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CN111650889A - 一种五轴龙门数控加工中心的切削颤振抑制智能控制方法 - Google Patents

一种五轴龙门数控加工中心的切削颤振抑制智能控制方法 Download PDF

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CN111650889A
CN111650889A CN202010582631.4A CN202010582631A CN111650889A CN 111650889 A CN111650889 A CN 111650889A CN 202010582631 A CN202010582631 A CN 202010582631A CN 111650889 A CN111650889 A CN 111650889A
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wave trap
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李爱军
赵小雨
黄敏波
孟祥东
杨宗生
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Abstract

本发明公开了一种五轴龙门数控加工中心的切削颤振抑制智能控制方法，基于机床各进给轴转速信息检测，并根据在线快速傅里叶变换结果，分别计算自适应陷波器中心频率、宽度参数以及深度参数，将该自适应陷波器模块嵌入伺服电机控制电路，对进给伺服电机电流振动频率进行陷波，达到切削振动抑制的目的。从而，减少机床进给轴的在切削加工过程中的切削振动，提高工件加工质量，提高刀具使用寿命，进而提高生产效率。

Description

一种五轴龙门数控加工中心的切削颤振抑制智能控制方法
技术领域
本发明涉及机床的数字控制技术领域，尤其涉及一种五轴龙门数控加工中心的切削颤振抑制智能控制方法。
背景技术
机床在进行产品切削加工时，因工件外形复杂、内部组织不均匀，切削用量及机床转速选择不合适等原因，容易引起切削振动。切削振动会影响正常的运动轨迹，进而降低加工工件表面的质量和尺寸精度；此外，振动影响刀具的正常切削条件，从而降低刀具的使用寿命，进而导致生产效率下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自适应陷波器技术，用以抑制机床切削过程中各进给轴产生的切削振动。针对机床进给轴运动链振动抑制，实时采集各进给轴的速度信息，对速度信息进行在线快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)，当速度信息在频域内谐波超过某一阈值时，启动伺服驱动器内部陷波功能，对进给伺服电机电流的谐振频率进行陷波，从而达到切削振动抑制的目的。
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明公开了一种五轴龙门数控加工中心的切削颤振抑制智能控制方法，采用自适应陷波器进行切削颤振抑制，所述陷波器包括：转速检测模块、振动频率检测模块、速度环PI调节模块、自适应陷波器模块、电流环PI调节模块，所述转速检测模块，用于与永磁同步电机连接，实时检测各进给轴空间位置信息，计算获得转速信号ω和转子反馈速度ωfdb；所述振动频率检测模块，接收转子反馈速度ωfdb与转速参考值ωref的差值，对转速差值进行快速傅里叶变换，用于计算振动频率；所述速度环PI调节模块，用于对给定的速度参考值ωref和所述转速检测模块输出的转子反馈速度ωfdb做差后的信号进行PI调节后输出电流参考值iref；所述自适应陷波器模块，用于对接收的参考电流iref进行自适应陷波处理，得到陷波处理后的电流i*；电流环PI调节模块，用于对接收的经陷波处理后的电流i*进行PI调节生成参考电压Uref。
更进一步地，所述自适应陷波器模块采用双T型三参数陷波滤波器，其传递函数为：
Figure BDA0002552957750000021
其中，f为陷波器陷波中心频率，单位：赫兹(Hz)；ε为陷波器陷波宽度，即以陷波中心频率为中心幅值下降3dB时的两侧的宽度，单位：赫兹(Hz)；ξ为陷波器陷波深度，即陷波前后陷波中心频率处的幅值比值。
更进一步地，所述自适应陷波器模块包括陷波器中心频率计算单元、陷波器宽度参数计算单元、陷波器深度参数计算单元，其中：
所述陷波器中心频率计算单元，用于根据输入的所述振动频率检测模块输出的振动频率f0，可得到自适应陷波器中心频率f＝f0；
所述陷波器宽度参数计算单元，设定信号阈值Ht，超过阈值的频率点即认为会引发振动，同时计算设定阈值对应的频率点f1、f2，并计算陷波器中心频率f0与两阈值频率点差值，并取二者较大值的两倍作为陷波器宽度参数，即：
ε＝2*max(f0-f1,f0-f2)
陷波器深度参数计算单元，首先取深度参数
Figure BDA0002552957750000022
并计算陷波后的最大幅值H0，并设定阈值范围[Htl,Hth]，判断H0是否属于该阈值范围内，若不属于，则引入修正参数：
Figure BDA0002552957750000023
修正后的深度参数为ξfix＝λξ，并计算陷波后的最大幅值，直至幅值H0∈[Htl,Hth]。
本发明进一步公开了一种五轴龙门数控加工中心的切削颤振抑制智能控制方法，，对上述的自适应陷波器进行控制，包括如下步骤：
步骤1，对所述陷波器进行初始化，并在初始化完成后进行主程序控制，所述主程序检测是否收到陷波器的使能信号，若检测不到所述使能信号控制程序一直处于检测状态，直到接收到所述陷波器的使能信号；
步骤2，在检测到所述陷波器的使能信号后，检测采样点情况，判断所述采样点的数量是否等于预设的采样点数量，若检测到的采样点数量不为预设采样点时，返回陷波器初始化状态重新检测，直到检测的采样点数量与预设的采样点数量一致，进入步骤3；
步骤3，通过FFT在线计算模块对采样点采集的数据进行在线计算，分别计算所述自适应陷波器的中心频率、宽度参数以及深度参数；
步骤4，将所述步骤3计算的参数输入值陷波器，以完成对陷波器参数的更新
步骤5，通过将该自适应陷波器嵌入伺服电机控制电路，对进给伺服电机电流振动频率进行陷波。
更进一步地，实时采集各进给轴的速度信息，当所述速度信息在频域内谐波超过预设阈值时，触发陷波器的使能信号，以启动伺服驱动器内部陷波功能，对进给伺服电机电流的谐振频率进行陷波。
更进一步地，所述采样点采集各进给轴的速度信息，并对速度误差进行采样。
本发明进一步公开了一种电子设备，包括：
处理器；以及，
存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；
其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行上述的自适应陷波器控制方法。
本发明进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的自适应陷波器控制方法。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：
本发明的一种面向机床切削振动抑制的伺服电机自适应陷波器技术，基于机床各进给轴转速信息检测，并根据在线快速傅里叶变换结果，分别计算自适应陷波器中心频率、宽度参数以及深度参数，将该自适应陷波器模块嵌入伺服电机控制电路，对进给伺服电机电流振动频率进行陷波，达到切削振动抑制的目的。从而，减少机床进给轴的在切削加工过程中的切削振动，提高工件加工质量，提高刀具使用寿命，进而提高生产效率。
附图说明
从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在图中，在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。
图1为本发明中面向机床切削振动抑制的伺服电机自适应陷波器控制电路图；
图2为本发明中面向机床切削振动抑制的伺服电机自适应陷波器控制流程图；
图3为本发明中自适应陷波器模块深度参数计算流程图。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，本实施例公开了一种面向机床切削振动抑制的伺服电机自适应陷波器，所述陷波器包括：转速检测模块、振动频率检测模块、速度环PI调节模块、自适应陷波器模块、电流环PI调节模块，所述转速检测模块，用于与永磁同步电机连接，实时检测各进给轴空间位置信息，计算获得转速信号ω和转子反馈速度ωfdb；所述振动频率检测模块，接收转子反馈速度ωfdb与转速参考值ωref的差值，对转速差值进行快速傅里叶变换，用于计算振动频率；所述速度环PI调节模块，用于对给定的速度参考值ωref和所述转速检测模块输出的转子反馈速度ωfdb做差后的信号进行PI调节后输出电流参考值iref；所述自适应陷波器模块，用于对接收的参考电流iref进行自适应陷波处理，得到陷波处理后的电流i*；电流环PI调节模块，用于对接收的经陷波处理后的电流i*进行PI调节生成参考电压Uref。
更进一步地，如图3所示，所述自适应陷波器模块采用双T型三参数陷波滤波器，其传递函数为：
Figure BDA0002552957750000041
其中，f为陷波器陷波中心频率，单位：赫兹(Hz)；ε为陷波器陷波宽度，即以陷波中心频率为中心幅值下降3dB时的两侧的宽度，单位：赫兹(Hz)；ξ为陷波器陷波深度，即陷波前后陷波中心频率处的幅值比值。
更进一步地，所述自适应陷波器模块包括陷波器中心频率计算单元、陷波器宽度参数计算单元、陷波器深度参数计算单元，其中：
所述陷波器中心频率计算单元，用于根据输入的所述振动频率检测模块输出的振动频率f0，可得到自适应陷波器中心频率f＝f0；
所述陷波器宽度参数计算单元，设定信号阈值Ht，超过阈值的频率点即认为会引发振动，同时计算设定阈值对应的频率点f1、f2，并计算陷波器中心频率f0与两阈值频率点差值，并取二者较大值的两倍作为陷波器宽度参数，即：
ε＝2*max(f0-f1,f0-f2)
陷波器深度参数计算单元，首先取深度参数
Figure BDA0002552957750000051
并计算陷波后的最大幅值H0，并设定阈值范围[Htl,Hth]，判断H0是否属于该阈值范围内，若不属于，则引入修正参数：
Figure BDA0002552957750000052
修正后的深度参数为ξfix＝λξ，并计算陷波后的最大幅值，直至幅值H0∈[Htl,Hth]。
实施例二
如图3所示，本实施例提供一种面向机床切削振动抑制的伺服电机自适应陷波器控制方法，对上述的自适应陷波器进行控制，包括如下步骤：
步骤1，对所述陷波器进行初始化，并在初始化完成后进行主程序控制，所述主程序检测是否收到陷波器的使能信号，若检测不到所述使能信号控制程序一直处于检测状态，直到接收到所述陷波器的使能信号；
步骤2，在检测到所述陷波器的使能信号后，检测采样点情况，判断所述采样点的数量是否等于预设的采样点数量，若检测到的采样点数量不为预设采样点时，返回陷波器初始化状态重新检测，直到检测的采样点数量与预设的采样点数量一致，进入步骤3；
步骤3，通过FFT在线计算模块对采样点采集的数据进行在线计算，分别计算所述自适应陷波器的中心频率、宽度参数以及深度参数；
步骤4，将所述步骤3计算的参数输入值陷波器，以完成对陷波器参数的更新
步骤5，通过将该自适应陷波器嵌入伺服电机控制电路，对进给伺服电机电流振动频率进行陷波。
更进一步地，实时采集各进给轴的速度信息，当所述速度信息在频域内谐波超过预设阈值时，触发陷波器的使能信号，以启动伺服驱动器内部陷波功能，对进给伺服电机电流的谐振频率进行陷波。
更进一步地，所述采样点采集各进给轴的速度信息，并对速度误差进行采样。
本发明进一步公开了一种电子设备，包括：处理器；以及，存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行上述的自适应陷波器控制方法。
本发明进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的自适应陷波器控制方法。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。因此，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以下权利要求(包括所有等同物)旨在限定本发明的精神和范围。以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种五轴龙门数控加工中心的切削颤振抑制智能控制方法，其特征在于，采用采用自适应陷波器进行切削颤振抑制，所述陷波器包括：转速检测模块、振动频率检测模块、速度环PI调节模块、自适应陷波器模块、电流环PI调节模块，所述转速检测模块，用于与永磁同步电机连接，实时检测各进给轴空间位置信息，计算获得转速信号ω和转子反馈速度ωfdb；所述振动频率检测模块，接收转子反馈速度ωfdb与转速参考值ωref的差值，对转速差值进行快速傅里叶变换，用于计算振动频率；所述速度环PI调节模块，用于对给定的速度参考值ωref和所述转速检测模块输出的转子反馈速度ωfdb做差后的信号进行PI调节后输出电流参考值iref；所述自适应陷波器模块，用于对接收的参考电流iref进行自适应陷波处理，得到陷波处理后的电流i*；电流环PI调节模块，用于对接收的经陷波处理后的电流i*进行PI调节生成参考电压Uref。
2.如权利要求1所述的一种五轴龙门数控加工中心的切削颤振抑制智能控制方法，其特征在于，所述自适应陷波器模块采用双T型三参数陷波滤波器，其传递函数为：
Figure FDA0002552957740000011
其中，f为陷波器陷波中心频率，单位：赫兹(Hz)；ε为陷波器陷波宽度，即以陷波中心频率为中心幅值下降3dB时的两侧的宽度，单位：赫兹(Hz)；ξ为陷波器陷波深度，即陷波前后陷波中心频率处的幅值比值。
3.如权利要求1所述的一种面向机床切削振动抑制的伺服电机自适应陷波器，其特征在于，所述自适应陷波器模块包括陷波器中心频率计算单元、陷波器宽度参数计算单元、陷波器深度参数计算单元，其中：
所述陷波器中心频率计算单元，用于根据输入的所述振动频率检测模块输出的振动频率f0，可得到自适应陷波器中心频率f＝f0；
所述陷波器宽度参数计算单元，设定信号阈值Ht，超过阈值的频率点即认为会引发振动，同时计算设定阈值对应的频率点f1、f2，并计算陷波器中心频率f0与两阈值频率点差值，并取二者较大值的两倍作为陷波器宽度参数，即：
ε＝2*max(f0-f1,f0-f2)
陷波器深度参数计算单元，首先取深度参数
Figure FDA0002552957740000021
并计算陷波后的最大幅值H0，并设定阈值范围[Htl,Hth]，判断H0是否属于该阈值范围内，若不属于，则引入修正参数：
Figure FDA0002552957740000022
修正后的深度参数为ξfix＝λξ，并计算陷波后的最大幅值，直至幅值H0∈[Htl,Hth]。
4.一种五轴龙门数控加工中心的切削颤振抑制智能控制方法，对权利要求1-3任一项所述的自适应陷波器进行控制，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对所述陷波器进行初始化，并在初始化完成后进行主程序控制，所述主程序检测是否收到陷波器的使能信号，若检测不到所述使能信号控制程序一直处于检测状态，直到接收到所述陷波器的使能信号；
步骤2，在检测到所述陷波器的使能信号后，检测采样点情况，判断所述采样点的数量是否等于预设的采样点数量，若检测到的采样点数量不为预设采样点时，返回陷波器初始化状态重新检测，直到检测的采样点数量与预设的采样点数量一致，进入步骤3；
步骤3，通过FFT在线计算模块对采样点采集的数据进行在线计算，分别计算所述自适应陷波器的中心频率、宽度参数以及深度参数；
步骤4，将所述步骤3计算的参数输入值陷波器，以完成对陷波器参数的更新
步骤5，通过将该自适应陷波器嵌入伺服电机控制电路，对进给伺服电机电流振动频率进行陷波。
5.如权利要求4所述的一种五轴龙门数控加工中心的切削颤振抑制智能控制方法，其特征在于，实时采集各进给轴的速度信息，当所述速度信息在频域内谐波超过预设阈值时，触发陷波器的使能信号，以启动伺服驱动器内部陷波功能，对进给伺服电机电流的谐振频率进行陷波。
6.如权利要求4所述的一种五轴龙门数控加工中心的切削颤振抑制智能控制方法，其特征在于，所述采样点采集各进给轴的速度信息，并对速度误差进行采样。
7.一种电子设备，其特征在于，包括：
处理器；以及，
存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；
其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行权利要求4-6任一项所述的五轴龙门数控加工中心的切削颤振抑制智能控制方法。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求4-6任一项所述的五轴龙门数控加工中心的切削颤振抑制智能控制方法。
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