基于逆濾波原理的銑削力補償研究

摘 要：銑削力是航空零件加工過程中的重要參數(shù)，影響著零件表面質(zhì)量和刀具壽命。針對臺式測力儀在高頻段測量失真的問題，本文基于逆濾波原理對實測銑削力進行補償。首先，針對測力儀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和動態(tài)特性，對銑削力測量誤差進行分析。然后，介紹了逆濾波的原理及其在銑削力補償中的應(yīng)用。此外，選擇航空等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用的6061鋁合金開展了銑削試驗，利用逆濾波進行銑削力補償，分析了補償后銑削力的特性。最后，通過激振器試驗和位移信號高頻標定試驗，驗證了銑削力補償?shù)谋匾院蜏蚀_性。試驗結(jié)果表明，激振器輸入力與補償力的誤差指標EVE低于6%，位移信號辨識銑削力與補償銑削力的誤差為5.49%，所提銑削力補償方法可以準確補償航空等領(lǐng)域零件加工過程中的銑削力。

關(guān)鍵詞：6061鋁合金； 銑削力； 誤差分析； 補償； 試驗驗證

中圖分類號：V26 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.013

航空工業(yè)對復(fù)雜精密零件（如航空發(fā)動機葉片、整體葉輪、機匣等）高速高效銑削加工日益增長的需求，促使主軸的速度、精度、可靠性等性能指標向更高的水平發(fā)展，從而達到更高的銑削速度和效率。智能主軸是新一代高端智能機床的核心功能部件，也是未來主軸的發(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態(tài)性能。因此，監(jiān)測加工過程中準確的銑削力對航空零件加工精度和效率的提升至關(guān)重要。

目前，多種傳感器用于測量航空零件加工過程中的銑削力[2-4]。大部分研究團隊選擇不影響主軸動態(tài)特性的臺式測力儀[5-6]來測量銑削力。然而，測力儀的結(jié)構(gòu)和動態(tài)特性可能會使得測量結(jié)果存在誤差。因此，對測量銑削力的補償十分有必要。

一些有前景的銑削力測量和預(yù)測方法也被大量研究。利用電流信號[7-8]、位移信號[9-10]以及加速度信號[11-12]來對銑削力進行間接辨識。羅明等[13]將PVDF 嵌入刀具中，在不改變加工系統(tǒng)的動態(tài)特性下，對每個獨立刀片所受的銑削力進行估算。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，無論是間接辨識、創(chuàng)新的傳感元件還是銑削力模型，都需要準確的銑削力來驗證結(jié)果的正確性。這是測量銑削力需要補償?shù)牧硪粋€主要原因。

針對臺式測力儀在高頻段測量失真問題，普遍采用增廣Kalman 濾波方法來對測量的銑削力進行補償。Scippa等[15]將增廣卡爾曼濾波應(yīng)用到測力儀測量中，用于補償失真的銑削力。盡管增廣Kalman 濾波在干擾情況下表現(xiàn)出較好的補償效果，但這種方法需要已知過程干擾的先驗知識。觀測器引入l1/H∞性能指標降低了對過程干擾先驗知識的需要[16]。滑膜觀測器[17]的引入，克服了需要已知過程干擾先驗知識的難題。然而，增廣Kalman 濾波和觀測器方法補償銑削力的準確性，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)矩陣是通過擬合傳遞函數(shù)得到的，這樣勢必會影響某些頻率下銑削力補償?shù)臏蚀_性。通過測量的頻響函數(shù)和逆濾波可以克服上述問題。此外，很少有研究通過試驗來驗證補償?shù)你娤髁κ欠駵蚀_。

本文基于逆濾波原理來對測量的銑削力進行補償。針對臺式測力儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動態(tài)特性，對銑削力測量誤差的原因進行分析。在此基礎(chǔ)上，將逆濾波應(yīng)用于銑削力補償。最后，利用激振器試驗和位移信號高頻標定試驗，來驗證銑削力補償?shù)谋匾院蜏蚀_性，為航空等領(lǐng)域零件加工過程中的銑削力準確獲取，提供了切實可行的思路。