智能加工技术在切削颤振在线抑制中的应用

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1、智能加工技术在切削颤振富宏亚。金鸿宇。韩振字(哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨150006)[摘要】具有薄壁结构的关键航空零部件在切削过程中不可避免发生颤振现象。为提高工件表面质量，在加工过程中对颤振进行准确识别和有效控制已成为该领域的主要研究方向。而对于颤振在线辨识和抑制功能的实现，必须开发集成先进传感器和智能控制算法的智能数控系统，并保证系统中各功能模块线程协调运行。因此，在航空薄壁件的精密加工过程中，利用智能加工技术对切削颤振进行实时辨识和在线抑制将成为未来数控加工技术的发展趋势。关键词：颤振；在线辨识和抑制；智能数控系统；智能加工DOI：1

2、0．1608叫．issnl671—833x．2016．07．016富宏亚教授．博士生导师．主持和主要参加完成各类科研项目60余项．获国家级教学成果二等奖1项，部级科技进步二等奖2项。获国家发明专利11项．获得软件著作权3项，近5年来先后完成国家自然科学基金项目、总装备部预先研究项目等10余项。主要研究方向有：智能加工技术；先进复合材料制品缠绕成型技术；机床数字控制技术。·基金项目：国家科技重大专项(2013Zx04013一011)。16航空制造技术·2016年第7期在航空航天设备的核心零部件中，薄壁类零件占有很大比重，目前生产此类工件大多采用多轴联动

3、数控加工成形的方式。该方式除了具有柔性好、准备周期短、生产效率高等特点，还能保证金属材料内部结构不被破坏，使材料的最佳性能得以发挥。但由于此类零件具有薄壁结构，故在切削过程中不可避免地发生切削颤振，极大地影响了工件表面质量。因此，在薄壁零件的加工过程中要对切削颤振加以抑制。为实现颤振的在线抑制，利用配置先进传感设备的数控加工中心进行智能加工已成为未来机械制造行业发展的新方向。智能加工可以利用先进传感器对加工过程进行实时监测，并根据反馈信息控制加工状态以实现加工过程的闭环。但由于受到封闭式商用数控系统的限制，大多数机床制造厂商无法为机床增加特定的智能控

4、制功能，导致基于传感技术的监控过程与实际加工过程无法实现信息交互，进而无法实施在线控制。因此，目前急需开发具有加工过程监控功能的开放式智能数控系统，以打破传统封闭式数控系统的限制。智能加工技术将以开放式、模块化智能数控系统为基础，并以其开放程度高、通用性能好、可扩展能力强等特点成为未来先进机床及数控加工技术的发展趋势。本文首先阐述目前智能数控机床及智能加工技术的发展情况，然后对切削颤振辨识与抑制技术的国内外研究现状进行总结，最后举例介绍颤振实时抑制功能在智能数控系统中的实现技术。智能数控机床及智能数控系统1智能数控机床智能数控机床是在加工过程中可以根

5、据不同加工环境作出不同决策的新型数控机床。智能机床可以为生产提供最优方案，同时具有监控、诊断和调整加工过程中各类偏差的功能。此外，它还可以根据事先建立的经验模型预测主轴、导轨、轴承、切削刀具等关键机床零部件的使用寿命，有效地预防设备故障的发生。智能数控机床的优点总结如下：有效提高工件精度；提高工作效率，减少加工时间；自动判断加工工艺合理性，提高运行可靠性与工艺安全性；降低工作负荷，延长使用寿命；减少操作人员工作强度，可根据加工环境在线优化加工参数。目前，已有部分机床厂商声称自己的公司具有生产智能数控机床的能力。Mazak公司于2006年展示了具有主动

6、振动控制、智能热屏障等功能的智能数控机床。它可以将振动控制在最小范围，并可最大限度地减小机床零部件的热变形。瑞士米克朗公司的高级工艺系统可作为智能数控机床的一个模块，它通过一套监视系统使用户能够观察到加工过程中切削力的变化情况，从而实现了优化加工工艺和最优控制的目标。2开放式智能数控系统智能数控机床的核心技术在于机床数控系统的智能化。由于传统商用数控系统具有封闭性等弊端，导致用户无法根据自己所需功能对系统进行扩展。因此，开发一种新型的开放式模块化架构数控系统是构建智能数控系统的基础。在这种开放式的模块化体系中，用户可开发与先进传感器间的通信接口，实现

7、状态监测。同时，可在系统中开发相应的智能控制算法实现切削参数的在线优化。自20世纪90年代以来，有关开放式数控系统的研究项目在欧美及日本等制造业发达国家中相继展开。1994年，美国福特、通用和克莱斯勒3大汽车公司发起了“OMAC(OpenModularArchitectureController)计划”，目的是建立一个结合用户、软件开发商、硬件制造商需求的开放结构控制器，并与欧洲和日本的用户组协作制定一个通用的数控系统API国际标准。OMAc建造了针对不同类型控制器的模块集，为数控系统销售商配置标准组件，然后由机床供应商把这些组件配置到数控机床的控制

8、系统中，最终交付用户使用。与OMAC计划类似，欧盟则提出了名为“OSACA工程”的开放式控制器研究计划，其想