基于多传感器信息的精铣表面形貌在线监测理论方法研究

发布时间：2017-12-04 08:16

  本文关键词：基于多传感器信息的精铣表面形貌在线监测理论方法研究

  更多相关文章： 多传感器信息 全加工路劲表征 表面形貌 多阶颤振频率 在线监测

【摘要】：航空航天制造业水平代表着一个国家高精尖制造领域加工技术发展的最高标杆,其中关键零部件的加工表面质量对其机械使役性能起着关键性作用,而加工状态的异常会严重影响零件表面质量。国内虽然引进了大量的精密数控装备,但是还没有成熟的对加工过程的在线监测控制来提高零件表面质量的研究应用。为了突破这些技术瓶颈,有必要建立精密加工零件表面质量在线监测的理论方法,以期做出及时的控制策略,有效提高零部件的加工质量,保证其使役性能。本文以精铣加工工艺和航空航天制造中广泛应用的铝合金Al7075-T6为研究对象,在借鉴和吸收国内外先进研究成果的基础上,对铣削加工及典型过程特征(表面形貌、表面偏差和颤振)机理进行了深入研究,创新的提出了基于多传感器信息对加工过程中的动态影响因素(刀具变形、刀具振动)进行实时表征和建模的思想,以此为基础建立了系统的精铣表面形貌建模及在线监测的理论和方法:基于实时动态切削力信号实现全加工路径下的刀具变形建模;基于电涡流传感器信号实现刀具振动的表征;基于Hermit-Fzero算法实现动态因素离散量的连续化建模及表面形貌的数值仿真;搭建精铣加工表面形貌在线监测综合实验平台,验证了基于多传感器信息的表面形貌预测及在线监测理论的正确性;提出了基于频域搜索策略的颤振状态实时在线监测方法,实现了多阶颤振频率及颤振严重性的在线辨识,并提取表面形貌特征对在线监测算法的有效性进行了验证分析。主要研究工作及成果如下:针对传统刀具变形建模中由于采用预测切削力及其将切削力沿轴向切深平均化处理所引起的误差,本文提出了考虑实际切削过程中动态切削力信号的全加工路径刀具变形模型。由于铣削过程的断续加工特性,完整加工路径下切削力信号是有效切削域和非有效切削域交替进行,而理论切入切出角模型很难准确定义实际加工中切削力信号的有效切削域,本文提出了基于K-S(Kolmogorov-Smirnov)检验的概率分布算法对全加工路径下切削力信号的有效切削域进行标定。基于切削微元思想,建立了瞬时切削厚度的轴向离散分布权重模型,从模型的角度清楚的揭示了铣削加工切入切出的冲击现象,并基于瞬时切厚权重模型对标定的动态切削力信号进行离散化分布建模。将铣刀简化为阶梯状悬臂梁结构,基于切削力离散化分布模型和悬臂梁理论得到全加工路径下刀具变形的离散矩阵。基于电涡流传感器信息对工况下的刀具振动进行表征,得到刀具振动的离散量。因为理想切削刃轨迹方程是以转角为变量的连续化模型,因此本文提出了基于分段三次Hermit算法对刀具变形和刀具振动离散量进行连续化建模,然后将其耦合加载到切削刃轨迹方程中得到铣削表面形貌创成模型。该模型具有开放接口,可以实现任意加工过程动态因素在表面形貌的准确加载。提出了基于Fzero的表面形貌数值仿真新算法,精确得到工件表面任意一点的形貌高度值。该算法的主要优点是无需对刀齿和工件进行网格划分,同时可以实现数值仿真的自动寻解,为表面形貌的在线监测提供方法支持。为了验证上述模型及数值仿真算法的正确性,构建了基于多传感器的精铣加工表面形貌在线监测平台,考虑主轴转速、进给率、径向切深三因素设计了全参数变化的铣削加工实验。鉴于传统单一的验证指标对复杂加工表面形貌表征的不客观性,提出了宏观尺度特征(进给表面轮廓、轴向表面轮廓、进刀痕迹间距、单位长度波纹数、纹理倾斜度)和细节尺度特征(均方根误差、偏度、峭度)的表面形貌综合验证体系,仿真模型和实验结果很好的吻合。定性分析了各切削参数对表面精度的影响规律。在上述的研究工作的基础上,本文创新性的提出了基于多传感器信息的表面形貌在线监测的概念,即沿进给方向的全加工路径表面轮廓在线监测和沿轴向切深方向的表面偏差在线监测,并通过实验验证了可行性。最后,分析了各切削参数对表面偏差的影响,为精密加工表面质量优化提供了理论和方法依据。表面形貌是动态切削过程的最终呈现,通过提取表面形貌特征可以对颤振加工解释分析,以此对颤振状态进行实时在线监测。首先考虑热力耦合特性和材料特性对斜角切削机理参数进行了解析建模,基于斜角切削微元实现了铣削力系数的辨识,从斜角切削和铣削实验两方面验证了模型的正确性,同时基于斜角切削模型揭示了切速增加导致切削力下降的根本原因。基于全离散时域法对颤振稳定性进行了预测,考虑轴向切深和主轴转速建立了30组铣削实验对颤振稳定性进行验证分析。通过对颤振加工表面形貌的影响性分析,提出了通过表面形貌特征(振纹间距)的颤振状态的客观判据,解决了通过声音和信号幅值等经验判据带来的不确定性。通过对振动信号的相关频域分析,确定了颤振的主要作用频率范围是2000Hz以上。为了保证颤振控制策略选取的及时性,在确定颤振主要作用频率范围的基础上,建立了基于频域搜索策略的颤振状态实时在线监测方法,同时可以准确实现多阶颤振频率的在线辨识。通过和表面形貌特征离线辨识得到的颤振频率进行比较分析,验证了在线监测算法的有效性。最后提出了基于频域能量比的颤振严重性识别的特征指标。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V261.23

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本文编号：1250343