传统的车床 ,只能加工横截面为圆的零件 ,而对于具有非圆横截面的零件是无能为力的。近年来 ,随着具有高频响特性的直线电机技术的发展 ,对非圆截面零件进行数控车削加工成为可能 ,从而出现了数控非圆车削加工技术。在非圆车削加工中 ,被加工零件安装于车床主轴上 ,并随主轴高速旋转 ,车削刀具安装于直线电机之上 ,并随直线电机相对被加工零件径向作往复运动 ,从而切削零件 ,生成所需要的非圆轮廓。非圆车削时 ,由于刀具沿工件径向作高频的往复运动 ,其切削特性与传统车削加工有一定差别 ,因此 ,有必要对非圆车削加工的径向切削力 (下文中简称切削力 )进行进一步研究。在普通车床上进行径向切削力测量 ,通常可以采用两种方法 :1 )在刀架下安装通用测力仪 ;2 )设计专用的刀杆 ,安装压电晶体进行测力。但在非圆车削系统中 ,上述两种方法都存在一些问题 ,对第一种方法 ,由于直线电机的体积和质量都很大 ,在其下安装通用测力仪很不方便 ,且测力仪的灵敏度受到限制。对第二种方法 ,在直线电机中 ,为了提高其频响特性 ,电机的动子质量设计得很小 ,安装测力刀杆无疑会改变电机的动态特性 ,同时 ,由于测力刀杆的刚度较差 ,其切削过程 ,尤其是产生振动时的过程 ,与实际加工过程会存在较大的差别。因此 ,对非圆车削加工 ,需要寻找一条途径来实现切削力的测量。1 最小相位系统切削力的辨识图 1是直线电机动子的传递函数框图。图中Fd( S)为电机的驱动力 ,Fc( S)为切削力 ,Y( S)为动子的位移 ,G0 ( S)是直线电机动子的传递函数。图 1 直线电机动子传递函数框图对最小相位系统 ,其零点全部位于 S域的左半平面 ,所以其逆系统是稳定系统 ,因此 ,Fr( S) =Y( S)G0 ( S) . ( 1 ) 又因为 Fr( S) =Fd( S) + Fc( S) ,所以Fc( S) =Y( S)G0 ( S) - Fd( S) ,( 2 )辨识出直线电机动子的传递函数 ,并且电机的驱动力及其位移是已知的 ,由式 ( 2 )就可以得到切削力。2 非最小相位系统切削力的辨识对非最小相位系统 ,由于存在右半平面零点 ,其逆系统为不稳定系统 ,由式 ( 1 )得到的结果将发散 ,所以不能采用与最小相位系统同样的方法得出切削力。同时 ,在采样系统中 ,非最小相位系统是大量存在的 ,其产生的主要原因在于系统的延迟不是采样周期的整数倍。另外 ,对极点盈数 (极点的阶数减去零点的阶数 )大于 2的连续时间系统使用零阶保持器 ,在采样频率足够高时也将产生不稳定零点。因此 ,必须为非最小相位系统寻找一种切削力辨识方法 <1> 。文 <2 ,3>提出一种求近似稳定力的方法。由于非圆车削系统的直线电机都是由计算机进行控制的 ,为了研究方便 ,转入离散域 ,当直线电机系统输入为任意频率的正弦序列或复指数序列时 ,x( n) =AejΩ n, -∞
@马骋$清华大学精密仪器与机械学系!北京100084
@赵广木$清华大学精密仪器与机械学系!北京100084非圆车削;;切削力;;非最小相位系统为测量非圆车削的切削力 ,针对最小相位及非最小相位受控系统 ,分别提出了相应算法 ,根据系统输出位置信号及输入的控制力信号 ,辨识出切削力信息。不使用测力传感器 ,从而消除了附加测力传感器所产生的不利因素。实验结果表明 ,该方法可以有效地提取非圆车削加工中各种不同状态时的切削力信息 ,为深入研究非圆车削加工特性提供了一种新手段<1>Astrom K J.Zeros of sampled systems.Autom atica,1984,2 0 (1) :3138.
<2 >Tom izuka M.Zero phase error tracking algorithmfor digital control.ASME,J of DynamicSystem s,Measurement and Control,1987,10 9(1) :6 5 6 8.
<3>马骋 ,冯之敬 ,赵广木 ,等 .活塞立体靠模的数控车削加工 .清华大学学报 ,1999,39(4) :2 831.Ma Cheng,Feng Zhijing,Zhao Guangm u,et al.Num erical controlled turning of m aster piston.Jof Tsinghua U niversity,1999,39(4) :2 831.(inChinese)叵登摺Ｍ贾?,虚线部分是辨识得出的切削力序列 ,实线部分是该序列经多项式拟合得出的序列。可以看出 ,辨识得出的切削力基本为零。粗加工时 ,被加工零件的横截面由圆变为椭圆 ,加工中切削深度是以主轴转速 2倍的频率变化的 ,因此可以称为变切深非圆车削 ,此时的辨识结果如图 4所示 ,可以看出 ,切深是影响切削力的一个主要因素。图 4 变切深非圆车削的切削力精加工时 ,虽然刀具仍在作高频往复运动 ,但是被加工零件横截面椭圆在粗加工中已经基本成形 ,因此切削深度基本不变 ,称为等切深非圆车削。此种情况的辨识结果如图 5所示。与普通车削不同 ,虽然加工中主轴转速、
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