第9期 2017年9月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2017)09=000903
D0I:10.13462/j. cnki. mmtamt.2017.09.003
基于特征频率自动识别的机床振动分析*
张智la,2，刘成颖a,lb，刘辛军la,lb，张洁la,l
No.9 Sep.2017
(1.清华大学a.机械工程系；b.精密超精密制造装备及控制北京市重点实验室，北京100084；2 海军航空工程学院飞行器工程系，山东烟台264001）
摘要：在精密超精密加工中微小的振动都会影响机床的加工精度。为了有效减小或抑制振动，在线提取、分析和辨识振动是十分必要的。文章基于傅立叶变换，提出了频域自动识别的方法。该方法首先获取由转速引起的振动频率，再利用该频率分析振动信号中是否含有其他振动源，从而实现振动的在线辨识，并通过机床空转实验和加工实验进行验证。实验结果表明：该方法提取出的振动频
率准确，可应用于加工的振动在线辨识与分析。关键词：振动频率；自动识别；振动；傅立叶变换
中图分类号：TH166；TG506
文献标识码：A
Analysis of Machine Tool Variation Based on Automatic Identification Characteristic Frequency
NHZ n-X IT -u IT' !Z NHZ
(1 a. Department of Mechanical Engineering;b. Beijing Key Lab of Precision/Ultra-precision Manufacturing Equipment and Control, Tsinghua University, Beijing 100084, China ;2. Department of Aireraft Engineering, Navy Aeronautical Engineering Academy,Yantai Shandong 264001,China)
Abstract : Vibration will affect the accuracy of cutting in precision and ultra-precision machining. In order to reduce or suppress the vibration effectively, it' s necessary to extract, analysis and recognize vibration. Based on the Fourier transform, this paper presents an algorithm for automatic identification in frequency do-main. Firstly, the algorithm can obtain the vibration frequency caused by the rotational speed. And then the frequency can be used to analysis the vibration signal, which contains many sources of vibration, in order to achieve vibration identification online. All of this can be verified by the machine idle and processing experi-ments. Experiments results show that: the method extracts vibration frequency accurately, and can be ap-plied to machine processing for identification and analysis of vibration.
Key words: vibration frequency; automatic identification; vibration; fourier transform
引言 0
切削加工过程中的振动，会导致材料去除率减小，表面质量变差和刀具磨损加剧]。机床的振动主要包括自由振动、强迫振动和自激振动。自由振动通常可以忽略，强迫振动来源较多，主要由主轴转动引起，自激振动是机床加工中产生的不稳定现象[23]。
自激振动也称为颤振，普遍存在于金属切削中，严重危害机床的加工精度[45]。一直以来，大量的研究是关于题振的分析和抑制方法，并取得了较好的抑制结果。为广有效地监测和控制振动，国内外很多学者做过关于颤振信号的监测、分析和诊断方面的研究。其中，颤振信号的分析方法中，最主要的是频域和时频域的分析，包括傅立叶变换、短时傅立叶变换和小波分析等[6-7]
收稿日期：2016-11-02；修回日期2016-12-09
*基金项目：国家04科技重大专项课题（2013ZX04001021）
相对于不稳定的颤振，强迫振动相对小，振动没有那么严重的"}。因而强迫振动很少被关注，相对的研究较少，但在精密超精密加工中微小的振动都会影响机床的加工精度。特别是当强迫振动频率靠近机床结构固有频率时，强迫振动强度增大，若此时振动不能很好的被控制，将使工件的表面质量变差。在线分析和研究强迫振动对进一步提高机床加工质量具有重要意义[9]。
针对机床稳定加工过程中的振动，主要是由断续切削力和主轴回转引起的特点，设计了一种振动信号自动识别的算法。该算法基于傅立叶变换，能够自动提取频域信号中由转速引起的振动频率，筛选出其他振动来源。它既具有良好的实时分析能力，支能够自主完成振动辨识。首先给出频域自动识别的算法，然
作者简介：张智（1990—），男，南吕人，清华大学硕士研究生，研究方向为机床振动辨识与在线监测，（E-mail）z-zhal4@mails.tsinghua.edu.cen
遵讯作者：刘成额（1960一），女，内蒙古包头人，清华大学副教授，研究方向为超精密加工工艺与装备、精密驱动与控制、CAD/CAML 万发数据-mail)liuey@lsinghua.edlu.cn。