阅读说明：本技术 在线同时调整变主轴转速幅值和频率的主动颤振抑制方法 (Active flutter suppression method for simultaneously adjusting amplitude and frequency of variable spindle rotation speed on line ) 是由 熊振华 丁龙杨 孙宇昕 朱向阳 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种在线同时调整变主轴转速幅值和频率的主动颤振抑制方法,包括：当数控车床进行切削加工时,实时采集振动信号,并利用滑动窗口方法更新颤振指标,对加工状态进行在线监控；将实时计算出的颤振指标与设定的阈值进行对比,并计算出二者的差值,将其作为两个PID控制器的输入,两个PID控制器的输出经过饱和器模块进行限幅；将两个PID控制器的输出经过饱和器模块进行限幅后的值分别指定为变主轴转速的归一化的幅值和频率,在线调整所述变主轴转速的幅值和频率,实现自适应颤振抑制。本发明提出在线调整SSV参数的自适应颤振抑制系统,对于有效避免各种程度颤振发生,提高工件的加工质量和加工效率具有十分重要的意义和价值。(The invention discloses an active flutter suppression method for simultaneously adjusting the amplitude and frequency of variable spindle rotation speed on line, which comprises the following steps: when the numerical control lathe is used for cutting, vibration signals are collected in real time, flutter indexes are updated by a sliding window method, and the machining state is monitored on line; comparing the flutter index calculated in real time with a set threshold value, calculating the difference value of the flutter index and the set threshold value, taking the difference value as the input of two PID controllers, and limiting the output of the two PID controllers through a saturator module; and respectively designating values of the outputs of the two PID controllers after amplitude limiting through a saturator module as the normalized amplitude and frequency of the variable spindle rotating speed, and adjusting the amplitude and frequency of the variable spindle rotating speed on line to realize self-adaptive flutter suppression. The invention provides a self-adaptive flutter suppression system for online adjustment of SSV parameters, which has very important significance and value for effectively avoiding various degrees of flutter and improving the processing quality and the processing efficiency of workpieces.)

在线同时调整变主轴转速幅值和频率的主动颤振抑制方法

技术领域

本发明涉及智能制造技术领域，尤其涉及一种在线同时调整变主轴转速幅值和频率的主动颤振抑制方法。

背景技术

由于工业产品的轻量化要求，越来越多的产品零部件采用薄壁结构。然而，由于薄壁零件自身刚性弱，加工工艺性差，容易引发加工颤振。颤振是发生在刀具与工件之间的一种自激振动，通常认为是切屑厚度的再生引起的。颤振出现会造成工件表面质量急剧下降，机床和刀具寿命缩短，噪声危害增强等，严重影响零件的加工质量和加工效率。在车削过程中，通过连续变化主轴转速(如正弦变化)的方法可以有效干扰再生效应从而达到抑制颤振的目的。虽然利用变主轴转速(spindle speed variation，SSV)来抑制颤振的效果已经被广泛证实，但是针对特定的加工条件选择合适的变主轴转速参数一直是一个难题。首先，切削加工系统是一个非常复杂的系统，准确建模非常困难，而且SSV参数对加工稳定性的影响也与切削系统、加工参数等众多因素相关，所以很难利用加工模型通过离线计算准确地确定合适的SSV参数。另外，对于薄壁零件来说，在加工过程中由于材料去除和加工位置变化，工件的模态参数会随时间而变化，进一步增加了准确确定有效的SSV参数的困难。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种在线同时调整变主轴转速幅值和频率的主动颤振抑制方法，提出在线调整SSV参数的自适应颤振抑制系统，对于有效避免各种程度颤振发生，提高工件的加工质量和加工效率具有十分重要的意义和价值。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何针对当前SSV技术用到颤振抑制中存在问题，通过闭环控制系统同时调节SSV的双参数实现主动颤振抑制，从而能够抑制不同加工工况下的颤振。

为实现上述目的，本发明提供了一种在线同时调整变主轴转速幅值和频率的主动颤振抑制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、当数控车床进行切削加工时，实时采集振动信号，并利用滑动窗口方法更新颤振指标，对加工状态进行在线监控；

步骤2、将实时计算出的所述颤振指标与设定的阈值进行对比，并计算出二者的差值，将其作为两个PID控制器的输入，所述两个PID控制器的输出经过饱和器模块进行限幅；

步骤3、将步骤2中所述两个PID控制器的输出经过饱和器模块进行限幅后的值分别指定为变主轴转速的归一化的幅值和频率，在线调整变主轴转速的幅值和频率，实现自适应颤振抑制。

进一步地，所述步骤1中的所述实时采集的振动信号包括切削力信号、声音信号和加速度信号中的一种或多种。

进一步地，所述步骤1中的所述更新颤振指标为更新小波包熵，具体包括采用小波包矩阵与滑动窗内信号序列相乘的方法计算所述小波包熵，其中所述小波包矩阵通过Matlab离线得到，作为已知量存在计算机的存储器中，在实时计算中直接调用。

进一步地，所述步骤1中的所述更新颤振指标还包括将计算出的所述小波包熵值除以在当前分解层数下的所述小波包熵的最大值，做归一化处理。

进一步地，所述步骤2中的所述两个PID控制器采用两个FOPID控制器，并且其参数在设定的目标函数下经过启发式算法进行离线优化得到，以获得更好的颤振控制性能。

进一步地，所述启发式算法包括遗传算法、粒子群算法和差分进化算法中的一种。

进一步地，所述目标函数具体公式为

式中，e(t)是计算小波包熵与设定值的差值，M_p是控制过程中的最大超调量，t_f是末端时刻，ω₁与ω₂分别是时间误差乘积积分和最大超调量的权值。

进一步地，所述步骤3中的所述在线调整变主轴转速的幅值和频率的实现包括利用机床PLC在线修改数控系统内的R参数。

进一步地，所述步骤3中的所述在线调整变主轴转速的幅值和频率还包括在数控程序中，利用同步动作实现所述变主轴转速功能。

进一步地，所述数控系统为西门子SINUMERIK 840D系统。

与现有技术相比，本发明通过在线调整SSV两个参数来实现车削加工颤振的自适应抑制，具有以下区别于传统颤振抑制方法的显著优势和有益的技术效果：

本发明所述方法属于主动颤振抑制方法，只有在检测到颤振的存在时，数控加工系统才会利用本发明提供的PID控制算法，调节SSV的幅值和频率使得颤振指标值控制在设定阈值附近，达到抑制颤振的目的，解决了常规利用SSV方法抑制颤振时需要根据经验或预测确定一组恒定的SSV参数的被动方法存在的问题和缺点。另外，同时改变主轴变转速的幅值和频率相对单独调节变转速幅值或频率具有更加灵活的颤振控制能力，能够适应更加广泛的加工场景。

同时，本发明提供的主动颤振抑制方法通过在线调整SSV的幅值和频率实现颤振的抑制，不需要模型信息和先验知识，方法简单，易于实现，不需要改变主轴、机床的结构或设计额外的主动颤振抑制装置。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的基于优化的FOPID控制器在线调整变主轴转速的幅值和频率的主动颤振抑制系统框图；

图2是本发明的一个较佳实施例的主动颤振抑制方法的车削颤振模型示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的主动颤振抑制方法的最优目标函数的收敛过程示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的主动颤振抑制方法的小波包熵值的变化示意图；

图5是本发明的一个较佳实施例的基于SSV参数在线调整的主动颤振抑制方法与采用恒转速加工的稳定性叶瓣图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

本发明公开了一种在线同时调整变主轴转速幅值和频率的主动颤振抑制方法，主要涉及加工过程的抑制振动技术。在数控车床加工过程中，通过在线采集能够反映振动状态的信号，比如，切削力信号，声音信号及加速度信号等，利用信号处理方法提取出颤振指标，如小波包熵(wavelet pocket entropy，WPE)，定量反映颤振程度，将在线计算出的颤振指标与设定的阈值的差值作为两个PID控制器的输入，而输出经过饱和器模块限幅后分别指定为变主轴转速的归一化的幅值和频率，同时在线调整变主轴转速的幅值和频率，从而实现自适应颤振抑制的目的。需要注意的是，进一步把PID控制器提升为经过启发式算法进行参数优化的两个分数阶比例积分微分(fractional order proportional integraldifferential，FOPID)控制器，能够提供更优异的颤振控制性能。

为更明确阐述本发明提出的方法，图1为利用优化的FOPID控制器在线调整变主轴转速的幅值和频率的主动颤振抑制系统框图。

如图1所示，一种基于优化的FOPID控制器在线调整变主轴转速幅值和频率的主动颤振抑制方法包含如下步骤：

步骤1中，如图2所示为考虑刀具磨损的车削颤振系统的动力学模型。其中，1是工件，2是刀具，3是等效的刚度，4是等效的阻尼。x(t)是当前切削的振动位移，x(t-τ)是前一转切削的振动位移，h(t)是实际切削深度，h₀(t)是名义切削深度，l_w是刀具磨损长度，l_c是刀刃间隙长度，γ是刀刃间隙角。其模型参数和加工参数如表1所示。表1中，m，ξ，ω_n分别是车削刀具的模态质量、阻尼系数和固有频率。K_d是进给方向上的切削力系数，k_sp是单位体积切削力系数，l_w是刀具磨损长度，Ω₀是名义主轴转速，T_c是颤振周期，D是加工工件直径。在车削加工时，实时采集振动位移信号，并利用滑动窗口方法更新颤振指标——小波包熵，并做归一化处理，对加工状态进行在线监控。在计算小波包熵时，采用小波包矩阵与滑动窗内信号序列相乘的方法。采用的归一化处理方法是将计算出的小波包熵值除以在当前分解层数下的小波包熵的最大值。

表1.采用的考虑刀具磨损的车削颤振系统的模型参数和加工参数

步骤2中，将实时计算出的小波包熵与设定的阈值进行对比，并计算出二者的差值，将其作为两个FOPID控制器的输入，而输出需要经过饱和器模块进行限幅。两个FOPID控制器的参数是经过启发式算法进行离线优化的，其中在优化过程中采用的目标函数为

式中，e(t)是计算小波包熵与设定值的差值，M_p是控制过程中的最大超调量，t_f是末端时刻，ω₁与ω₂分别是时间误差乘积积分和最大超调量的权值。利用这个综合目标函数可以有效减小小波包熵的超调量和控制误差。经过优化获得的控制参数，可以得到更好的颤振控制性能。

步骤3中，两个FOPID控制器的输出经过饱和器后的值分别指定为变主轴转速的归一化的幅值(RVA)和频率(RVF)，利用机床PLC在线修改数控系统内的R参数，通过主轴驱动系统在线调整变主轴转速的幅值和频率两个参数，实现自适应颤振抑制的目的。在西门子SINUMERIK 840D系统数控程序中，利用同步动作实现变主轴转速功能。

本发明所述的方法优选实施方式中，步骤1中，在车刀刀架下面安装三维力传感器，用于采集加工过程中的进给方向上的切削力信号，信号的采样频率设置为20kHz。另外，计算小波包熵的滑动串口的长度为500个数据点，颤振阈值设定为0.9。

本发明所述的方法优选实施方式中，步骤2中，FOPID运算子采用Oustaloup滤波器进行近似，该滤波器的上下边界频率分别为0.001rad/s和1000rad/s，近似滤波器的阶数为4。饱和器模块的范围设定为[0,0.2]。目标函数中的两个权重因子都设置为0.5，加工时间设置为10s。对控制器参数进行优化采用的启发式算法是具有外部最优存档的自适应差分进化(JADE)算法，设置种群大小为50，迭代次数为30，两个恒定参数p＝0.1，c＝0.1。FOPID控制器参数的搜索区间为K_p∈[0,15]，K_i∈[0,15]，K_d∈[0,15]，{λ,μ}＝[0,2]。在仿真实验中采用的切削深度是12mm，在恒转速加工时，切削系统是不稳定的。经过上述优化过程得到的最优FOPID控制器参数为：K_p1＝2.827，K_i1＝6.324，K_d1＝7.633，λ₁＝0.910，μ₁＝0.279，K_p2＝9.988，K_i2＝4.465，K_d2＝2.635，λ₂＝0.348，μ₂＝1.033。在优化过程中，目标函数的收敛过程如图3所示。

本发明所述的方法优选实施方式中，步骤3中，对输出的波动的速度进行平滑处理，仿真中得到的小波包熵值如图4所示。可以看出，通过本发明的使用，能够将颤振指标控制在设定阈值0.9附近，避免颤振发生，提高了加工效率和加工质量。在没有应用本发明时，如果选择的SSV参数不当，将不能抑制颤振发展，难以保证加工质量。

为进一步整体反映所提出的自适应颤振抑制对加工稳定性的影响，我们采用离散点连线法绘制出在采用本发明方法和恒转速下的稳定性叶瓣图如图5所示。

从图中可以看出车削加工过的稳定切深边界被明显提升，相应也提高了加工效率。比如，在名义主轴转速为1400rpm时，临界稳定切深由恒转速加工时的6mm增加到16.5mm，增加了接近两倍。所以，可以看出采用本发明提出的颤振抑制方法，可以明显提高稳定切深，极大提高生产效率。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。