VMC850E型机床颤振仿真分析及其监控系统研究

论文摘要

金属切削过程中刀具与工件间存在着剧烈的相对振动,这种振动称之为颤振,颤振影响加工质量,减少机床寿命,解决加工中的振动问题是制造行业关注的热点,国内外学者在理论上也做了大量研究。随着数控技术越来越成熟,机床智能化程度逐渐提高,数控系统已经能够自行处理加工过程中出现一些超负载或高温等问题,但是具有振动处理功能的较少。本文总结在前人理论分析的基础上,针对沈阳机床厂型号为VMC850E的加工中心,采用仿真的方式找到铣削稳定区,以此为依据搭建一套机床颤振控制的系统。各章主要工作介绍如下：1)绪论总结了目前国内外颤振机理、颤振抑制的研究现状,对VMC850E结构做了简要介绍分析,确定了研究路线。2)根据再生颤振理论将立铣系统抽象成铣削数学模型,然后对静态铣削力和动态铣削力进行简化,得到带有延迟项的两自由度的运动方程。进行机床实验模态分析,得到模态参数及转速共振区。3)以立铣数学模型为基础建立SIMULINK仿真模型。仿真分析响应特点,得到稳定区阈值的确定方法。仿真变转速抑振颤振的效果。4)选择合适的硬件建立机床转速及振动信号采集的硬件平台,基于VB编程信号采集及分析程序。实现在线观察信号,离线分析信号。5)分析VMC850E的电气结构特点,建立转速控制硬件平台,并基于VB编辑转速控制程序,修改机床梯形图,实现机床主轴转速控制。6)采集振动信号,修正切削力系数,改进仿真模型,研究工况对特征量阈值的影响,然后将分析结果加入到监控系统中。最后对监控系统颤振判别时间及颤振抑振效果进行试验测试。测试出颤振判别时间为0.816s,颤振抑制作用也较明显,监控系统基本满足要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源与背景
• 1.2 切削振动的国内外研究现状
• 1.2.1 颤振机理及模型的研究
• 1.2.2 铣削系统稳定性极限预测的研究
• 1.2.3 颤振抑制及控制的研究
• 1.3 VMC850E立式加工中心
• 1.4 课题研究内容
• 1.5 本课题的意义
• 第2章 立铣模型及模态分析
• 2.1 铣削系统
• 2.2 机械系统模态特性
• 2.3 立铣铣削力模型
• 2.3.1 铣削切厚模型
• 2.3.2 铣削包角
• 2.3.3 铣削力模型
• 2.4 动态铣削模型
• 2.5 主轴及整机模态分析
• 2.5.1 试验模态分析法
• 2.5.2 激励方法
• 2.5.3 模态参数的识别
• 2.6 振动实验测试
• 2.7 本章小结
• 第3章 铣削系统仿真分析
• 3.1 仿真前处理
• 3.2 SIMULINK仿真
• 3.2.1 仿真参数
• 3.2.2 仿真模型及效果
• 3.3 理论稳定区域
• 3.4 通过响应判断铣削稳定
• 3.5 由时域特征量求解稳定区
• 3.5.1 特征量-轴向切深变化规律
• 3.5.2 稳定区求解
• 3.6 转速控制改变机床铣削状态的仿真
• 3.7 本章小结
• 第4章 信号采集及特征量提取
• 4.1 硬件部分
• 4.1.1 硬件的选择
• 4.1.2 硬件的主要技术指标
• 4.1.3 USB7325采集模块接线说明
• 4.2 程序主要功能及实现方法
• 4.2.1 振动信号采集及时域特征量提取
• 4.2.2 转速信号的提取
• 4.2.3 振动信号频谱
• 4.2.3.1 窗函数
• 4.2.3.2 离散傅里叶变换
• 4.3 本章小结
• 第5章 机床主轴转速控制模块
• 5.1 FANUC OI-MC数控系统
• 5.2 主轴转速控制
• 5.3 格雷码
• 5.4 程序控制转速的实现
• 5.4.1 程控软件设计
• 5.4.2 硬件电路
• 5.5 本章小结
• 第6章 振动试验及监测系统研究
• 6.1 振动信号采集及稳定性阈值
• 6.1.1 振动试验
• 6.1.2 切削力系数的估算
• 6.1.3 实际稳定性阈值
• 6.2 工况影响稳定性极限的分析
• 6.2.1 铣削参数对稳定性极限的影响
• 6.2.2 铣削方式对特征量的影响
• 6.3 系统程序设计
• 6.3.1 程序界面设计
• 6.3.2 颤振报警模块
• 6.4 监控系统测试
• 6.5 颤振对频谱的影响
• 6.6 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢