一种铣削加工中刀具颤振的检测系统及其检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种铣削加工中刀具颤振的检测系统及其检测方法，其特征是，包括如下步骤：1)选择合适的位移采样窗口；2)采用半径约束最小二乘法确定刀具的中心以及相应刀具中心的振动变化；3)对刀具振动信号进行经验模态分解，利用HHT变换得到时频谱；4)验证时频谱是否满足颤振规律。本发明专利技术所达到的有益效果：1、通过采用激光位移传感器这种非接触式的检测方法，克服加工工件尺寸、质量、安装方式等局限性，且具有高精度；2、通过研究铣削颤振和刀具偏心对刀具中心位置变化的影响，确定刀具圆心位置跳动，从而直接反应刀具的颤振变化情况；3、采用希尔伯特变换，可以克服傅里叶变换的局限性，更好的描绘出信号的时频谱。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种铣削加工中刀具颤振的检测系统及其检测方法，属于加工检测

技术介绍
高速铣削加工具有高生产效率、高加工表面质量、低制造成本和短产品开发周期等突出优势，广泛应用于航空、航天、模具、汽车等制造业，满足制造业不断发展的需求。然而，高速铣削的诸多优越性必定是以高转速下的无振动稳定铣削过程为前提的。在铣削的过程中，由于铣削力和其他不确定性载荷的作用，工艺系统往往会发生颤振现象。铣削颤振的发生不仅会降低工件已加工表面的质量，而且会影响刀具乃至车床的使用寿命。在《中国制造2025》中，提出将发展高端数控机床作为“加快战略的必争领域”，振动对精密化的现代机床影响尤甚，精密机床所能保证的高精度将会在振动过程中严重下降。因此，为了保证这类机床的高精度，往往采用减少切削用量等措施，降低了加工的切削效率，不能实现高精度机床的价值最大化使用。同时，颤振产生的噪音也会刺激操作工人，降低工作效率。铣削颤振的检测方法主要分为接触式和非接触式两种。传感器的快速发展为铣削颤振的检测提供了更为方便的方法，分析铣削过程中切削力的变化被认为是最直接，最可靠的反映切削过程中振动现象，但是该方法实际操作复杂，所需设备十分昂贵。20年代初期，很多专家学者采用接触式测量方式，如压电式、应变式测力计，对铣削过程中的切削力进行测量。在现代多变的加工环境中，接触式测量方式存在着加工工件尺寸、安装方式等局限性。声音信号也可以反映振动信号，目前，常用的是超声波传感器检测，通过对声信号的频谱分析，从而对振动现象进行分析，但是这种方法存在精度不高的缺陷。相应地，寻找一种更为完善的颤振检测技术，成为本领域亟需解决的问题。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种铣削加工中刀具颤振的检测系统及其检测方法，解决了目前在铣削加工过程中，大量振动信号的获取十分困难低效，对颤振信号的分析也会受到与颤振无关的成分影响的问题。为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：一种铣削加工中刀具颤振的检测系统，其特征是，包括位移检测单元、数据采集单元、中央处理单元；所述位移检测单元设置在数控机床周边；所述位移检测单元用于检测每一时刻刀具表面的对应点的坐标；所述数据采集单元用于将位移检测单元检测的信号传递至中央处理单元；所述中央处理单元根据位移检测单元检测的坐标数据，确定刀具的中心和中心位置的跳动，通过HHT算法对检测的振动信号进行分析。前述的一种铣削加工中刀具颤振的检测系统，其特征是，所述位移检测单元采用多点激光位移传感器或若干个单点激光传感器。前述的一种铣削加工中刀具颤振的检测系统，其特征是，所述位移采集单元采用多通道数据采集卡。前述的一种铣削加工中刀具颤振的检测系统，其特征是，所述位移检测单元通过USB数据传输线与中央处理单元相连。一种铣削加工中刀具颤振的检测方法，其特征是，包括如下步骤：1)选择合适的位移采样窗口；2)采用半径约束最小二乘法确定刀具的中心以及相应刀具中心的振动变化；3)对刀具振动信号进行经验模态分解，利用HHT变换得到时频谱；4)验证时频谱是否满足颤振规律，若满足则检测结束，若不一致，返回步骤1)，重新进行检测，查看铣削加工其他过程是否发生颤振。前述的一种铣削加工中刀具颤振的检测方法，其特征是，所述步骤2)中，中央处理单元在确定刀具的中心时，基于三点成圆的基本原理，提取圆弧上的采样点，并结合铣削刀具的半径数据，采用基于半径约束的最小二乘法进行刀具中心的确定。前述的一种铣削加工中刀具颤振的检测方法，其特征是，所述步骤2)中，对刀具表面采集的位移信号采用半径约束最小二乘法时，包括如下步骤：21)假设ti采样时刻的刀具中心位置为O(xi,yi)，已知刀具半径为R，利用位移检测单元测得m个离散采样点(xij,yij)，j＝1,2,3...,m，m为ti时刻采样点数，使得(xij,yij)到O(xi,yi)距离的平方和最小；22)基于一般圆方程可表示为(x-xi)2+(y-yi)2＝R2，确立半径约束的最小二乘圆拟合：C=Σj=1m((x-xij)2+(y-yij)2-R2)2,]]>以及目标函数为F(a,b,c)=Σj=1m(xij2+yij2+axij+byij+c)2,]]>式中：a=-2xi,b=-2yi,c=a2+b2-4R24;]]>23)根据多元函数求极值的必要条件得：用矩阵表示为：Σj=1mxij2Σj=1mxijyijΣj=1mxijΣj=1mxijyijΣj=1myij2Σj=1myijΣj=1mxijΣj=1myijmabc=-Σj=im(xij3+xijyij2)-Σj=im(xij2yij+yij3)-Σj=im(xij2+yij2),]]>求得相应的xi,yi坐标；24)对所有采样时刻ti，i＝1,2,3,...,n，n为采样次数，均按上述方法求解出对应的刀具中心坐标，则可获得刀具在X,Y方向颤振信号，X＝[x1,x2,…,xn]，Y＝[y1,y2,…,yn]。前述的一种铣削加工中刀具颤振的检测方法，其特征是，所述步骤3)中，中央处理单元对刀具中心位移信号的分析采用HHT算法时，在铣削加工过程中，X，Y两个方向上的颤振规律相同，只是大小不同，假设在X方向的颤振最大，在X方向进行HHT变化，包括如下步骤：31)对位移信号进行经验模态EMD分解处理得到本征模态IMF；32)对分解得到的N个IMF分量进行筛选获得特征IMF分量ci(t)，i＝1,2…,n，n为特征IMF分量的个数，以及信号剩余部分r(t)，则原始信号X(t)可表示成所有IMF及余量之和：X(t)＝c1(t)+c2(t)+…+cn(t)+r(t)；33)分别计算n个特征IMF分量的时频谱：根据公式：进行HHT变换，其中p表示cauchy主值；34)c(t)和y(t)合成解析信号z(t)，z(t)＝c(t)+iy(t)，即z(t)＝a(t)exp[tθ(t)]，定义时变的幅值和相位：a(t)=c2(t)+y2(t),θ(t)=arctan(y(t)/c(t));]]>35)将瞬时频率ω(t)＝dθ(t)/dt组合起来，时变幅值a(t)的时频分布就定义为分量c(t)的Hilbert谱：H(ω,t)＝H(ω(t),t)＝a(t)；36)汇总所有分量的Hilbert谱，就得到原始信号的Hilbert谱：H(ω)=&本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铣削加工中刀具颤振的检测系统，其特征是，包括位移检测单元、数据采集单元、中央处理单元；所述位移检测单元设置在数控机床周边；所述位移检测单元用于检测每一时刻刀具表面的对应点的坐标；所述数据采集单元用于将位移检测单元检测的信号传递至中央处理单元；所述中央处理单元根据位移检测单元检测的坐标数据，确定刀具的中心和中心位置的跳动，通过HHT算法对检测的振动信号进行分析。

【技术特征摘要】
1.一种铣削加工中刀具颤振的检测系统，其特征是，包括位移检测单元、数据采集单
元、中央处理单元；
所述位移检测单元设置在数控机床周边；所述位移检测单元用于检测每一时刻刀具表
面的对应点的坐标；
所述数据采集单元用于将位移检测单元检测的信号传递至中央处理单元；
所述中央处理单元根据位移检测单元检测的坐标数据，确定刀具的中心和中心位置的
跳动，通过HHT算法对检测的振动信号进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种铣削加工中刀具颤振的检测系统，其特征是，所述位移检
测单元采用多点激光位移传感器或若干个激光传感器。
3.根据权利要求1所述的一种铣削加工中刀具颤振的检测系统，其特征是，所述位移采
集单元采用多通道数据采集卡。
4.根据权利要求1所述的一种铣削加工中刀具颤振的检测系统，其特征是，所述位移检
测单元通过USB数据传输线与中央处理单元相连。
5.一种基于根据权利要求1-4任意一项所述的铣削加工中刀具颤振的检测系统的检测
方法，其特征是，包括如下步骤：
1)选择合适的位移采样窗口；
2)采用半径约束最小二乘法确定刀具的中心以及相应刀具中心的振动变化；
3)对刀具振动信号进行经验模态分解，利用HHT变换得到时频谱；
4)验证时频谱是否满足颤振规律，若一致则检测结束，若不一致，返回步骤1)，检测铣
削加工过程中其他阶段是否发生颤振。
6.根据权利要求5所述的一种铣削加工中刀具颤振的检测方法，其特征是，所述步骤2)
中，中央处理单元在确定刀具的中心时，基于三点成圆的基本原理，提取圆弧上的采样点，
并结合铣削刀具的半径数据，采用基于半径约束的最小二乘法进行刀具中心的确定。
7.根据权利要求5所述的一种铣削加工中刀具颤振的检测方法，其特征是，所述步骤2)
中，对刀具表面采集的位移信号采用半径约束最小二乘法时，包括如下步骤：
21)假设ti采样时刻的刀具中心位置为O(xi,yi)，已知刀具半径为R，利用位移检测单元
测得m个离散采样点(xij,yij)，j＝1,2,3...,m，m为ti时刻采样点数，使得(xij,yij)到O(xi,
yi)距离的平方和最小；
22)基于一般圆方程可表示为(x-xi)2+(y-yi)2＝R2，确立半径约束的最小二乘圆拟合：
以及目标函数为F(a,b,c)=Σj=1m(xij2+yij2+axij+byij+c)2,]]>式中：a＝-2xi，b＝-2yi，c=a2+b2-4R24,]]>23)根据多元函数求极值的必要条件得：用矩阵表示为：
Σj=1mxij2Σj=1mxijyijΣj=1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王保升，张蒙蒙，左健民，汪木兰，候军明，
申请(专利权)人：南京工程学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32