基于逆濾波原理的銑削力補(bǔ)償研究

摘 要：銑削力是航空零件加工過(guò)程中的重要參數(shù)，影響著零件表面質(zhì)量和刀具壽命。針對(duì)臺(tái)式測(cè)力儀在高頻段測(cè)量失真的問(wèn)題，本文基于逆濾波原理對(duì)實(shí)測(cè)銑削力進(jìn)行補(bǔ)償。首先，針對(duì)測(cè)力儀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性，對(duì)銑削力測(cè)量誤差進(jìn)行分析。然后，介紹了逆濾波的原理及其在銑削力補(bǔ)償中的應(yīng)用。此外，選擇航空等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用的6061鋁合金開(kāi)展了銑削試驗(yàn)，利用逆濾波進(jìn)行銑削力補(bǔ)償，分析了補(bǔ)償后銑削力的特性。最后，通過(guò)激振器試驗(yàn)和位移信號(hào)高頻標(biāo)定試驗(yàn)，驗(yàn)證了銑削力補(bǔ)償?shù)谋匾院蜏?zhǔn)確性。試驗(yàn)結(jié)果表明，激振器輸入力與補(bǔ)償力的誤差指標(biāo)EVE低于6%，位移信號(hào)辨識(shí)銑削力與補(bǔ)償銑削力的誤差為5.49%，所提銑削力補(bǔ)償方法可以準(zhǔn)確補(bǔ)償航空等領(lǐng)域零件加工過(guò)程中的銑削力。

關(guān)鍵詞：6061鋁合金； 銑削力； 誤差分析； 補(bǔ)償； 試驗(yàn)驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：V26 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.013

航空工業(yè)對(duì)復(fù)雜精密零件（如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、整體葉輪、機(jī)匣等）高速高效銑削加工日益增長(zhǎng)的需求，促使主軸的速度、精度、可靠性等性能指標(biāo)向更高的水平發(fā)展，從而達(dá)到更高的銑削速度和效率。智能主軸是新一代高端智能機(jī)床的核心功能部件，也是未來(lái)主軸的發(fā)展方向。銑削力感知是智能主軸的重要功能之一[1]。加工過(guò)程中的銑削力影響著航空零件的表面質(zhì)量、刀具的使用壽命和主軸的動(dòng)態(tài)性能。因此，監(jiān)測(cè)加工過(guò)程中準(zhǔn)確的銑削力對(duì)航空零件加工精度和效率的提升至關(guān)重要。

目前，多種傳感器用于測(cè)量航空零件加工過(guò)程中的銑削力[2-4]。大部分研究團(tuán)隊(duì)選擇不影響主軸動(dòng)態(tài)特性的臺(tái)式測(cè)力儀[5-6]來(lái)測(cè)量銑削力。然而，測(cè)力儀的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性可能會(huì)使得測(cè)量結(jié)果存在誤差。因此，對(duì)測(cè)量銑削力的補(bǔ)償十分有必要。

一些有前景的銑削力測(cè)量和預(yù)測(cè)方法也被大量研究。利用電流信號(hào)[7-8]、位移信號(hào)[9-10]以及加速度信號(hào)[11-12]來(lái)對(duì)銑削力進(jìn)行間接辨識(shí)。羅明等[13]將PVDF 嵌入刀具中，在不改變加工系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性下，對(duì)每個(gè)獨(dú)立刀片所受的銑削力進(jìn)行估算。Altintas 等[14]考慮了剪切力和犁切力的作用，在銑削力解析模型中做了大量的工作。然而，無(wú)論是間接辨識(shí)、創(chuàng)新的傳感元件還是銑削力模型，都需要準(zhǔn)確的銑削力來(lái)驗(yàn)證結(jié)果的正確性。這是測(cè)量銑削力需要補(bǔ)償?shù)牧硪粋€(gè)主要原因。

針對(duì)臺(tái)式測(cè)力儀在高頻段測(cè)量失真問(wèn)題，普遍采用增廣Kalman 濾波方法來(lái)對(duì)測(cè)量的銑削力進(jìn)行補(bǔ)償。Scippa等[15]將增廣卡爾曼濾波應(yīng)用到測(cè)力儀測(cè)量中，用于補(bǔ)償失真的銑削力。盡管增廣Kalman 濾波在干擾情況下表現(xiàn)出較好的補(bǔ)償效果，但這種方法需要已知過(guò)程干擾的先驗(yàn)知識(shí)。觀測(cè)器引入l1/H∞性能指標(biāo)降低了對(duì)過(guò)程干擾先驗(yàn)知識(shí)的需要[16]。滑膜觀測(cè)器[17]的引入，克服了需要已知過(guò)程干擾先驗(yàn)知識(shí)的難題。然而，增廣Kalman 濾波和觀測(cè)器方法補(bǔ)償銑削力的準(zhǔn)確性，都依賴于狀態(tài)空間方程中的參數(shù)矩陣。狀態(tài)空間方程中的參數(shù)矩陣是通過(guò)擬合傳遞函數(shù)得到的，這樣勢(shì)必會(huì)影響某些頻率下銑削力補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性。通過(guò)測(cè)量的頻響函數(shù)和逆濾波可以克服上述問(wèn)題。此外，很少有研究通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證補(bǔ)償?shù)你娤髁κ欠駵?zhǔn)確。

本文基于逆濾波原理來(lái)對(duì)測(cè)量的銑削力進(jìn)行補(bǔ)償。針對(duì)臺(tái)式測(cè)力儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)特性，對(duì)銑削力測(cè)量誤差的原因進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，將逆濾波應(yīng)用于銑削力補(bǔ)償。最后，利用激振器試驗(yàn)和位移信號(hào)高頻標(biāo)定試驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證銑削力補(bǔ)償?shù)谋匾院蜏?zhǔn)確性，為航空等領(lǐng)域零件加工過(guò)程中的銑削力準(zhǔn)確獲取，提供了切實(shí)可行的思路。