1、 大学博士学位论文 高速数控车削加工复杂工况集成监控 方法及系统 论 文 作 者： 学 生 类 别： 定向 学 科 门 类： 工学 学 科 专 业： 机械制造及其自动化 指 导 教 师： 职 称： 河北工业大学博士学位论文 摘 要 高速 CNC 机床的工况状态直接影响生产效率、产品质量和装备安全。由于 CNC 加工工艺的柔性化和高速加工自 动循环的动态化，使加工工艺系统运行过程和运行状态监控具有显著的复杂性特征。因此，本文在国家科技重大专项及沈阳机床集团的资助下，研究一种虚拟测试辅助下的监控技术及 CNC 集成功能，通过基于计算机仿真模型的相似性模拟，以及基于模型的虚拟测试，获取复杂工况主要监
2、控特征及规律。 本文重点研究了高速数控车削加工复杂工况的聚类融合监控技术及集成监控功能实现，主要进行了如下研究内容： 1、从复杂性科学角度，研究了高速数控车削加工过程复杂工况的形成，分析了复杂工况类型及主要影响因素，构建了复杂工况模型，提出了一种 CNC 高速车削过程集成监控的聚类融合方法及实现技术； 2、针对 CNC 加工系统及工艺过程的柔性化重构特点，研究了 CNC 高速车削工艺系统数字样机多工况仿真技术，提出了一种物理监控与虚拟测试相结合的复杂工况集成监控方法，实现从复杂工况预测和异常工况预防、高效加工条件选择，到工况的实时测量、聚类融合、识别和控制； 3、研究了多工况数字样机模型构建及
3、虚拟测试技术，对不同的工艺系统和不同加工条件下的复杂工况进行了预测，为异常工况预防和高效加工用量的选择提供了参考； 4、研发了复杂工况实时和分时监控技术，重点研 究了基于主轴电机电流和切削振动的车削过程中的刀具破磨损状态实时监控技术，并通过 CCD 进一步判断刀具磨损程 度，及时发现异常工况的情况下大大降低了误判率； 5、提出一种基于 PCA 的多混合视觉特征融合的刀具磨损状态识别方法，提取了刀具图像的颜色、纹理、形状共 13 个特征，采用 PCA 法对特征向量进行重构和降维处理，兼顾了识别结果的准确性和识别效率； 6、将复杂工况监控和加工质量检测功能无缝嵌入 CNC 系统，扩展了 CNC 的
4、感知和控制功能，具有开放式、可重构和可移植的特点。 本文的研究工作 为高速数控车削的高质、高效、稳定加工提供了有力保证，对延长设备使用寿命、提高加工的自动化和智能化水平意义重大。 关键字： 高速车削，工况预测，集成监控，虚拟测试，聚类融合控制 I 高速数控车削加工复杂工况集成监控方法及系统 ABSTRACT The working conditions of High-speed CNC machine tools affect the productivity, quality and safety directly. Due to the flexibility of CNC machin
5、ing technology and dynamic automation of high-speed processing cycle, the system is running and processing monitoring with significant complexity characteristics. Therefore, funded by the national science and technology major project and Shenyang Machine Tool Group, research on a new integration mon
6、itoring technology assisted with virtual testing method. Through computer simulation and virtual test, the main monitoring features and rules of complex conditions are obtained. This paper focuses on cluster fusion monitoring technology and integrated monitoring function for complex working conditio
7、ns(CWC) of the High-speed CNC turning(HSCT). Made the following innovative research results. 1. From the perspective of complexity science, researched the formation of HSCT CWC, and analyzed the types of CWC and the main factors. Clustering fusion method for CWC integrated monitoring is proposed and
8、 researched. 2. For reconfigurable and flexible features of CNC machining system and process, multi-condition simulation technology of HSCT has been researched. Proposed an integration method combining physical methods and virtual testing methods for monitoring CWC. Achieved complex condition predic
9、tion, abnormal conditions prevention, efficient processing condition selection, CWC Real-time measurement and control. 3. Researched virtual testing technology of multi-condition digital prototype model. Predicted CWC of different process systems under different conditions. Provide a reference for a
10、bnormal condition prevention and efficient cutting parameters selection. 4. Developed real-time and sub-periods monitoring technology for CWC. Focus on the tool state real-time monitoring technology based on the spindle motor current and the cutting vibration. And through the CCD to further determin
11、e the extent of tool wear. 5. Proposed a cutting tool wear condition recognition method based on PCA and visual multi-feature fusion. Extract 13 features of color, texture, shape of tool image. Using PCA method to reconstruct and reduce the dimension feature vectors. Taking into account the result o
12、f recognition accuracy and recognition efficiency. 6. The CWC monitoring and process quality inspection function seamlessly embedded in CNC system. Expanded CNC perception and control functions, which is open, reconfigurable and portable. The research work provides a strong guarantee for HSCT machin
13、ing with high quality, high efficiency and stability. It is significance for extending equipment life and improving machining automation and intelligent level. KEYWORDS: High-speed turning, Conditions predicting, Integrated monitoring, Virtual test, Clustering fusion control II 河北工业大学博士学位论文 目 录 第一章
14、绪论 . 1 1.1 课题提出背景及意义 . 1 1.1.1 加工装备和加工技术的现状及发展趋势 . 1 1.1.2 加工监控领域的国家战略和宏观政策 . 1 1.1.3 加工监控技术的 行业需求和作用 . 3 1.1.4 课题来源及研究意义 . 3 1.2 国内外相关领域研究现状及发展趋势 . 5 1.2.1 数控加工工况监控研究现状 . 5 1.2.1.1 工况监测与故障诊断及复杂工况监控 . 5 1.2.1.2 监控对象及研究现状 . 5 1.2.1.3 已有的典型加工监控产品 . 7 1.2.1.4 数控加工监控存在的问题 . 9 1.2.2 虚拟测试技术的应用现状 . 10 1.2.
15、2.1 物理测试存在的问题 . 10 1.2.2.2 虚拟测试的优点 . 12 1.2.2.3 虚拟测试技术的应用现状 . 13 1.2.2.4 虚拟测试技术发展趋势与展望 . 15 1.2.3 多传感器融合技术研究现状 . 16 1.2.3.1 传感器融合、信息融合和数据融合 . 16 1.2.3.2 多传感器融合技术应用现状 . 16 1.2.3.3 聚类融合控制在加工监控领域的应用现状 . 16 1.3 课题主要研究内容及论文框架 . 17 1.3.1 研究目标 . 17 1.3.2 课题主要研究内容 . 17 1.3.3 论文框架 . 19 第二章 高速数控车削加工复杂工况分析 . 2
16、1 2.1 高速数控车削加工工况的复杂性分析 . 21 2.1.1 制造系统复杂性及复杂工况概念 . 21 2.1.2 高速数控车削加工工况的复杂性描述 . 23 2.2 高速数控车削加工复杂工况分类及影响因素分析 . 24 2.2.1 按照加工形式和整体运行状态分类 . 24 2.2.2 按照加工系统的组成和整体运行状态分类 . 25 2.3 高速数控车削加工复杂工况机理分析 . 27 2.3.1 高速切削理论及机理 . 27 2.3.2 切削力产生机理 . 28 2.3.3 切削热与切削温度 . 30 2.3.4 切削振动及再生型颤振 . 30 I 高速数控车削加工复杂工况集 成监控方法及
17、系统 2.3.5 刀具磨损形式与磨损机理 . 32 2.3.5.1 刀具磨损形式与磨钝标准 . 32 2.3.5.2 刀具磨损机理及数学模型 . 34 2.4 高速数控车削加工复杂工况的特点及集成监控要求 . 37 2.4.1 高速数控车削加工复杂工况的特点 . 37 2.4.2 高速数控车削复杂工况的集成监控要求 . 38 2.5 小结 . 39 第三章 高速数控车削加工复杂工况集成监控方法 . 41 3.1 常用加 工工况物理监控方法与特点 . 41 3.2 高速数控车削加工复杂工况虚拟拟测方法 . 43 3.3 高速数控车削加工复杂工况聚类融合监控方法 . 46 3.3.1 聚类融合控制
18、原理 . 46 3.3.2 高速数控车削加工 复杂工况聚类融合控制方法 . 49 3.3.3 高速数控车削加工复杂工况聚类融合控制模型 . 50 3.4 高速数控车削加工复杂工况集成监控方法 . 53 3.4.1 复杂工况监控集成技术 . 53 3.4.2 高速数控车削加工复杂工况集成监控方法 . 55 3.4.3 高速数控车削加工复杂工况集成监控系统 . 57 3.4.4 基于虚拟测试与多传感器融合的复杂工况识别过程 . 58 3.5 小结 . 59 第四章 高速数控车削加工复杂工况预测 . 61 4.1 高速数控车削加工稳定性切削工况条件虚拟测试 . 61 4.1.1 高速数控车削加工系统
19、颤振主振体分析 . 62 4.1.2 动态固有特性测试的工况条件设计及测试流程 . 62 4.1.3 动态固有特性虚拟测试结果与验证 . 63 4.1.3.1 动态固有特性虚 拟测试结果 . 63 4.1.3.2 动态固有特性虚拟测试结果验证 . 65 4.1.4 高速数控车削加工稳定性切削工况条件计算 . 66 4.2 高速车削过程有限元仿真与车削工况虚拟测试 . 71 4.2.1 切削过程热力耦合有限元模型 . 71 4.2.2 高速车削过程有限元仿真方法 . 73 4.2.3 复杂工况虚拟测试流程及工况条件设计 . 76 4.3 复杂工况预测及结果分析 . 78 4.3.1 切削速度对切削工况的影响分析 . 78 4.3.2 进给量对切削工况的影响分析 . 81 4.3.3 背吃刀量对切削工况的影响分析 . 83 4.3.4 高速车削过程工况虚拟测试方法验证 . 86 4.4 小结 . 88 第五章 高速数控车削加工复杂工况集成监控关键技术 . 89 5.1 加工工况多传感器信息处理技术 . 89 5.1.1 工况特征参量的选取 . 90 5.1.2 工况特征的提取方法 . 91 II
