基于数控系统的机床振动在线控制技术研究

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1、中图分类号：TP273论文编号：102870517-B026学科分类号：080202博士学位论文基于数控系统的机床振动在线控制技术研究研究生姓名史中权学科、专业机械电子工程研究方向现代数控技术指导教师叶文华教授南京航空航天大学研究生院机电学院二О一七年十二月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMechanicalandElectricalEngineeringResearchonOnlineVibrationCon

2、trolofMachineToolsBasedonCNCSystemAThesisinMechanicalandElectricalEngineeringbyShiZhongquanAdvisedbyProf.YeWenhuaSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofEngineeringDecember,2017承诺书本人声明：所呈交的博士学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引

3、用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：2017-12-20南京航空航天大学博士学位论文摘要航空航天等领域对零件数控加工效率、精度控制、表面质量等加工性能要求越来越高，而机床振动对加工性能有着十分重

4、要的影响。在切削加工中即使是极微小的振动也可能使加工出的零件几何尺寸或表面粗糙度超差。随着数控机床向着智能化方向发展，直接利用数控系统实现实时性高、在线功能强的振动控制是数控系统发展的一个趋势。本文从数控系统出发，以数控铣削综合减振为目标，从抑制机床驱动残余振动和铣削振动两方面入手，对基于数控系统的在线振动控制技术进行了深入的研究，内容包括进给速度实时可调的前瞻算法、曲率平滑预调的刀具路径优化方法、Jerk（加加速度）连续的曲线插补进给速度规划方法、速度波动最小化的曲线插补算法、主轴混合动力吸振控制方法以及集成相应抑振

5、模块的数控系统的实现技术。数控系统驱动各轴高速运动是数控机床振动的重要来源。为满足实时减振和速度平滑的需要，针对已有的分段函数型S形加减速算法复杂，速度不易实时可调的问题，提出了一种进给速度实时可调的前瞻控制算法。算法基于加速度约束来计算相邻线段最大转接速度，并根据加速度跟随原理实现进给速度的实时调整，从而使微线段高速插补过程具有高度的柔性和快速性，提高了在数控系统中通过实时调节运动参数进行抑振的实时性。对微线段进行曲线拟合和插补是实现五轴数控加工减振的重要途径，已有的研究往往在拟合过程中忽视了因原始数据点的取点精度所

6、带来的曲率波动，因而造成后续曲线插补速度波动较大，不利于高速平稳加工。本文通过分析原始刀位点路径的几何特征，提出一种拟合误差约束下的曲率平滑预调方法，然后采用一种带权的约束最小二乘NURBS拟合法对曲线进行拟合，最大程度还原加工零件轮廓的切削路径，降低了刀具路径高曲率区域内插补时因旋转轴不连续和急速转动所带来的冲击，为数控系统实现平稳曲线插补建立了平滑的刀具路径。针对基于RTCP（旋转刀具中心编程）功能的五轴双NURBS曲线插补，综合考虑机床进给轴驱动能力限制、刀具中心的切削加工参数限制以及综合轮廓误差控制约束，计算出

7、曲线插补中每一插补周期的最大进给速度，并针对已有的S形加减速的进给速度规划中Jerk存在突变的问题，提出一种Jerk连续的S形加减速前瞻速度规划的改进方法，进一步减少了曲线插补的柔性冲击。针对常规的NURBS曲线插补步长计算因截断误差所带来的插补速度波动问题，提出一种速度波动最小化的NURBS割线插补算法，有效避免因数控插补轨迹中高曲率区域引起的驱动轴特别是旋转轴的运动突变、机床振动和工件过切，实现平稳加工。主轴高速旋转切削加工是引起机床振动的另一重要因素，目前对于车削、镗削等非旋转刀具的振动控制研究较多，而对于刀具高

8、速旋转的铣削振动研究较少。针对已有振动控制方法不能适应复杂多变加工工况的问题，在被动吸振器基础上附加主动控制机能，设计了一种混合动i基于数控系统的机床振动在线控制技术研究力吸振器的主动振动控制系统。该系统以位移和加速度作为状态反馈信号，并与数控系统进行高速通信，由数控系统进行相关的控制计算并通过作动器直接对铣削刀具施加控制力，从而