微納米動(dòng)態(tài)切削系統(tǒng)建模及表面形貌的預(yù)測(cè)分析研究.pdf

1、近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展和生活水平的提高,電子工業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)、國防及航空航天等尖端領(lǐng)域?qū)Ρ砻尜|(zhì)量提出了更高要求。由于超精密加工表面包含了豐富的形貌特征，現(xiàn)代制造業(yè)越來越關(guān)注表面微觀形貌的成因及其影響規(guī)律。本文旨在建立動(dòng)態(tài)切削過程和表面形貌之間的關(guān)系，通過微納米切削系統(tǒng)仿真模型對(duì)切削表面進(jìn)行預(yù)測(cè)，并可以反向由實(shí)際表面測(cè)量數(shù)據(jù)或仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的二維譜分析，對(duì)該表面加工過程中的振動(dòng)情況進(jìn)行有效辨識(shí)，從而為深入理解表面微觀形貌的成型過程及其

2、優(yōu)化提供有效依據(jù)。
　　微納米切削的表面質(zhì)量主要由工件材料、刀具、工藝參數(shù)、伺服精度、機(jī)械結(jié)構(gòu)變形以及其他在切削過程中的動(dòng)態(tài)因素所決定。因此，在傳統(tǒng)切削力研究的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)切削系統(tǒng)中包含的線性、非線性動(dòng)態(tài)因素進(jìn)行了分析，在切削過程中綜合考慮了主軸跳動(dòng)、地基振動(dòng)、氣源壓力波動(dòng)、電機(jī)伺服振動(dòng)、材料不均勻性、積屑瘤、再生振動(dòng)等因素，形成真正意義上的動(dòng)態(tài)切削系統(tǒng)。同時(shí)，由于本課題的切削實(shí)驗(yàn)機(jī)床中采用了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)、空氣靜壓導(dǎo)軌支撐的直驅(qū)

3、進(jìn)給形式，運(yùn)動(dòng)方向上的刀具位置精度完全由直線電機(jī)的伺服精度進(jìn)行保證，因此對(duì)該微納米車床的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究。采用了積分分離、微分先行、低通濾波和前饋補(bǔ)償?shù)南冗M(jìn)PID控制策略，并在軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)中基于實(shí)測(cè)誤差的相關(guān)性分析來對(duì)前饋環(huán)節(jié)進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證取得良好效果。從而建立了包括動(dòng)態(tài)切削過程、控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、表面預(yù)測(cè)與分析等的微納米動(dòng)態(tài)切削集成仿真系統(tǒng)，來構(gòu)建加工條件和表面質(zhì)量之間的關(guān)系。
　　切削表面是刀具刃形沿

4、著各種擾動(dòng)作用下的真實(shí)走刀軌跡對(duì)表面進(jìn)行刻劃復(fù)映而成。在微納米切削表面預(yù)測(cè)的模塊中，具體考慮了刀具干涉對(duì)表面成型的影響，給出了三維形貌的仿真算法。并通過對(duì)典型振動(dòng)下的三維表面形貌仿真與分析得出了刀具與工件之間相對(duì)振動(dòng)（以下簡(jiǎn)稱相對(duì)振動(dòng)）對(duì)表面成型的影響：通過頻率比方法及采樣理論分別解釋了表面形貌的成形過程；并分別從相對(duì)振動(dòng)的幅值、頻率與刀具干涉現(xiàn)象對(duì)表面粗糙度的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析。最后，對(duì)多動(dòng)態(tài)因素影響下的微納米端面車削表面進(jìn)行了仿真，

5、得出了復(fù)雜的三維表面形貌。
　　鑒于微納米車削表面紋理的復(fù)雜性，傳統(tǒng)表面粗糙度參數(shù)難以對(duì)其成因做解釋，本文采用了表面譜分析和小波分析相結(jié)合的方法，對(duì)切削表面的頻譜特征進(jìn)行了分析。由刀具-工件間的相對(duì)位移和切削表面剖面輪廓的功率譜密度（PSD）對(duì)比分析，得出了時(shí)間域與空間域頻率信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系；由面域功率譜密度（APSD）對(duì)表面形貌的分析結(jié)果，得出表面上不同微觀紋理在頻域中的對(duì)應(yīng)規(guī)律，并應(yīng)用其對(duì)應(yīng)關(guān)系總結(jié)了通過表面測(cè)量結(jié)果來辨識(shí)動(dòng)態(tài)切

6、削過程中刀具-工件之間相對(duì)振動(dòng)的系統(tǒng)方法。
　　為了表征不同尺度下的表面紋理，采用了小波多尺度分析方法，對(duì)切削表面進(jìn)行了分解和重構(gòu)。通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，基于二進(jìn)小波理論的離散小波多尺度分析方法對(duì)表面特征的頻域分辨不足，在某尺度分解的表面上會(huì)出現(xiàn)多頻率混疊現(xiàn)象，另外，個(gè)別頻率特征會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在多個(gè)尺度分解的表面上。而二維連續(xù)小波變換對(duì)特定尺度的表面提取更為有效，可以清晰地分離各個(gè)尺度的表面形貌。
　　基于相對(duì)面域功率譜分析、小波多尺度

7、分解和系統(tǒng)仿真模型三種方法，可以計(jì)算切削過程各動(dòng)態(tài)因素對(duì)表面誤差的貢獻(xiàn)程度，即表面粗糙度的重要度分析。通過各因素對(duì)表面粗糙度的影響比重，可以得出改進(jìn)切削表面質(zhì)量所需要采取的控制措施，為加工優(yōu)化提供了指導(dǎo)。
　　最后，在線測(cè)量了微納米車削機(jī)床的各動(dòng)態(tài)信號(hào)，并據(jù)此進(jìn)行了微納米端面車削的三維形貌預(yù)測(cè)，與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果有較好的一致性，驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模及表面仿真算法的正確性。同時(shí)，對(duì)快速刀架伺服主動(dòng)振動(dòng)激勵(lì)下的表面測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行APSD分析，