再生顫振預(yù)測技術(shù)在本科教學(xué)實踐中的思考與實踐

劉宇　王振宇　郝麗娜　戴麗

作者簡介：劉宇（1980-），副教授，博士，主要研究方向為機械系統(tǒng)動力學(xué)、振動測試與診斷、運動控制技術(shù)

摘要：本文針對大學(xué)生熟悉的機床加工中再生顫振的預(yù)測技術(shù)認識不深入，不具體的問題，展示了幾種顫振預(yù)測方法及其分析結(jié)果并建立的顫振預(yù)測軟件，通過改變參數(shù)的輸入值從視覺上展現(xiàn)出參數(shù)變化對顫振穩(wěn)定性的影響。即加深了學(xué)生對顫振預(yù)測理論的認識又使他們了解到顫振預(yù)測技術(shù)在生產(chǎn)中的應(yīng)用途徑。

關(guān)鍵字：顫振預(yù)測 顫振穩(wěn)定性

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A 文章編號：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)測技術(shù)是為避免加工過程中發(fā)生再生顫振通過采集加工信號然后再利用相應(yīng)的顫振穩(wěn)定性算法計算并判斷加工過程中是否發(fā)生顫振的技術(shù)。再生顫振是自激振動的一種，普遍發(fā)生于機床加工中。由于再生顫振對工件的加工精度、表面質(zhì)量和加工效率有著很大的影響，因此得到國內(nèi)外的廣泛研究，培養(yǎng)學(xué)生對于再生顫振預(yù)測技術(shù)的能力顯得尤為重要。但是由于再生顫振的預(yù)測技術(shù)中應(yīng)用的傳感器和采集卡較為昂貴且容易損壞，因此不可能實現(xiàn)每個人的實際操作。而單純的計算公式即抽象又枯燥很難被學(xué)生理解和掌握。因此，本文提出將實驗室自己編寫的顫振預(yù)測軟件應(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的形式呈現(xiàn)出來便于學(xué)生的理解和記憶。

1再生顫振的產(chǎn)生及其判別方法

在機加工過程中刀具會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)致了機床的再生顫振。鑒于再生顫振對加工的巨大危害關(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]的準單自由度法，Altintas[2]的零階近似法和時域內(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)測方法.

2再生顫振預(yù)測技術(shù)的系統(tǒng)組成和實驗要求

再生顫振預(yù)測包括機床動態(tài)特性的采集和和分析。信號的采集所涉及的儀器主要有加速度傳感器，如PCB公司的208c03、信號采集卡，如BK的3560B和模態(tài)力錘，如PCB公司的SN31583對于激振頻率要求較高的還可采用激振器激勵。信號采集軟件為pulse，信號的分析軟件為Mescope。在對機床再生顫振的模態(tài)測試中要求加速度傳感器的最大采樣頻率是被測對象固有頻率的兩倍以上，且加速度傳感器的質(zhì)量與測物體的質(zhì)量相比很小可以忽略。實驗中要求信號采集卡能及時準確的采集到被測物體的信號，且能夠?qū)⒉杉降男盘栆阅撤N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又具有不同的激振頻率，測試中選擇能夠激起被測物體的固有頻率的力錘便可。

3再生顫振穩(wěn)定性預(yù)測技術(shù)軟件平臺的建設(shè)

3.1 軟件平臺的特點和具體操作

為了方便操作，便于學(xué)生對顫振預(yù)測技術(shù)有著全面和深刻的掌握，我們嘗試將模態(tài)的采集過程合和數(shù)據(jù)分析整合到同一個軟件平臺下。通過手動的輸入模態(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)果進行比較，便可以使學(xué)生很清楚的認識到每個模態(tài)參數(shù)在顫振穩(wěn)定性分析中的作用以及對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，具體如圖1所示。該軟件平臺的搭建具有操作簡單，界面清晰，可操作性和可重復(fù)性較強的特點，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)，進而獲得不同參數(shù)對穩(wěn)定性的影響結(jié)果。

圖1 軟件平臺界面

3.2試驗臺在教學(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)測軟件，該軟件平臺以生動的圖片形式將枯燥抽象的理論問題生動化，避免了以往的“填鴨式”教學(xué)，極大的調(diào)動了學(xué)生積極性和主動性。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)。由于該平臺搭建的過程中應(yīng)用到了很多方面的知識，比如C#編程，穩(wěn)定性算法，控制平臺的搭建等，所以該平臺也向?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)測技術(shù)在本科生教學(xué)實踐的思考

4.1軟件平臺的實踐與擴展應(yīng)用

該軟件平臺具有操作簡單，結(jié)果直觀便于學(xué)生的操作理解和記憶的優(yōu)點，對本科教學(xué)有著很重要的意義。但是目前還不能夠?qū)⒛B(tài)測試的操作過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量再到數(shù)據(jù)分析的一體式操作，進而使得學(xué)生具有獨立的測量和判斷機加工狀態(tài)中是否發(fā)生顫振的能力。因此，本實驗平臺還需要進一步的擴展以適應(yīng)更為廣泛的應(yīng)用。具體擴展如下：

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

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

4.2 下一步工作

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

5 結(jié)束語

科研實踐在本科教學(xué)中具有重要的意義，但是由于各種原因使得科研實踐在本科教學(xué)中還不能夠完全的融合。本文通過研究再生顫振預(yù)測技術(shù)在本科教學(xué)中的應(yīng)用問題，增強了科研實踐在本科教學(xué)中的應(yīng)用，為實現(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，為科研隊伍提供后備資源做出一定的貢獻。隨著該軟件 平臺功能的不斷完善，在工程應(yīng)用與教學(xué)中必將發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻：

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