劉宇　王振宇　郝麗娜　戴麗

作者簡(jiǎn)介：劉宇（1980-），副教授，博士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)測(cè)試與診斷、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

摘要：本文針對(duì)大學(xué)生熟悉的機(jī)床加工中再生顫振的預(yù)測(cè)技術(shù)認(rèn)識(shí)不深入，不具體的問(wèn)題，展示了幾種顫振預(yù)測(cè)方法及其分析結(jié)果并建立的顫振預(yù)測(cè)軟件，通過(guò)改變參數(shù)的輸入值從視覺(jué)上展現(xiàn)出參數(shù)變化對(duì)顫振穩(wěn)定性的影響。即加深了學(xué)生對(duì)顫振預(yù)測(cè)理論的認(rèn)識(shí)又使他們了解到顫振預(yù)測(cè)技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用途徑。

關(guān)鍵字：顫振預(yù)測(cè) 顫振穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（c）-0000-00

Regenerative chatter prediction technology in thinking and practice of undergraduate teaching practice

YuLiu Zhenyu Wang

（School of Mechanical Engineering andAutomation， Northeastern University， Shenyang 110819）

AbstractThis paper in the light ofstudents do not have a profound and specific understanding of familiar regenerative chatter prediction technology in machining. It alsoexhibition several methods of chatter prediction and respective analysis results.We establishment aregenerative prediction chatter software， By changing the parameters of the input values students can see the parameters influence on the regenerative chatter stability in visual . That makes students' understanding of the theory of chatter prediction and make them understand the application of regenerative chatter prediction technology in production.

Key words： Regenerative chatter prediction， chatter stability

0 引言

再生顫振預(yù)測(cè)技術(shù)是為避免加工過(guò)程中發(fā)生再生顫振通過(guò)采集加工信號(hào)然后再利用相應(yīng)的顫振穩(wěn)定性算法計(jì)算并判斷加工過(guò)程中是否發(fā)生顫振的技術(shù)。再生顫振是自激振動(dòng)的一種，普遍發(fā)生于機(jī)床加工中。由于再生顫振對(duì)工件的加工精度、表面質(zhì)量和加工效率有著很大的影響，因此得到國(guó)內(nèi)外的廣泛研究，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于再生顫振預(yù)測(cè)技術(shù)的能力顯得尤為重要。但是由于再生顫振的預(yù)測(cè)技術(shù)中應(yīng)用的傳感器和采集卡較為昂貴且容易損壞，因此不可能實(shí)現(xiàn)每個(gè)人的實(shí)際操作。而單純的計(jì)算公式即抽象又枯燥很難被學(xué)生理解和掌握。因此，本文提出將實(shí)驗(yàn)室自己編寫的顫振預(yù)測(cè)軟件應(yīng)用于本科生的再生顫振的教學(xué)中，將顫振穩(wěn)定性的影響因素和各穩(wěn)定性算法的差別以視覺(jué)的形式呈現(xiàn)出來(lái)便于學(xué)生的理解和記憶。

1再生顫振的產(chǎn)生及其判別方法

在機(jī)加工過(guò)程中刀具會(huì)在材料表面留下一系列的波紋，而相鄰切削周期的波紋之間的相位差導(dǎo)致了機(jī)床的再生顫振。鑒于再生顫振對(duì)加工的巨大危害關(guān)于它研究有很多，學(xué)者們建立了一些數(shù)學(xué)模型并提出了一些顫振穩(wěn)定性判別方法。主要模型有準(zhǔn)單自由度模型兩自由度模型和非線性模型等。判別方法主要有頻域范圍內(nèi)的分析方法如：Tulsty[1]的準(zhǔn)單自由度法，Altintas[2]的零階近似法和時(shí)域內(nèi)的分析方法如：丁漢[3]的全離散法和O. Elbeyli a， J.Q. Sun[4]的半離散法。此外，考慮到參數(shù)的不確定性對(duì)穩(wěn)定性的影響有學(xué)者又提出魯棒顫振穩(wěn)定性[5]和模糊顫振穩(wěn)定性[6]預(yù)測(cè)方法.

2再生顫振預(yù)測(cè)技術(shù)的系統(tǒng)組成和實(shí)驗(yàn)要求

再生顫振預(yù)測(cè)包括機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的采集和和分析。信號(hào)的采集所涉及的儀器主要有加速度傳感器，如PCB公司的208c03、信號(hào)采集卡，如BK的3560B和模態(tài)力錘，如PCB公司的SN31583對(duì)于激振頻率要求較高的還可采用激振器激勵(lì)。信號(hào)采集軟件為pulse，信號(hào)的分析軟件為Mescope。在對(duì)機(jī)床再生顫振的模態(tài)測(cè)試中要求加速度傳感器的最大采樣頻率是被測(cè)對(duì)象固有頻率的兩倍以上，且加速度傳感器的質(zhì)量與測(cè)物體的質(zhì)量相比很小可以忽略。實(shí)驗(yàn)中要求信號(hào)采集卡能及時(shí)準(zhǔn)確的采集到被測(cè)物體的信號(hào)，且能夠?qū)⒉杉降男盘?hào)以某種格式輸出，便于后續(xù)的分析和處理。模態(tài)力錘的種類有很多其中不同的型號(hào)又具有不同的激振頻率，測(cè)試中選擇能夠激起被測(cè)物體的固有頻率的力錘便可。

3再生顫振穩(wěn)定性預(yù)測(cè)技術(shù)軟件平臺(tái)的建設(shè)

3.1 軟件平臺(tái)的特點(diǎn)和具體操作

為了方便操作，便于學(xué)生對(duì)顫振預(yù)測(cè)技術(shù)有著全面和深刻的掌握，我們嘗試將模態(tài)的采集過(guò)程合和數(shù)據(jù)分析整合到同一個(gè)軟件平臺(tái)下。通過(guò)手動(dòng)的輸入模態(tài)參數(shù)得到不同的分析結(jié)果，將輸入的模態(tài)參數(shù)和分析結(jié)果進(jìn)行比較，便可以使學(xué)生很清楚的認(rèn)識(shí)到每個(gè)模態(tài)參數(shù)在顫振穩(wěn)定性分析中的作用以及對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，具體如圖1所示。該軟件平臺(tái)的搭建具有操作簡(jiǎn)單，界面清晰，可操作性和可重復(fù)性較強(qiáng)的特點(diǎn)，學(xué)生可以根據(jù)自己的理解和興趣更該輸入的模態(tài)參數(shù)，進(jìn)而獲得不同參數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響結(jié)果。

圖1 軟件平臺(tái)界面

3.2試驗(yàn)臺(tái)在教學(xué)中的作用

本著教學(xué)和科研相結(jié)合的理念，我們研發(fā)了再生顫振預(yù)測(cè)軟件，該軟件平臺(tái)以生動(dòng)的圖片形式將枯燥抽象的理論問(wèn)題生動(dòng)化，避免了以往的“填鴨式”教學(xué)，極大的調(diào)動(dòng)了學(xué)生積極性和主動(dòng)性。使本科生的科研能力、創(chuàng)新能力和思考能力都得到了提升。也為本科生畢業(yè)后繼續(xù)深造或直接參與科研工作打下良好的基礎(chǔ)。由于該平臺(tái)搭建的過(guò)程中應(yīng)用到了很多方面的知識(shí)，比如C#編程，穩(wěn)定性算法，控制平臺(tái)的搭建等，所以該平臺(tái)也向?qū)W生展示了不同學(xué)科之間的相互關(guān)系，以及他們的具體應(yīng)用。

4再生顫振預(yù)測(cè)技術(shù)在本科生教學(xué)實(shí)踐的思考

4.1軟件平臺(tái)的實(shí)踐與擴(kuò)展應(yīng)用

該軟件平臺(tái)具有操作簡(jiǎn)單，結(jié)果直觀便于學(xué)生的操作理解和記憶的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)本科教學(xué)有著很重要的意義。但是目前還不能夠?qū)⒛B(tài)測(cè)試的操作過(guò)程以一種模擬的形式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生真正的做到從儀器的安裝連接到測(cè)量再到數(shù)據(jù)分析的一體式操作，進(jìn)而使得學(xué)生具有獨(dú)立的測(cè)量和判斷機(jī)加工狀態(tài)中是否發(fā)生顫振的能力。因此，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還需要進(jìn)一步的擴(kuò)展以適應(yīng)更為廣泛的應(yīng)用。具體擴(kuò)展如下：

1）將傳感器的安裝及數(shù)值采集的模擬過(guò)程做成該軟件平臺(tái)的一個(gè)仿真模塊，使他們更好的理解不同的操作對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生的不同影響。

2）選擇更好的判斷穩(wěn)定性算法以降低計(jì)算時(shí)間，改善采集方式以獲得更精確的采集信號(hào)。

4.2 下一步工作

雖然該軟件平臺(tái)能夠很清楚的呈現(xiàn)出不同的模態(tài)參數(shù)對(duì)顫振穩(wěn)定性的影響，但是該平臺(tái)還沒(méi)能將整個(gè)測(cè)試與分析過(guò)程包含在內(nèi)。因此，有必要將測(cè)試仿真技術(shù)模塊加入該軟件平臺(tái)中。這樣不僅有利于本科生全面掌握再生顫振的預(yù)測(cè)流程還有利于避免操作過(guò)程中的一些失誤，降低因不當(dāng)操作而對(duì)儀器和工件的損害。此外，為了規(guī)范管理，便于學(xué)生快速掌握和準(zhǔn)確運(yùn)行，我們應(yīng)該編寫相應(yīng)的軟件使用手冊(cè)和相應(yīng)的教學(xué)視頻。在后續(xù)的工作中當(dāng)該軟件能夠有效的應(yīng)用于實(shí)際加工中的顫振預(yù)測(cè)中時(shí)，還會(huì)將該軟件的實(shí)測(cè)案例應(yīng)用于本科教學(xué)中，讓大家更加真實(shí)的感受到再生顫振預(yù)測(cè)技術(shù)員及其相關(guān)的應(yīng)用。

5 結(jié)束語(yǔ)

科研實(shí)踐在本科教學(xué)中具有重要的意義，但是由于各種原因使得科研實(shí)踐在本科教學(xué)中還不能夠完全的融合。本文通過(guò)研究再生顫振預(yù)測(cè)技術(shù)在本科教學(xué)中的應(yīng)用問(wèn)題，增強(qiáng)了科研實(shí)踐在本科教學(xué)中的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)教學(xué)研相結(jié)合的科學(xué)思想做出了一定的努力。為提高本科的教學(xué)質(zhì)量，為科研隊(duì)伍提供后備資源做出一定的貢獻(xiàn)。隨著該軟件 平臺(tái)功能的不斷完善，在工程應(yīng)用與教學(xué)中必將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

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