[发明专利]一种金属切削加工系统

权利要求书

1.一种金属切削加工系统，其包括工作台、驱动控制设备、颤振检测设备、循环设备，

工作台包括授油器、主轴箱、旋转工件、钻杆、钻杆支架、进给座、承载台、床身、中心架、滑动座，旋转工件的左端安装在主轴箱的三爪卡盘中，其右端靠近授油器，旋转工件通过中心架进行支撑，用来增加刚度，保证零件的同轴度，钻杆的柄部夹持在进给座的定位孔中，钻杆中部安装钻杆支架进行支撑；

驱动控制设备包括运动控制器、编码器、霍尔电流传感器、解码电路、光耦隔离电路、伺服电机以及智能功率控制模块，霍尔电流传感器采集伺服电机的U相和V相电流，反馈给运动控制器，编码器通过解码电路实时向运动控制器反馈伺服电机实际位置，运动控制器通过串行总线接收目标位置信息，目标位置、实际位置和实际电流在运动控制器内做单轴逻辑控制，通过矢量控制的时序调度输出脉宽调制信号，通过光耦隔离电路提供给智能功率控制模块并转换为功率控制信号；

运动控制器输出控制信号送至电机控制模块，电机控制模块依据工控机的信号向伺服电机输出驱动电流并控制旋转方向，伺服电机尾部的编码器输出脉冲信号反馈给处理器；

驱动控制设备为全闭环控制，包括位置、速度、电流三闭环串级控制结构，电流环和速度环为内环，位置环为外环；

电流环控制在驱动控制设备的内部实现，具备电流调节器、逆变器和电流反馈,控制算法由驱动控制设备预先设定，电流环采用PI调节器，其比例积分系数为驱动控制设备不产生振荡的条件下的最大值，使被控伺服电机的三相交流电流的幅值、相位和频率跟随给定值快速变化，电流环直接控制了伺服电机的输出力矩，电流环的响应速度快于速度环的响应速度；

速度环的调节器应该采用PI补偿方法，由伺服电机尾部的编码器输出的信号反馈给驱动控制设备，驱动控制设备构成变频器，通过改变输出的频率改变伺服电机的转速，速度环的响应时间与机械系统的机械时间常数相关，且低于电流环的响应，速度环的响应周期大于lms，控制对象的传递函数中包括一个积分环节和一个惯性环节，积分环节在负载扰动的作用点之后；

位置环采用常系数比例调节器，使系统以最大加速度上升至限幅速度，并以限幅速度快速接近目标位置，到达减速点时，则使伺服电机以最大反向电流制动，当系统以最大减速度减速到临近终点时，进入低速趋近定位点阶段，处于最外环的位置环，其截止频率为50Hz，低于内侧的速度环和电流环的截止频率，位置环控制参数包括：PID参数值、自动调谐增益、自动提前增益、位置调节器增益、前馈过滤器时间常数、零偏差幅度、定位结束判定时间；

运动控制器连接工控机和伺服电机，运动控制器为半封装的微型计算机系统，集成了二字符指令集及其解析功能，能够进行系统设置，运动控制器由处理器、看门狗、通信接口和电机控制模块组成，处理器为片上系统，包括接口层、算法控制层以及容错控制层，其中接口层为FPGA结构，负责与电机控制模块进行信息交互，控制伺服装置，算法控制层为ARM和DSP双核结构，ARM核负责各类外设驱动，DSP端负责运动学建模、轨迹规划的大量矩阵浮点计算，容错控制层使用32位控制器，对接口层、算法控制层进行实时监控，并根据反馈、操作命令对故障进行容错规划，保证系统安全可靠性运作，容错控制层使用伺服定标方法，同时扩展视觉反馈接口，实现了后期视觉反馈的二次修正；

算法控制层包括差分器、微分器、模糊化接口、输出量转换模块、推理机、知识库，编码器将伺服电机的测量位置信息通过带通滤波器提供给差分器，差分器将操作人员输入的设定位置信息与测量位置信息相减得到误差值E，误差值E经过微分器得到误差变化率dE/dt，误差值E和误差变化率dE/dt提供给模糊化接口，对误差值E和误差变化率dE/dt进行模糊化赋值，分别得到模糊化误差值ME和模糊化误差变化值MEC，模糊化误差值ME和模糊化误差变化值MEC提供给推理机，知识库根据工件材料、加工方式、尺寸精度、表面质量要求、刀具编码、切削液类型查询切削参数值并生成输入输出隶属度矢量值，推理机根据输入输出隶属度矢量值以及逻辑推理规则对模糊化误差值ME和模糊化误差变化值MEC进行模糊推理得到模糊控制量MU，输出量转换模块将模糊控制量MU转换为实际控制量U，根据实际控制量U控制电源向伺服电机提供电压；

模糊控制方法具体为：按照操作人员的语言变量的选取参量PL、PB、PM、PS、ZO、NS、NM、NB、BL分别表示正超大、正大、正中、正小、零、负小、负中、负大、负超大，对应的模糊集{-n,-n+1,......,0,......,n-1,n},n＝4，n为初级模糊集变量；

确定量化因子，k_e＝n/e,其中,k_e为误差值量化因子，e为测量的最大误差值，k_ec＝n/ec，k_ec为误差变化率量化因子，ec为测量的最大误差变化率，

如果m≤k_eE≤m+1,mn，则模糊化误差值ME为经过四舍五入的k_eE,m为次级模糊集变量；

如果k_eE-n，则模糊化误差值ME为-n；

如果k_eEn，则模糊化误差值ME为n；

如果m≤k_ecE≤m+1,mn，则模糊化误差变化值MEC为经过四舍五入的k_ecE；

如果k_ecE-n，则模糊化误差变化值MEC为-n；

如果k_ecEn，则模糊化误差变化值MEC为n；

数据库中存放输入、输出变量的模糊隶属度矢量值，此矢量值是输入、输出量经过对应论域的离散化后所对应值的集合，所对应论域若是连续的，则作为隶属度函数，对于输入的模糊变量，隶属度函数保存于数据库中，在模糊推理关系中向推理机提供数据；

颤振检测设备包括工控机、振动传感器以及音频传感器，振动传感器以及音频传感器安装在工作台的进给座上以测量刀具切削的机械振动信号和噪声信号，并传输给工控机，工控机通过机械振动信号和噪声信号判断切削是否正常；

循环设备包括油泵、滤网、排液管、磁性过滤器、冷却器，油泵吸出的切削液输送给授油器，并经钻杆的环形空隙到达钻头切削刃部位，对其进行冷却润滑的同时，将切屑冲出，切屑随高温切削液流经钻杆内部，由排液管排除，体积较大的切屑落入储屑箱，体积较小的切屑则随切削液一起通过储屑箱底部的网孔流过油槽，带有部分切屑的切削液在油槽中经过滤网过滤后进入磁性过滤器，然后流入油箱，通过冷却器冷却后再次被油泵吸出，循环使用；

颤振检测设备包括工控机、振动传感器以及音频传感器，振动传感器以及音频传感器安装在工作台的进给座上以测量刀具切削的机械振动信号和噪声信号，并传输给工控机，工控机通过机械振动信号和噪声信号判断切削是否正常，具体步骤如下：

步骤1，将机械振动信号和噪声信号进行滤波，去除无用信号，并获取机械振动频率函数f_z和噪声频率函数f_c；

步骤2，计算声级，

式中，L为声级强度，t为时间，e为自然对数函数的底数，lg为对数函数，j为复指数的辐角，F()为冲击力函数，H_e()为工作台结构响应函数，a为声级加权系数，σ_rad工作台结构的声辐射系数，η_s为工作台的内部阻尼系数，d为工件的平均厚度，Re表示取复数的实部；

步骤3，绘制声级强度L的曲线，并提取包络信号，形成包络曲线并对包络信号进行下抽样处理，进行数据压缩；

步骤4，对压缩后的数据进行低频重构，得到低频重构信号；

步骤5，将上述低频重构信号通过已经训练好的三层BP神经网络，与预先测量得到的刚好发生颤振的临界低频重构信号进行比对，判断是否发生颤振；

循环设备包括授油器、油泵、滤网、排液管、磁性过滤器、冷却器，油泵吸出的切削液输送给授油器，并经钻杆的环形空隙到达钻头切削刃部位，对其进行冷却润滑的同时，将切屑冲出，切屑随高温切削液流经钻杆内部，由排液管排除，体积较大的切屑落入储屑箱，体积较小的切屑则随切削液一起通过储屑箱底部的网孔流过油槽，带有部分切屑的切削液在油槽中经过滤网过滤后进入磁性过滤器，然后流入油箱，通过冷却器冷却后再次被油泵吸出，循环使用；

磁性过滤器的端盖通过螺钉与壳体固定连接，端盖底部连接有若干磁芯，壳体底部则设计有对应数量的磁芯罩，磁芯罩为金属壳，内部是中空的，其空间刚好能够容纳磁芯，并使其能够上下移动，排污孔处安装有可拆卸的塞子，深孔加工过程中，经过滤网过滤后的切削液从磁性过滤器的入口进入过滤器内腔，切削液中残留的碎屑在磁芯的磁力作用下被吸附到磁芯罩上，从而实现对切削液的精过滤；

冷却器包括双向螺旋椭圆管、扰流装置以及管程隔板，双向螺旋椭圆管由圆管经周期性双向螺旋扭曲制成，除截面为圆放入两侧端部外其余部分的截面均为大小相等、方向不同的椭圆，在旋向发生变化的过程中，存在过渡段，过渡段无螺旋状结构；

扰流装置包括螺旋片、切削液入口法兰接管，螺旋片成弯曲螺旋状位于切削液入口法兰接管中，从而缓冲切削液进入冷却器对双向螺旋椭圆管的垂直冲刷，减小管束横向受压载荷，同降低切削液冲刷过程中产生的振动；

冷却水入口、冷却水出口、切削液入口、切削液出口上安装有流量传感器、压力传感器、温度传感器以及无线传输装置，用以采集冷却水和切削液的流量、温度和压力信息，并将这信息转变为电信号，由无线传输装置传输给工控机，工控机接收温度传感器检测到的冷却水、切削液温度，与预先设定的温度值进行比对，通过变频器控制水泵电机的转速进而调节冷却水输出量，改变冷却器总传热系数，调节切削液温度的目的；

首先根据切削液的温度要求，在工控机中设定切削液的最佳温度值，当切削液温度无变化时，工控机无指令输出，水泵的输出流量不变；当温度传感器检测到切削液温度升高时，工控机将反馈信号进行A/D转换，并将转换后的数字信号与最佳温度值进行比较、运算，运算结果再经D/A转换器转变为模拟量信号，并作为指令作用于变频器，变频器根据指令改变频率值，从而使水泵电机转速增大，水泵流量增加，油温降低；当切削液温度降低时，则降低水泵电机转速，减少水泵输出流量，从而使油温升高，由于切削液的温度并不是稳定不变的，温度传感器会不断对变化的温度信号进行采集、反馈，而单片机则会对不同的反馈信号进行比较、运算，并对变频器下达指令，以改变水泵电机转速，调节切削液温度，直至反馈的温度信号值与设定值相同为止，从而保证切削液在最佳工作温度状态下工作。