基于多傳感器信息的精銑表面形貌在線監(jiān)測理論方法研究.pdf

1、航空航天制造業(yè)水平代表著一個國家高精尖制造領(lǐng)域加工技術(shù)發(fā)展的最高標(biāo)桿，其中關(guān)鍵零部件的加工表面質(zhì)量對其機(jī)械使役性能起著關(guān)鍵性作用，而加工狀態(tài)的異常會嚴(yán)重影響零件表面質(zhì)量。國內(nèi)雖然引進(jìn)了大量的精密數(shù)控裝備，但是還沒有成熟的對加工過程的在線監(jiān)測控制來提高零件表面質(zhì)量的研究應(yīng)用。為了突破這些技術(shù)瓶頸，有必要建立精密加工零件表面質(zhì)量在線監(jiān)測的理論方法，以期做出及時(shí)的控制策略，有效提高零部件的加工質(zhì)量，保證其使役性能。
　　本文以精銑加工工

2、藝和航空航天制造中廣泛應(yīng)用的鋁合金Al7075-T6為研究對象，在借鑒和吸收國內(nèi)外先進(jìn)研究成果的基礎(chǔ)上，對銑削加工及典型過程特征（表面形貌、表面偏差和顫振）機(jī)理進(jìn)行了深入研究，創(chuàng)新的提出了基于多傳感器信息對加工過程中的動態(tài)影響因素（刀具變形、刀具振動）進(jìn)行實(shí)時(shí)表征和建模的思想，以此為基礎(chǔ)建立了系統(tǒng)的精銑表面形貌建模及在線監(jiān)測的理論和方法:基于實(shí)時(shí)動態(tài)切削力信號實(shí)現(xiàn)全加工路徑下的刀具變形建模;基于電渦流傳感器信號實(shí)現(xiàn)刀具振動的表征;基于H

3、ermit-Fzero算法實(shí)現(xiàn)動態(tài)因素離散量的連續(xù)化建模及表面形貌的數(shù)值仿真;搭建精銑加工表面形貌在線監(jiān)測綜合實(shí)驗(yàn)平臺，驗(yàn)證了基于多傳感器信息的表面形貌預(yù)測及在線監(jiān)測理論的正確性;提出了基于頻域搜索策略的顫振狀態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測方法，實(shí)現(xiàn)了多階顫振頻率及顫振嚴(yán)重性的在線辨識，并提取表面形貌特征對在線監(jiān)測算法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證分析。主要研究工作及成果如下:
　　針對傳統(tǒng)刀具變形建模中由于采用預(yù)測切削力及其將切削力沿軸向切深平均化處理所引

4、起的誤差，本文提出了考慮實(shí)際切削過程中動態(tài)切削力信號的全加工路徑刀具變形模型。由于銑削過程的斷續(xù)加工特性，完整加工路徑下切削力信號是有效切削域和非有效切削域交替進(jìn)行，而理論切入切出角模型很難準(zhǔn)確定義實(shí)際加工中切削力信號的有效切削域，本文提出了基于K-S(Kolmogorov-Smirnov)檢驗(yàn)的概率分布算法對全加工路徑下切削力信號的有效切削域進(jìn)行標(biāo)定?；谇邢魑⒃枷?，建立了瞬時(shí)切削厚度的軸向離散分布權(quán)重模型，從模型的角度清楚的揭示了

5、銑削加工切入切出的沖擊現(xiàn)象，并基于瞬時(shí)切厚權(quán)重模型對標(biāo)定的動態(tài)切削力信號進(jìn)行離散化分布建模。將銑刀簡化為階梯狀懸臂梁結(jié)構(gòu)，基于切削力離散化分布模型和懸臂梁理論得到全加工路徑下刀具變形的離散矩陣。
　　基于電渦流傳感器信息對工況下的刀具振動進(jìn)行表征，得到刀具振動的離散量。因?yàn)槔硐肭邢魅熊壽E方程是以轉(zhuǎn)角為變量的連續(xù)化模型，因此本文提出了基于分段三次Hermit算法對刀具變形和刀具振動離散量進(jìn)行連續(xù)化建模，然后將其耦合加載到切削刃軌跡方

6、程中得到銑削表面形貌創(chuàng)成模型。該模型具有開放接口，可以實(shí)現(xiàn)任意加工過程動態(tài)因素在表面形貌的準(zhǔn)確加載。提出了基于Fzero的表面形貌數(shù)值仿真新算法，精確得到工件表面任意一點(diǎn)的形貌高度值。該算法的主要優(yōu)點(diǎn)是無需對刀齒和工件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值仿真的自動尋解，為表面形貌的在線監(jiān)測提供方法支持。
　　為了驗(yàn)證上述模型及數(shù)值仿真算法的正確性，構(gòu)建了基于多傳感器的精銑加工表面形貌在線監(jiān)測平臺，考慮主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率、徑向切深三因素設(shè)計(jì)

7、了全參數(shù)變化的銑削加工實(shí)驗(yàn)。鑒于傳統(tǒng)單一的驗(yàn)證指標(biāo)對復(fù)雜加工表面形貌表征的不客觀性，提出了宏觀尺度特征（進(jìn)給表面輪廓、軸向表面輪廓、進(jìn)刀痕跡間距、單位長度波紋數(shù)、紋理傾斜度）和細(xì)節(jié)尺度特征（均方根誤差、偏度、峭度）的表面形貌綜合驗(yàn)證體系，仿真模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的吻合。定性分析了各切削參數(shù)對表面精度的影響規(guī)律。在上述的研究工作的基礎(chǔ)上，本文創(chuàng)新性的提出了基于多傳感器信息的表面形貌在線監(jiān)測的概念，即沿進(jìn)給方向的全加工路徑表面輪廓在線監(jiān)測和沿

8、軸向切深方向的表面偏差在線監(jiān)測，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可行性。最后，分析了各切削參數(shù)對表面偏差的影響，為精密加工表面質(zhì)量優(yōu)化提供了理論和方法依據(jù)。
　　表面形貌是動態(tài)切削過程的最終呈現(xiàn)，通過提取表面形貌特征可以對顫振加工解釋分析，以此對顫振狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。首先考慮熱力耦合特性和材料特性對斜角切削機(jī)理參數(shù)進(jìn)行了解析建模，基于斜角切削微元實(shí)現(xiàn)了銑削力系數(shù)的辨識，從斜角切削和銑削實(shí)驗(yàn)兩方面驗(yàn)證了模型的正確性，同時(shí)基于斜角切削模型揭示了切

9、速增加導(dǎo)致切削力下降的根本原因?；谌x散時(shí)域法對顫振穩(wěn)定性進(jìn)行了預(yù)測，考慮軸向切深和主軸轉(zhuǎn)速建立了30組銑削實(shí)驗(yàn)對顫振穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證分析。通過對顫振加工表面形貌的影響性分析，提出了通過表面形貌特征（振紋間距）的顫振狀態(tài)的客觀判據(jù)，解決了通過聲音和信號幅值等經(jīng)驗(yàn)判據(jù)帶來的不確定性。通過對振動信號的相關(guān)頻域分析，確定了顫振的主要作用頻率范圍是2000Hz以上。為了保證顫振控制策略選取的及時(shí)性，在確定顫振主要作用頻率范圍的基礎(chǔ)上，建立了基于