高速数控车床动态性能监控方法及实验研究

High-speed Computer Numerical Control (CNC) machining process has the characteristics such as complexity, dynamic, polytropy, uncertainty, etc., and it is much more important for the health maintenance of high speed CNC manufacturing equipment, so its dynamic performance monitoring method research has important scientific significance. In order to solve the dynamic adjustment problem of monitoring objects and monitoring parameters, the cellular configuration collaborative monitoring method is proposed, and the normalized cellular design method is given, the configuration principle of cellular and the collaborative mechanism between cellulars are researched. Moreover, this method is applied in the dynamic performance monitoring of High-speed CNC Lathe, the experimental method of High-speed CNC turning cellular configuration collaborative monitoring is focus on researched, the experiment scheme of the built-in sensors and external sensors information fusion in High-speed CNC Lathe is adopted. Firstly, the testing principles of built-in sensors of high-speed CNC lathe are researched, the relevance of built-in sensor information and dynamic performance of high-speed CNC lathe is explored, the associated model of dynamic performance in servo feed system with built-in sensor information is established; Secondly, the dynamic performance of High-speed CNC turning process system is analyzed using the numerical simulation method, in order to find the weaknesses of the process system and determine the selection and installation of the external sensor. The associated model of dynamic performance of mechanical transmission components with built-in sensor information and external sensor information is established; Finally, the experiments of the parts in high-speed CNC turning is designed to verify the feasibility and effectiveness of the proposed method.

由于高速数控加工过程具有动态、复杂、多变、不确定性等特点，高速数控制造装备的健康维护显得尤为重要，所以研究其动态性能监控具有重要的科学意义。为解决监控对象与监控参数动态调整问题，提出元胞组态协同的监控方法，并给出规范化的元胞设计方法，研究元胞内部的组态原理和元胞之间的协同机制。并将该方法应用于高速数控车床动态性能监控中，重点研究高速数控车削加工过程元胞组态监控实验方法，拟采用高速数控车床内、外置传感器信息融合的实验方案。首先，研究内置传感器测试原理，探索内置传感器信息与机床动态性能的关联性，建立伺服进给系统动态性能与内置传感器信息的关联模型；其次，采用数值模拟方法研究高速数控车削加工工艺系统的动态性能，找出薄弱环节，为外置传感器的选择及安装提供依据，建立机械传动部件动态性能与内、外置传感器信息的关联模型；最后，面向某型号零件的高速数控车削加工进行实验验证。

提高高速数控装备性能的稳定性和可维护性，对企业提高产品质量和生产效率、提升竞争力非常重要。本项目结合高速数控装备基础科学研究发展趋势，具体研究的内容包括：在分析高速数控装备及高速数控加工过程复杂性根源基础上，采用信息熵描述高速数控集成制造过程动态复杂度；结合元胞自动机从运动和演化的视角模拟复杂性现象的优势，为解决高速数控装备动态性能及复杂数控集成制造过程监控对象与监控参数动态调整问题，提出了元胞组态协同监控方法，给出了规范化的元胞设计方法，即每个元胞设计为一个四元组，表示为C=(元胞态空间，元胞状态集合，影响元胞状态变化的因素集合，作业规则)，研究了元胞内部按照演化规则进行组态的原理，以及元胞之间通过感知和语义通信进行工作的协同机制，从探索高速数控车床主轴系统振动敏感点动态变化规律出发，建立了主轴敏感位置振动二维概率型元胞自动机模型，仿真得出了振动强度可变性、振动敏感点位置可变性、异相振动边界可变性等动态性能演化规律；将元胞组态协同监控方法应用于高速车削加工过程动态特性监控中，提出采用离线分析与内外置多传感器的在线监测相结合的实验方法，首先采用数值模拟方法研究了多工况下高速数控车削加工工艺系统动态性能，找出动态薄弱环节——主轴系统轴承支撑处、主轴前端、进给系统刀架装刀位、刀头与工件接触位置，确定监测对象及优化布置监控方案中的传感网络，然后建立内外置传感信息与数控车床动态性能的关联模型，实现了主轴系统动刚度、敏感位置振动的监控和加工过程高速车刀磨破损及工序间加工质量的监控，验证了理论方法的合理性，同时初步显示出该方法对研究机床动态性能由性能保有阶段向性能退化阶段演化的可行性；针对高速数控装备及CNC集成制造过程动态在线监控要求，构建了集视诊、触诊、听诊、问诊等多功能HMI嵌入式多窗口监控、分布式组态监控及上位机监控分析决策为一体的监控系统，实现了数控系统内外部多传感器信息的采集、处理及复杂工况模式识别、诊断、控制预警，为数控加工健康状态监控、性能分析和智能修复提供依据；以上研究成果对高端装备智能制造中智能感知、智能监控、智能决策及发挥高速数控装备及高速切削技术优越性具有重要的科学意义和应用价值。