一種銑削加工中刀具顫振的檢測系統及其檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種銑削加工中刀具顫振的檢測系統及其檢測方法，屬于加工檢測技 術領域。
【背景技術】
[0002]高速銑削加工具有高生產效率、高加工表面質量、低制造成本和短產品開發周期 等突出優勢，廣泛應用于航空、航天、模具、汽車等制造業，滿足制造業不斷發展的需求。然 而，高速銑削的諸多優越性必定是以高轉速下的無振動穩定銑削過程為前提的。在銑削的 過程中，由于銑削力和其他不確定性載荷的作用，工藝系統往往會發生顫振現象。銑削顫振 的發生不僅會降低工件已加工表面的質量，而且會影響刀具乃至車床的使用壽命。在《中國 制造2025》中，提出將發展高端數控機床作為"加快戰略的必爭領域"，振動對精密化的現代 機床影響尤甚，精密機床所能保證的高精度將會在振動過程中嚴重下降。因此，為了保證這 類機床的高精度，往往采用減少切削用量等措施，降低了加工的切削效率，不能實現高精度 機床的價值最大化使用。同時，顫振產生的噪音也會刺激操作工人，降低工作效率。
[0003]銑削顫振的檢測方法主要分為接觸式和非接觸式兩種。傳感器的快速發展為銑削 顫振的檢測提供了更為方便的方法，分析銑削過程中切削力的變化被認為是最直接，最可 靠的反映切削過程中振動現象，但是該方法實際操作復雜，所需設備十分昂貴。20年代初 期，很多專家學者采用接觸式測量方式，如壓電式、應變式測力計，對銑削過程中的切削力 進行測量。在現代多變的加工環境中，接觸式測量方式存在著加工工件尺寸、安裝方式等局 限性。聲音信號也可以反映振動信號，目前，常用的是超聲波傳感器檢測，通過對聲信號的 頻譜分析，從而對振動現象進行分析，但是這種方法存在精度不高的缺陷。相應地，尋找一 種更為完善的顫振檢測技術，成為本領域亟需解決的問題。
【發明內容】
[0004] 為解決現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種銑削加工中刀具顫振的檢測 系統及其檢測方法，解決了目前在銑削加工過程中，大量振動信號的獲取十分困難低效，對 顫振信號的分析也會受到與顫振無關的成分影響的問題。
[0005] 為了實現上述目標，本發明采用如下的技術方案：
[0006] -種銑削加工中刀具顫振的檢測系統，其特征是，包括位移檢測單元、數據采集單 元、中央處理單元;所述位移檢測單元設置在數控機床周邊;所述位移檢測單元用于檢測每 一時刻刀具表面的對應點的坐標;所述數據采集單元用于將位移檢測單元檢測的信號傳遞 至中央處理單元;所述中央處理單元根據位移檢測單元檢測的坐標數據，確定刀具的中心 和中心位置的跳動，通過HHT算法對檢測的振動信號進行分析。
[0007] 前述的一種銑削加工中刀具顫振的檢測系統，其特征是，所述位移檢測單元采用 多點激光位移傳感器或若干個單點激光傳感器。
[0008] 前述的一種銑削加工中刀具顫振的檢測系統，其特征是，所述位移采集單元采用 多通道數據采集卡。
[0009]前述的一種銑削加工中刀具顫振的檢測系統，其特征是，所述位移檢測單元通過 USB數據傳輸線與中央處理單元相連。
[0010] 一種銑削加工中刀具顫振的檢測方法，其特征是，包括如下步驟：
[0011] 1)選擇合適的位移米樣窗口；
[0012] 2)采用半徑約束最小二乘法確定刀具的中心以及相應刀具中心的振動變化；
[0013] 3)對刀具振動信號進行經驗模態分解，利用HHT變換得到時頻譜；
[0014] 4)驗證時頻譜是否滿足顫振規律，若滿足則檢測結束，若不一致，返回步驟1)，重 新進行檢測，查看銑削加工其他過程是否發生顫振。
[0015] 前述的一種銑削加工中刀具顫振的檢測方法，其特征是，所述步驟2)中，中央處理 單元在確定刀具的中心時，基于三點成圓的基本原理，提取圓弧上的采樣點，并結合銑削刀 具的半徑數據，采用基于半徑約束的最小二乘法進行刀具中心的確定。
[0016] 前述的一種銑削加工中刀具顫振的檢測方法，其特征是，所述步驟2)中，對刀具表 面采集的位移信號采用半徑約束最小二乘法時，包括如下步驟：
[0017] 21)假設t采樣時刻的刀具中心位置為0(xi，yi)，已知刀具半徑為R，利用位移檢測 單元測得m個離散采樣點（xij，yij)，j = 1，2，3. . .，m，m為ti時刻采樣點數，使得(xij，yij)到0 (Xl，yi)距離的平方和最小；
[0018] 22)基于一般圓方程可表示為(x-Xl)2+(y- yi)2 = R2,確立半徑約束的最小二乘圓擬 合：
，以及目標函數為
[0019] 23)根據多元函數求極值的必要條件得：
，用矩陣表示
求得相應的xi，yi坐標；
[0020] 24)對所有采樣時刻ti，i = l，2,3, . . .，n，n為采樣次數，均按上述方法求解出對應 的刀具中心坐標，貝|1可獲得刀具在)(，￥方向顫振信號，)(=1^142， >"011]，￥=[71，72，···"!!]。
[0021] 前述的一種銑削加工中刀具顫振的檢測方法，其特征是，所述步驟3)中，中央處理 單元對刀具中心位移信號的分析采用HHT算法時，在銑削加工過程中，X，Y兩個方向上的顫 振規律相同，只是大小不同，假設在X方向的顫振最大，在X方向進行ΗΗΤ變化，包括如下步 驟：
[0022] 31)對位移信號進行經驗模態EMD分解處理得到本征模態頂F;
[0023] 32)對分解得到的Ν個頂F分量進行篩選獲得特征頂F分量Ci(t)，i = l，2···，!!，!^ 特征MF分量的個數，以及信號剩余部分r(t)，則原始信號X(t)可表示成所有頂F及余量之 和：X(t) = Cl(t)+C2(t) + ...+Cn(t)+r(t);
[0024] 33)分別計算n個特征MF分量的時頻譜:根據公式： 進行HHT變 換，其中P表示cauchy主值；
[0025] 34)c(t)和y(t)合成解析信號z(t)，z(t) = c(t) + iy(t)，BPz(t) = a(t)exp[t0 (t)]，定義時變的幅值和相位：
[0026] 35)將瞬時頻率ω (t) = d0 (t)/dt組合起來，時變幅值a(t)的時頻分布就定義為分 量c(t)的Hilbert譜:Η( ω，t)=H(〇(t)，t)=a(t);
[0027] 3 6 )匯總所有分量的H i 1 b e r t譜，就得到原始信號的H i 1 b e r t譜：
[0028] 前述的一種銑削加工中刀具顫振的檢測方法，其特征是，在所述步驟32)中IMF篩 選，分量c(n)需滿足：（1)極值點數目和過零點數目相等或者至多相差一個；（2)對信號上任 意一點，信號的局部極大值定義的上包絡線和信號的局部極小值定義的下包絡線的平均值 為零;r)t)或c(n)需滿足:剩余部分r(t)或c(n)為一單調信號(r(t)稱為殘余項，僅表示信 號x(t)的均值或趨勢）。
[0029] 前述的一種銑削加工中刀具顫振的檢測方法，其特征是，所述步驟4)中通過繪制 HHT的時頻譜，驗證是否滿足顫振規律。
[0030] 本發明所達到的有益效果：1、通過采用激光位移傳感器這種非接觸式的檢測方 法，不僅可以克服加工工件尺寸、質量、安裝方式等局限性，而且具有高精度;2、通過研究銑 削顫振和刀具偏心對刀具中心位置變化的影響，根據三點成圓的基本原理，確定刀具圓心 位置跳動，從而直接反應刀具的顫振變化情況;3、采用希爾伯特變換，不僅可以克服傅里葉 變換的局限性，而且可以更好的描繪出信號的時頻譜和幅頻譜。
【附圖說明】
[0031] 圖1是本發明的檢測流程圖；
[0032] 圖2是本發明的系統結構示意圖；
[0033]圖3是本發明的EMD分解的實現流程圖；
[0034]圖4是本發明的HHT算法的整體實現流程圖。
[0035]圖中附圖標記的含義：
[0036] 1 -主軸，2-銑刀，3-工件，4-機床，5-多點激光位移傳感器，6-位移采集單元，7-位 移處理單元。
【具體實施方式】
[0037]下面結合附圖對本發明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發明 的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護范圍。
[0038]如圖2所示，檢測系統包括位移檢測單元、數據采集單元、中央處理單元。在本實施 例中，在數控機床周邊設置多點激光位移傳感器，在加工過程中，通過激光位移傳感器測得 的每一時刻下刀具表面的多個點。
[0039] 將多點激光位移傳感器通過USB數據傳輸線與中央處理單元相連，將傳感器檢測 的位移信號傳遞至中央處理單元，從而采集相應的數據信號。
[0040] 位移信號表不為：
示對應方向顫振信號的變化數據，m表示激光位移傳感器在每一時刻下所測得刀具表面的 點數，η表示激光位移傳感器一共測量多少次，即信號的長度。
[0041 ]進行檢測時，按如下步驟進行：
[0042] 1)選擇合適的位移采樣窗口。
[0043] 2)采用半徑約束最小二乘法確定刀具的中心以及相應刀具中心的振動變化；中央 處理單元在確定刀具的中心時，基于三點成圓的基本原理，提取圓弧上的采樣點，并結合銑 削刀具的半徑數據，采用基于半徑約束的最小二乘法進行刀具中心的確定，步驟如下： [0044] 21)假設t采樣時刻的刀具中心位置為0( Xl，yi)，已知刀具半徑為R，利用位移檢測 單元測得m個離散采樣點（xij，yij)，j =