复杂制造系统加工稳定性在线监测及寻优控制关键技术研究

【摘要】：随着先进制造技术领域对制造质量要求的提高,加工过程故障辨识及控制技术凸显其重要性,对铣削无颤振加工稳定性的在线监测是其重要研究内容之一。本课题以TDNC-H8数控机床为验证平台,进行了稳定性快速预报和在线寻优控制理论的研究,探讨了确保稳定铣削的在线监测智能控制一体化解决方案。 基于离散动力系统非线性控制理论,据C-C算法获得的最佳嵌入维和时间延迟进行了在线监测振动信号的相空间重构,通过对可反映颤振规律和可预言性的粗粒化熵率特征提取及实验验证,实现了铣削不稳定加工状态的快速准确预报。 考虑多自由度和时变铣削力系数的影响,对厚壁铣削件进行了加工稳定性预测研究。以时变铣削力系数下的铣削力建模为基础,建立了适合于厚壁铣削件的稳定性动力学模型,进行了多自由度耦合及考虑时变铣削力系数的三维稳定性图绘制。通过各加工参数n、ap、ae和fz的稳定性影响分析及实验验证,获得了适合于厚壁件铣削过程的稳定性预测理论。 在铣削力系数时变稳定性预测理论研究基础上,探讨铣削至薄壁件后刀具—工件系统刚度时变对稳定性的影响,建立了刀具—工件系统耦合传递函数模型,研究了适合于在线监测的运行模态主轴转速扫频传递函数实时获取方法,构建了准确性、实时性均优的加工稳定性预测理论。 研究了以不稳定加工状态快速预报理论进行识别,同时考虑生产规划和加工阶段最大材料去除率的稳定性在线寻优控制方法。探讨了生产规划阶段影响稳定性区域面积的相关结构参数变化规律及加工阶段最大材料去除率获取方法,研究了在线寻优控制中扩大稳定性区域和稳定区快速搜索方法的具体实施。 构建了基于网络,具有可重构和开放性的功能模块化嵌入式在线监测智能测控系统。重点针对笔者开发的软件部分进行了嵌入式在线监测单元的开发及功能阐述。建立了加工稳定性在线监测寻优控制及其他多种在线监测算法的应用平台,为本课题所研究算法的工程应用奠定了基础。