微納米動態(tài)切削系統(tǒng)建模及表面形貌的預(yù)測分析研究.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)仿真模型對切削表面進(jìn)行預(yù)測，并可以反向由實(shí)際表面測量數(shù)據(jù)或仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果的二維譜分析，對該表面加工過程中的振動情況進(jìn)行有效辨識，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態(tài)因素所決定。因此，在傳統(tǒng)切削力研究的基礎(chǔ)上，對整個切削系統(tǒng)中包含的線性、非線性動態(tài)因素進(jìn)行了分析，在切削過程中綜合考慮了主軸跳動、地基振動、氣源壓力波動、電機(jī)伺服振動、材料不均勻性、積屑瘤、再生振動等因素，形成真正意義上的動態(tài)切削系統(tǒng)。同時，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、空氣靜壓導(dǎo)軌支撐的直驅(qū)

3、進(jìn)給形式，運(yùn)動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)測誤差的相關(guān)性分析來對前饋環(huán)節(jié)進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證取得良好效果。從而建立了包括動態(tài)切削過程、控制驅(qū)動系統(tǒng)、表面預(yù)測與分析等的微納米動態(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、著各種擾動作用下的真實(shí)走刀軌跡對表面進(jìn)行刻劃復(fù)映而成。在微納米切削表面預(yù)測的模塊中，具體考慮了刀具干涉對表面成型的影響，給出了三維形貌的仿真算法。并通過對典型振動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振動（以下簡稱相對振動）對表面成型的影響：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；并分別從相對振動的幅值、頻率與刀具干涉現(xiàn)象對表面粗糙度的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析。最后，對多動態(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，對切削表面的頻譜特征進(jìn)行了分析。由刀具-工件間的相對位移和切削表面剖面輪廓的功率譜密度（PSD）對比分析，得出了時間域與空間域頻率信息的對應(yīng)關(guān)系；由面域功率譜密度（APSD）對表面形貌的分析結(jié)果，得出表面上不同微觀紋理在頻域中的對應(yīng)規(guī)律，并應(yīng)用其對應(yīng)關(guān)系總結(jié)了通過表面測量結(jié)果來辨識動態(tài)切

6、削過程中刀具-工件之間相對振動的系統(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表面特征的頻域分辨不足，在某尺度分解的表面上會出現(xiàn)多頻率混疊現(xiàn)象，另外，個別頻率特征會同時出現(xiàn)在多個尺度分解的表面上。而二維連續(xù)小波變換對特定尺度的表面提取更為有效，可以清晰地分離各個尺度的表面形貌。
　　基于相對面域功率譜分析、小波多尺度

7、分解和系統(tǒng)仿真模型三種方法，可以計(jì)算切削過程各動態(tài)因素對表面誤差的貢獻(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，在線測量了微納米車削機(jī)床的各動態(tài)信號，并據(jù)此進(jìn)行了微納米端面車削的三維形貌預(yù)測，與實(shí)際檢測結(jié)果有較好的一致性，驗(yàn)證了動態(tài)系統(tǒng)建模及表面仿真算法的正確性。同時，對快速刀架伺服主動振動激勵下的表面測量數(shù)據(jù)進(jìn)行APSD分析，