一種銑削加工中刀具顫振的檢測系統(tǒng)及其檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種銑削加工中刀具顫振的檢測系統(tǒng)及其檢測方法，屬于加工檢測技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]高速銑削加工具有高生產(chǎn)效率、高加工表面質(zhì)量、低制造成本和短產(chǎn)品開發(fā)周期 等突出優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于航空、航天、模具、汽車等制造業(yè)，滿足制造業(yè)不斷發(fā)展的需求。然 而，高速銑削的諸多優(yōu)越性必定是以高轉(zhuǎn)速下的無振動穩(wěn)定銑削過程為前提的。在銑削的 過程中，由于銑削力和其他不確定性載荷的作用，工藝系統(tǒng)往往會發(fā)生顫振現(xiàn)象。銑削顫振 的發(fā)生不僅會降低工件已加工表面的質(zhì)量，而且會影響刀具乃至車床的使用壽命。在《中國 制造2025》中，提出將發(fā)展高端數(shù)控機(jī)床作為"加快戰(zhàn)略的必爭領(lǐng)域"，振動對精密化的現(xiàn)代 機(jī)床影響尤甚，精密機(jī)床所能保證的高精度將會在振動過程中嚴(yán)重下降。因此，為了保證這 類機(jī)床的高精度，往往采用減少切削用量等措施，降低了加工的切削效率，不能實(shí)現(xiàn)高精度 機(jī)床的價(jià)值最大化使用。同時(shí)，顫振產(chǎn)生的噪音也會刺激操作工人，降低工作效率。
[0003]銑削顫振的檢測方法主要分為接觸式和非接觸式兩種。傳感器的快速發(fā)展為銑削 顫振的檢測提供了更為方便的方法，分析銑削過程中切削力的變化被認(rèn)為是最直接，最可 靠的反映切削過程中振動現(xiàn)象，但是該方法實(shí)際操作復(fù)雜，所需設(shè)備十分昂貴。20年代初 期，很多專家學(xué)者采用接觸式測量方式，如壓電式、應(yīng)變式測力計(jì)，對銑削過程中的切削力 進(jìn)行測量。在現(xiàn)代多變的加工環(huán)境中，接觸式測量方式存在著加工工件尺寸、安裝方式等局 限性。聲音信號也可以反映振動信號，目前，常用的是超聲波傳感器檢測，通過對聲信號的 頻譜分析，從而對振動現(xiàn)象進(jìn)行分析，但是這種方法存在精度不高的缺陷。相應(yīng)地，尋找一 種更為完善的顫振檢測技術(shù)，成為本領(lǐng)域亟需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種銑削加工中刀具顫振的檢測 系統(tǒng)及其檢測方法，解決了目前在銑削加工過程中，大量振動信號的獲取十分困難低效，對 顫振信號的分析也會受到與顫振無關(guān)的成分影響的問題。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0006] -種銑削加工中刀具顫振的檢測系統(tǒng)，其特征是，包括位移檢測單元、數(shù)據(jù)采集單 元、中央處理單元;所述位移檢測單元設(shè)置在數(shù)控機(jī)床周邊;所述位移檢測單元用于檢測每 一時(shí)刻刀具表面的對應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo);所述數(shù)據(jù)采集單元用于將位移檢測單元檢測的信號傳遞 至中央處理單元;所述中央處理單元根據(jù)位移檢測單元檢測的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，確定刀具的中心 和中心位置的跳動，通過HHT算法對檢測的振動信號進(jìn)行分析。
[0007] 前述的一種銑削加工中刀具顫振的檢測系統(tǒng)，其特征是，所述位移檢測單元采用 多點(diǎn)激光位移傳感器或若干個(gè)單點(diǎn)激光傳感器。
[0008] 前述的一種銑削加工中刀具顫振的檢測系統(tǒng)，其特征是，所述位移采集單元采用 多通道數(shù)據(jù)采集卡。
[0009]前述的一種銑削加工中刀具顫振的檢測系統(tǒng)，其特征是，所述位移檢測單元通過 USB數(shù)據(jù)傳輸線與中央處理單元相連。
[0010] 一種銑削加工中刀具顫振的檢測方法，其特征是，包括如下步驟：
[0011] 1)選擇合適的位移米樣窗口；
[0012] 2)采用半徑約束最小二乘法確定刀具的中心以及相應(yīng)刀具中心的振動變化；
[0013] 3)對刀具振動信號進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，利用HHT變換得到時(shí)頻譜；
[0014] 4)驗(yàn)證時(shí)頻譜是否滿足顫振規(guī)律，若滿足則檢測結(jié)束，若不一致，返回步驟1)，重 新進(jìn)行檢測，查看銑削加工其他過程是否發(fā)生顫振。
[0015] 前述的一種銑削加工中刀具顫振的檢測方法，其特征是，所述步驟2)中，中央處理 單元在確定刀具的中心時(shí)，基于三點(diǎn)成圓的基本原理，提取圓弧上的采樣點(diǎn)，并結(jié)合銑削刀 具的半徑數(shù)據(jù)，采用基于半徑約束的最小二乘法進(jìn)行刀具中心的確定。
[0016] 前述的一種銑削加工中刀具顫振的檢測方法，其特征是，所述步驟2)中，對刀具表 面采集的位移信號采用半徑約束最小二乘法時(shí)，包括如下步驟：
[0017] 21)假設(shè)t采樣時(shí)刻的刀具中心位置為0(xi，yi)，已知刀具半徑為R，利用位移檢測 單元測得m個(gè)離散采樣點(diǎn)（xij，yij)，j = 1，2，3. . .，m，m為ti時(shí)刻采樣點(diǎn)數(shù)，使得(xij，yij)到0 (Xl，yi)距離的平方和最??；
[0018] 22)基于一般圓方程可表示為(x-Xl)2+(y- yi)2 = R2,確立半徑約束的最小二乘圓擬 合：
，以及目標(biāo)函數(shù)為

[0019] 23)根據(jù)多元函數(shù)求極值的必要條件得：
，用矩陣表示
求得相應(yīng)的xi，yi坐標(biāo)；
[0020] 24)對所有采樣時(shí)刻ti，i = l，2,3, . . .，n，n為采樣次數(shù)，均按上述方法求解出對應(yīng) 的刀具中心坐標(biāo)，貝|1可獲得刀具在)(，￥方向顫振信號，)(=1^142， >"011]，￥=[71，72，···"!!]。
[0021] 前述的一種銑削加工中刀具顫振的檢測方法，其特征是，所述步驟3)中，中央處理 單元對刀具中心位移信號的分析采用HHT算法時(shí)，在銑削加工過程中，X，Y兩個(gè)方向上的顫 振規(guī)律相同，只是大小不同，假設(shè)在X方向的顫振最大，在X方向進(jìn)行ΗΗΤ變化，包括如下步 驟：
[0022] 31)對位移信號進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)EMD分解處理得到本征模態(tài)頂F;
[0023] 32)對分解得到的Ν個(gè)頂F分量進(jìn)行篩選獲得特征頂F分量Ci(t)，i = l，2···，!!，!^ 特征MF分量的個(gè)數(shù)，以及信號剩余部分r(t)，則原始信號X(t)可表示成所有頂F及余量之 和：X(t) = Cl(t)+C2(t) + ...+Cn(t)+r(t);
[0024] 33)分別計(jì)算n個(gè)特征MF分量的時(shí)頻譜:根據(jù)公式： 進(jìn)行HHT變 換，其中P表示cauchy主值；
[0025] 34)c(t)和y(t)合成解析信號z(t)，z(t) = c(t) + iy(t)，BPz(t) = a(t)exp[t0 (t)]，定義時(shí)變的幅值和相位：
[0026] 35)將瞬時(shí)頻率ω (t) = d0 (t)/dt組合起來，時(shí)變幅值a(t)的時(shí)頻分布就定義為分 量c(t)的Hilbert譜:Η( ω，t)=H(〇(t)，t)=a(t);
[0027] 3 6 )匯總所有分量的H i 1 b e r t譜，就得到原始信號的H i 1 b e r t譜：
[0028] 前述的一種銑削加工中刀具顫振的檢測方法，其特征是，在所述步驟32)中IMF篩 選，分量c(n)需滿足：（1)極值點(diǎn)數(shù)目和過零點(diǎn)數(shù)目相等或者至多相差一個(gè)；（2)對信號上任 意一點(diǎn)，信號的局部極大值定義的上包絡(luò)線和信號的局部極小值定義的下包絡(luò)線的平均值 為零;r)t)或c(n)需滿足:剩余部分r(t)或c(n)為一單調(diào)信號(r(t)稱為殘余項(xiàng)，僅表示信 號x(t)的均值或趨勢）。
[0029] 前述的一種銑削加工中刀具顫振的檢測方法，其特征是，所述步驟4)中通過繪制 HHT的時(shí)頻譜，驗(yàn)證是否滿足顫振規(guī)律。
[0030] 本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：1、通過采用激光位移傳感器這種非接觸式的檢測方 法，不僅可以克服加工工件尺寸、質(zhì)量、安裝方式等局限性，而且具有高精度;2、通過研究銑 削顫振和刀具偏心對刀具中心位置變化的影響，根據(jù)三點(diǎn)成圓的基本原理，確定刀具圓心 位置跳動，從而直接反應(yīng)刀具的顫振變化情況;3、采用希爾伯特變換，不僅可以克服傅里葉 變換的局限性，而且可以更好的描繪出信號的時(shí)頻譜和幅頻譜。
【附圖說明】
[0031] 圖1是本發(fā)明的檢測流程圖；
[0032] 圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖3是本發(fā)明的EMD分解的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0034]圖4是本發(fā)明的HHT算法的整體實(shí)現(xiàn)流程圖。
[0035]圖中附圖標(biāo)記的含義：
[0036] 1 -主軸，2-銑刀，3-工件，4-機(jī)床，5-多點(diǎn)激光位移傳感器，6-位移采集單元，7-位 移處理單元。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0038]如圖2所示，檢測系統(tǒng)包括位移檢測單元、數(shù)據(jù)采集單元、中央處理單元。在本實(shí)施 例中，在數(shù)控機(jī)床周邊設(shè)置多點(diǎn)激光位移傳感器，在加工過程中，通過激光位移傳感器測得 的每一時(shí)刻下刀具表面的多個(gè)點(diǎn)。
[0039] 將多點(diǎn)激光位移傳感器通過USB數(shù)據(jù)傳輸線與中央處理單元相連，將傳感器檢測 的位移信號傳遞至中央處理單元，從而采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號。
[0040] 位移信號表不為：
示對應(yīng)方向顫振信號的變化數(shù)據(jù)，m表示激光位移傳感器在每一時(shí)刻下所測得刀具表面的 點(diǎn)數(shù)，η表示激光位移傳感器一共測量多少次，即信號的長度。
[0041 ]進(jìn)行檢測時(shí)，按如下步驟進(jìn)行：
[0042] 1)選擇合適的位移采樣窗口。
[0043] 2)采用半徑約束最小二乘法確定刀具的中心以及相應(yīng)刀具中心的振動變化；中央 處理單元在確定刀具的中心時(shí)，基于三點(diǎn)成圓的基本原理，提取圓弧上的采樣點(diǎn)，并結(jié)合銑 削刀具的半徑數(shù)據(jù)，采用基于半徑約束的最小二乘法進(jìn)行刀具中心的確定，步驟如下： [0044] 21)假設(shè)t采樣時(shí)刻的刀具中心位置為0( Xl，yi)，已知刀具半徑為R，利用位移檢測 單元測得m個(gè)離散采樣點(diǎn)（xij，yij)，j =