往基于電流變材料的層合梁結(jié)構(gòu)或中空梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性隨控制電場(chǎng)強(qiáng)度變化而獲得的變化范圍有限的缺點(diǎn)，利用電流變材料改變鏜桿根部的局部支撐剛度，很大地提高了結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的變化范圍，同時(shí)不影響正常的鏜削加工。鏜桿結(jié)構(gòu)如圖6所示，正電極為薄壁鋼圈，支撐套與正電極相對(duì)的部分作為電流變材料的負(fù)極(也就是接地)，電極軸向長(zhǎng)度為20毫米，兩電極間隙為0.5毫米。正電極與鏜桿間有絕緣套，電流變材料灌注入正電極與負(fù)電極間的空腔內(nèi)，電流變材料的密封靠2個(gè)O型圈來(lái)保證。支撐套和鏜桿靠四個(gè)內(nèi)六角螺栓從相互垂直的兩個(gè)方向固定。支撐套被裝卡于鏜削系統(tǒng)中的刀架中，L1等于100毫米，L2等于180毫米，鏜桿懸伸部分的長(zhǎng)度與直徑比為6∶1。在鏜桿的端部安裝鏜刀。采用激振器對(duì)鏜桿激振測(cè)試表明在電流變材料的控制電場(chǎng)強(qiáng)度變化范圍在0至2000伏特/每毫米時(shí)鏜桿固有頻率有30赫茲的變化量。
鏜削系統(tǒng)、加速度傳感器安置如圖7所示。加速度傳感器之所以都采用水平方向，也就是垂直于切削表面這一方向主要是考慮到切削顫振多為再生型顫振，由再生型顫振產(chǎn)生機(jī)理可以知道只有切削深度方向刀具和工件相對(duì)振動(dòng)位移分量才顯著的影響切削力。實(shí)施中證明切削深度方向振動(dòng)響應(yīng)和切削力動(dòng)態(tài)分量比其它方向的傳感信號(hào)能更靈敏的反映切削顫振的發(fā)展過(guò)程。加速度傳感器安裝于鏜桿的端部，因?yàn)樵诙瞬康恼駝?dòng)響應(yīng)明顯。
計(jì)算機(jī)直接處理的數(shù)字信號(hào)流程圖如圖8所示。在加工過(guò)程中，加速度傳感信號(hào)經(jīng)YE14103加速度計(jì)采集經(jīng)YE5853電荷放大器將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后經(jīng)8通道扁平電纜適配器輸入12位A/D轉(zhuǎn)換卡，成為可由計(jì)算機(jī)直接處理的數(shù)字信號(hào)。
電流變材料的配置主要考慮電流變材料工作在室溫范圍內(nèi)，材料體系要具有高的分散穩(wěn)定性，材料要具有大的粘度、彈性模量變化范圍，材料的電流變效應(yīng)穩(wěn)定性高，此外材料要具有低導(dǎo)電性?；九渲眠^(guò)程為將淀粉和真空泵油按混合，再加入適量的松香衍生物及附加添加劑，在室溫下用電動(dòng)攪拌機(jī)攪拌分鐘，攪拌后為均勻的棕色懸浮狀液體。此種材料在不密封、15～40℃的環(huán)境溫度范圍下放置，沒(méi)有出現(xiàn)分層、沉淀現(xiàn)象，而且電流變效應(yīng)明顯。
切削顫振控制系統(tǒng)裝置示意圖如9所示。鏜削系統(tǒng)建立在CA6140車床上，工件懸臂卡置在主軸上，鏜刀安裝在刀架上。監(jiān)控系統(tǒng)為一個(gè)配有HY6070數(shù)據(jù)采集卡的聯(lián)想PII233計(jì)算機(jī)。采集的振動(dòng)信號(hào)為鏜桿端部水平方向的加速度信號(hào)。根據(jù)采集的振動(dòng)信號(hào)和切削顫振在線控制策略，采集卡的輸出通道發(fā)出控制信號(hào)給GYW-010電壓變換器，電壓變換器根據(jù)控制信號(hào)將一定大小電場(chǎng)強(qiáng)度的電場(chǎng)施加在鏜桿中的正負(fù)極間，以此通過(guò)改變正負(fù)極間電流變材料性能來(lái)調(diào)控鏜桿的動(dòng)態(tài)特性。這樣的配置可以保證很方便的根據(jù)切削振動(dòng)信號(hào)來(lái)調(diào)整電源輸出電壓以控制鏜桿的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行切削顫振的在線抑制。
系統(tǒng)控制方法的操作流程如圖1所示。系統(tǒng)由三部分組成系統(tǒng)初始化、顫振識(shí)別和顫振控制。
系統(tǒng)初始化部分主要是將包括采樣頻率、由經(jīng)驗(yàn)決定的初始電場(chǎng)強(qiáng)度等參數(shù)輸入系統(tǒng)。采樣頻率根據(jù)所需的信號(hào)頻段和采樣定理決定，初始電場(chǎng)強(qiáng)度是根據(jù)切削加工條件選擇、由實(shí)驗(yàn)確定的。一旦顫振預(yù)兆被預(yù)測(cè)到，初始電場(chǎng)強(qiáng)度被施加給電流變材料。這樣，可以節(jié)省系統(tǒng)用于搜索最佳電場(chǎng)強(qiáng)度的時(shí)間。
顫振識(shí)別部分包括振動(dòng)信號(hào)(例如加速度、振動(dòng)位移等)的予處理和顫振預(yù)兆在頻譜圖中的捕捉兩個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。傳感信號(hào)的予處理是隨著切削過(guò)程實(shí)時(shí)進(jìn)行的。振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖每隔50毫秒被輸入給Fuzzy ARTMap網(wǎng)絡(luò)，以用于顫振預(yù)兆的識(shí)別。在切削過(guò)程中系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)振動(dòng)信號(hào)，一旦顫振預(yù)兆被識(shí)別到，顫振在線控制程序?qū)⒈粏?dòng)。
第三部分完成顫振在線控制的功能，分為兩個(gè)模塊。在第一個(gè)模塊中，首先一個(gè)峰值搜索程序開始在頻譜圖中找出顫振頻率Fc，令Fpost等于FC。然后，計(jì)算機(jī)發(fā)出控制指令讓電流變材料的控制電源施加初始電場(chǎng)強(qiáng)度給電流變材料。盡管初始電場(chǎng)強(qiáng)度是根據(jù)切削條件，由實(shí)驗(yàn)獲取的最佳值，但由于切削系統(tǒng)的復(fù)雜性，在線搜索最佳電場(chǎng)強(qiáng)度有時(shí)仍是必須的。因此，當(dāng)初始電場(chǎng)強(qiáng)度施加后顫振預(yù)兆仍舊存在時(shí)，第二個(gè)模塊被啟動(dòng)開始連續(xù)在線調(diào)整電場(chǎng)強(qiáng)度直到顫振預(yù)兆消失。如果顫振預(yù)兆消失，程序跳轉(zhuǎn)到顫振在線識(shí)別部分，同時(shí)施加給電流變材料的電場(chǎng)強(qiáng)度恢復(fù)為零電場(chǎng)強(qiáng)度。
在第二個(gè)模塊中，采用了一個(gè)反饋控制策略以調(diào)整電場(chǎng)強(qiáng)度、抑制顫振的發(fā)生?？刂撇呗匀鐖D7所示如施加初始電場(chǎng)強(qiáng)度后顫振預(yù)兆仍然存在，則首先計(jì)算顫振頻率FC，如此時(shí)顫振頻率FC大于施加電場(chǎng)強(qiáng)度前的顫振頻率Fpost，則減小施加于電流變材料的電場(chǎng)強(qiáng)度，如果FC不大于Fpost，則增大施加于電流變材料的電場(chǎng)強(qiáng)度。然后再采集切削振動(dòng)信號(hào)，判斷顫振預(yù)兆是否存在，如存在說(shuō)明顫振仍有發(fā)生的可能，那么再次計(jì)算顫振頻率，按照上述過(guò)程反復(fù)計(jì)算、調(diào)節(jié)電場(chǎng)強(qiáng)度，直到顫振預(yù)兆消失。
顫振識(shí)別預(yù)報(bào)技術(shù)的信息流動(dòng)如圖3所示。首先，將加速度信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換采入計(jì)算機(jī)，采樣頻率設(shè)定為1000Hz是因?yàn)殓M削顫振主要發(fā)生在鏜桿固有頻率附近，一般為150～400Hz之間，所以為了達(dá)到滿意的時(shí)頻轉(zhuǎn)換結(jié)果，采樣頻率取為1000Hz。
接著，將加速度信號(hào)序列經(jīng)LO-RBF偵測(cè)技術(shù)進(jìn)行予處理，產(chǎn)生新的信號(hào)序列。采用LO-RBF偵測(cè)技術(shù)目的是增加背景噪聲中顫振預(yù)兆信號(hào)——諧振信號(hào)的強(qiáng)度。經(jīng)LO-RBF偵測(cè)技術(shù)重構(gòu)的信號(hào)序列在做快速傅立葉轉(zhuǎn)換時(shí)可以取較少的采樣點(diǎn)數(shù)即可在顫振初始階段的信號(hào)頻譜圖中顯現(xiàn)其窄帶特征。這樣可以減少大量的用于數(shù)據(jù)取的采樣時(shí)間。本發(fā)明經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定采用128點(diǎn)的快速傅立葉變換可達(dá)到在鏜削顫振初始階段的加速度頻譜中顯現(xiàn)顫振預(yù)兆的窄帶能量分布特征。然后，利用模糊理論和自適應(yīng)共振神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的Fuzzy Artmap網(wǎng)絡(luò)模型作為模式分類器，來(lái)對(duì)切削過(guò)程的穩(wěn)定性進(jìn)行判定。在網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)督學(xué)習(xí)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的輸入分別為FFT變換后得到的分析頻段(1～500Hz)各頻率點(diǎn)的模向量A(64維)和代表顫振預(yù)兆出現(xiàn)和無(wú)顫振的二維向量B({0，1}和{1，0})。在學(xué)習(xí)成功后，在向量A和向量B間建立了確定的映射關(guān)系。在線預(yù)報(bào)階段，網(wǎng)絡(luò)的輸入為實(shí)時(shí)在線采集信號(hào)經(jīng)處理后進(jìn)行FFT變化后的模向量A，輸出為對(duì)顫振預(yù)兆進(jìn)行預(yù)報(bào)的結(jié)果。
該技術(shù)在顫振預(yù)報(bào)速度上可以達(dá)到在顫振預(yù)兆出現(xiàn)后50ms內(nèi)做出準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。
本發(fā)明中所采用的是Fuzzy ARTMap人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型。在監(jiān)督學(xué)習(xí)階段采用的Fuzzy-ARTMap網(wǎng)絡(luò)是由一對(duì)Fuzzy-ART神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(分別為ARTa、ARTb)和ARTa、ARTb之間的映射控制器組成。這里，ARTa的輸入信號(hào)為64維信號(hào)S64，分別代表分析頻段(1～500Hz)內(nèi)各頻率點(diǎn)的能量密度。ARTb的輸入為2維信號(hào)C2，分別為{0，1}和{1，0}，它們分別代表有顫振預(yù)兆和無(wú)顫振預(yù)兆。
網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)是在離線狀態(tài)下進(jìn)行的，參見圖10。通過(guò)在不同切削條件下的切削實(shí)驗(yàn)，獲取顫振由無(wú)到有過(guò)程中加速度信號(hào)的采樣序列，將之經(jīng)LO-RBF網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)成Gn序列，對(duì)Gn序列分段進(jìn)行128點(diǎn)FFT變換，將所得的M個(gè)64維向量S64作為ARTa的輸入向量組。然后根據(jù)工件表面切削振紋的深淺判斷顫振預(yù)兆出現(xiàn)的時(shí)刻，將輸入向量組分成兩部分前K個(gè)為平穩(wěn)切削，即無(wú)顫振現(xiàn)象時(shí)ARTa的輸入向量組；后(M-K)個(gè)為顫振預(yù)兆存在時(shí)的ARTa的輸入向量。與上述兩部分ARTa的輸入向量組相對(duì)應(yīng)，ARTb的輸入向量組C2分別為{0，1}和{1，0}。Fuzzy-ARTMAP采用模糊最大最小學(xué)習(xí)規(guī)則進(jìn)行遞增學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)成功后，通過(guò)ARTa、ARTb和ARTa、ARTb之間的映射控制器連接起來(lái)的權(quán)向量Wja、Wkb和Wjab在ARTa和ARTb之間建立起映射關(guān)系。
在線預(yù)報(bào)階段參見圖11。此階段，ARTa的輸入信號(hào)為在線實(shí)時(shí)獲取的64維信號(hào)S64，ARTb此時(shí)作為輸出端，當(dāng)無(wú)顫振預(yù)兆時(shí)輸出C2為{0，1}，當(dāng)有顫振預(yù)兆時(shí)輸出C2為{1，0}。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)床切削顫振在線智能控制方法，其特征在于根據(jù)實(shí)時(shí)采集的切削振動(dòng)加速度信號(hào)快速調(diào)整切削振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性以避免切削自激振動(dòng)—顫振的發(fā)生，其依次包括以下步驟(1)系統(tǒng)初始化，設(shè)定初始化電場(chǎng)強(qiáng)度E0，采樣頻率Fs；(2)顫振識(shí)別把加速度信號(hào)輸入顫振識(shí)別程序模塊CDM，循環(huán)判別并運(yùn)行，一直到識(shí)別出顫振預(yù)兆；(3)顫振控制(a)一旦識(shí)別出顫振預(yù)兆，計(jì)算此時(shí)得顫振頻率FC，令Fpost＝FC，F(xiàn)post施加電場(chǎng)強(qiáng)度前的顫振頻率；(b)施加控制電場(chǎng)強(qiáng)度E＝E0KV/mm；(c)再把加速度信號(hào)輸入上述CDM模塊，判別此時(shí)顫振預(yù)兆是否仍然存在，如顫振預(yù)兆消失，令施加的電場(chǎng)強(qiáng)度E＝0，然后程序轉(zhuǎn)入步驟(2)繼續(xù)運(yùn)行。如顫振預(yù)兆仍然存在，程序向下運(yùn)行；(d)計(jì)算此時(shí)顫振頻率FC；(e)判別FC＞Fpost？若FC＞Fpost，則令E＝E-0.1KV/mm，重新測(cè)加速度，按(c)～(d)運(yùn)行；若FC＜Fpost，則令E＝E+0.1KV/mm，重新測(cè)加速度，按(c)～(d)運(yùn)行；(4)上述程序流程在切削加工過(guò)程中一直循環(huán)運(yùn)行，直到切削加工過(guò)程結(jié)束，該控制程序結(jié)束；上述CDM模塊依次執(zhí)行以下步驟(1)輸入采樣加速度信號(hào)ri；(2)將ri輸入LO-RBF型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)程序模塊，依次按以下步驟運(yùn)行(a)計(jì)算傳感信號(hào)時(shí)間序列的概率密度函數(shù)在ri處的估算值f(ri)和概率密度函數(shù)一階微分函數(shù)在ri處的估算值 即計(jì)算(f(ri),∂∂rif(ri))=LO-RBF(ri),]]>(b)構(gòu)造新信號(hào)序列Gn、對(duì)照與每一個(gè)輸入傳感信號(hào)采樣值ri時(shí)得Gn中元素gi為gi=f(ri)/∂∂rif(ri)]]>(3)將gi輸入FuzzyARTMap顫振預(yù)兆識(shí)別模塊，依次按以下步驟運(yùn)行(a)判別i＞128？，進(jìn)行判別并循環(huán)運(yùn)行，(b)在采樣頻率為1000Hz下，判別i＞128時(shí)，每隔50毫秒判斷一次顫振是否發(fā)生？即fmod(i，50)＝0，(c)取出時(shí)間信號(hào)序列即取出G序列中前127點(diǎn)，與當(dāng)前值gi構(gòu)成128點(diǎn)的時(shí)間信號(hào)序列G128，即G128＝｛gi-127，gi-126，…，gi-1，gi}，(d)將G128輸入快速傅立葉變換(FFT)子程序，得到G128的傅立葉變換序列F128，F(xiàn)128＝FFT(G128)，(e)取F128序列前64元素的模構(gòu)成新的序列S64，S64中各元素代表在分析頻段內(nèi)各頻率點(diǎn)的能量密度Si＝|Fi|(i＝1，2，3，…64)，(f)把64維序列S64輸入Fuzzy ARTMap神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)(模糊自適應(yīng)共振神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò))子程序，(g)判別Fuzzy ARTMap神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)輸出的二維向量C2C2＝Fuzzy ARTMap(S64)若C2＝{0，1}，表示無(wú)顫振預(yù)兆，若C2＝{1，0}，表示有顫振預(yù)兆，在上述Fuzzy ARTMap監(jiān)督學(xué)習(xí)階段，在切削顫振預(yù)兆存在時(shí)采集得到的M個(gè)64維信號(hào)S64和代表顫振預(yù)兆的M個(gè)兩維向量C2(都為{1，0})同時(shí)分別輸入網(wǎng)絡(luò)的ARTa子模塊和ARTb子模塊；同樣，N個(gè)顫振預(yù)兆不存在時(shí)采集得到的64維信號(hào)S64和代表無(wú)顫振預(yù)兆的N個(gè)兩維向量C2(都為{0，1})同時(shí)分別輸入網(wǎng)絡(luò)的ARTa子模塊和ARTb子模塊。這里，{0，1}對(duì)應(yīng)于無(wú)顫振預(yù)兆，{1，0}對(duì)應(yīng)于有顫振預(yù)兆。通過(guò)這樣的監(jiān)督學(xué)習(xí)，在ARTa子模塊和ARTb子模塊之間以權(quán)值的形式建立起映射關(guān)系。這樣保證網(wǎng)絡(luò)可在線根據(jù)ARTa子模塊的輸入判別加速度采樣信號(hào)中是否存在顫振預(yù)兆。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的機(jī)床切削顫振在線智能控制方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)含有計(jì)算機(jī)，其特征在于它包括有設(shè)置有電流變材料的智能型鏜桿，向鏜桿上的電流變材料施加高壓電場(chǎng)的電壓變換器，經(jīng)主板PCI插槽和數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換卡向電壓變換器施加控制電壓信號(hào)的計(jì)算機(jī)，經(jīng)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換卡和主板PCI插槽向計(jì)算機(jī)輸入加速度信號(hào)的電荷放大器，以輸出端與電荷放大器輸入端相連、而輸入信號(hào)為鏜桿端部切削加工過(guò)程中振動(dòng)加速度信號(hào)的加速度傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的機(jī)床切削顫振在線智能控制系統(tǒng)，其特征在于，在切削系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上采用了一含有一種電流變材料的鏜桿，當(dāng)施加在電流變材料上的控制電場(chǎng)強(qiáng)度由0變化至2000伏特/每毫米時(shí)鏜桿固有頻率有30赫茲的變化量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的機(jī)床切削顫振在線智能控制系統(tǒng)，其特征在于，采用的電流變材料配置過(guò)程將淀粉(顆粒直徑為10微米到50微米之間)和真空泵油按9∶11混合，再加入適量的松香衍生物及附加添加劑，在室溫下用電動(dòng)攪拌機(jī)攪拌15-30分鐘，攪拌后為均勻的棕色懸浮狀液體。該材料在施加0～10000伏/每毫米的高壓電場(chǎng)后，其所能承受的抗剪切屈服應(yīng)力由0增加到3900帕。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2的機(jī)床切削顫振在線智能控制系統(tǒng)，其特征在于所述的含有電流變材料的智能型鏜桿是在現(xiàn)有的鏜桿上、套有作為電流變材料正電極的薄壁鋼圈，電流變材料負(fù)極為位于相對(duì)于薄壁鋼圈部分的支撐套，兩電極間的0.5mm間隙中裝有電流變材料，電流變材料兩端的密封采用2個(gè)O型圈，支撐套和鏜桿靠四個(gè)內(nèi)六角螺栓從相互垂直的兩個(gè)方向固定，支撐套被裝卡于鏜削系統(tǒng)中的刀架中，加速度傳感器安置于鏜桿的端部。
全文摘要
一種機(jī)床切削顫振在線智能控制方法及其系統(tǒng),用于精密柔性制造加工領(lǐng)域。系統(tǒng)包括利用電流變材料設(shè)計(jì)的一種動(dòng)態(tài)特性可以在線快速調(diào)整的智能型鏜桿,向電流變材料施加高壓電場(chǎng)的電壓變換器,計(jì)算機(jī)、電荷放大器,及輸入加速度信號(hào)的加速度傳感器,加工系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性在線調(diào)整主要依靠含有電流變材料的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)新行?？刂品椒òㄏ到y(tǒng)初始化、顫振識(shí)別和顫振控制三部分。該方法中采用CDM方法在線識(shí)別顫振預(yù)兆,可以達(dá)到在50ms內(nèi)對(duì)出現(xiàn)的顫振預(yù)兆進(jìn)行識(shí)別。本發(fā)明可根據(jù)切削振動(dòng)信號(hào)快速預(yù)報(bào)切削顫振預(yù)兆,并根據(jù)加速度信號(hào)中蘊(yùn)涵信息及時(shí)在線調(diào)整切削系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,將切削顫振抑制在其萌芽狀態(tài),不在工件表面產(chǎn)生加工振痕,保證加工的質(zhì)量和效率。
文檔編號(hào)G01H11/06GK1349877SQ0114448
公開日2002年5月22日 申請(qǐng)日期2001年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月19日
發(fā)明者王民, 費(fèi)仁元 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)