基于逆滤波原理的铣削力补偿研究

摘 要：铣削力是航空零件加工过程中的重要参数，影响着零件表面质量和刀具寿命。针对台式测力仪在高频段测量失真的问题，本文基于逆滤波原理对实测铣削力进行补偿。首先，针对测力仪系统的结构和动态特性，对铣削力测量误差进行分析。然后，介绍了逆滤波的原理及其在铣削力补偿中的应用。此外，选择航空等领域有着广泛应用的6061铝合金开展了铣削试验，利用逆滤波进行铣削力补偿，分析了补偿后铣削力的特性。最后，通过激振器试验和位移信号高频标定试验，验证了铣削力补偿的必要性和准确性。试验结果表明，激振器输入力与补偿力的误差指标EVE低于6%，位移信号辨识铣削力与补偿铣削力的误差为5.49%，所提铣削力补偿方法可以准确补偿航空等领域零件加工过程中的铣削力。

关键词：6061铝合金； 铣削力； 误差分析； 补偿； 试验验证

中图分类号：V26 文献标识码：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.013

航空工业对复杂精密零件（如航空发动机叶片、整体叶轮、机匣等）高速高效铣削加工日益增长的需求，促使主轴的速度、精度、可靠性等性能指标向更高的水平发展，从而达到更高的铣削速度和效率。智能主轴是新一代高端智能机床的核心功能部件，也是未来主轴的发展方向。铣削力感知是智能主轴的重要功能之一[1]。加工过程中的铣削力影响着航空零件的表面质量、刀具的使用寿命和主轴的动态性能。因此，监测加工过程中准确的铣削力对航空零件加工精度和效率的提升至关重要。

目前，多种传感器用于测量航空零件加工过程中的铣削力[2-4]。大部分研究团队选择不影响主轴动态特性的台式测力仪[5-6]来测量铣削力。然而，测力仪的结构和动态特性可能会使得测量结果存在误差。因此，对测量铣削力的补偿十分有必要。

一些有前景的铣削力测量和预测方法也被大量研究。利用电流信号[7-8]、位移信号[9-10]以及加速度信号[11-12]来对铣削力进行间接辨识。罗明等[13]将PVDF 嵌入刀具中，在不改变加工系统的动态特性下，对每个独立刀片所受的铣削力进行估算。Altintas 等[14]考虑了剪切力和犁切力的作用，在铣削力解析模型中做了大量的工作。然而，无论是间接辨识、创新的传感元件还是铣削力模型，都需要准确的铣削力来验证结果的正确性。这是测量铣削力需要补偿的另一个主要原因。

针对台式测力仪在高频段测量失真问题，普遍采用增广Kalman 滤波方法来对测量的铣削力进行补偿。Scippa等[15]将增广卡尔曼滤波应用到测力仪测量中，用于补偿失真的铣削力。尽管增广Kalman 滤波在干扰情况下表现出较好的补偿效果，但这种方法需要已知过程干扰的先验知识。观测器引入l1/H∞性能指标降低了对过程干扰先验知识的需要[16]。滑膜观测器[17]的引入，克服了需要已知过程干扰先验知识的难题。然而，增广Kalman 滤波和观测器方法补偿铣削力的准确性，都依赖于状态空间方程中的参数矩阵。状态空间方程中的参数矩阵是通过拟合传递函数得到的，这样势必会影响某些频率下铣削力补偿的准确性。通过测量的频响函数和逆滤波可以克服上述问题。此外，很少有研究通过试验来验证补偿的铣削力是否准确。

本文基于逆滤波原理来对测量的铣削力进行补偿。针对台式测力仪系统结构和动态特性，对铣削力测量误差的原因进行分析。在此基础上，将逆滤波应用于铣削力补偿。最后，利用激振器试验和位移信号高频标定试验，来验证铣削力补偿的必要性和准确性，为航空等领域零件加工过程中的铣削力准确获取，提供了切实可行的思路。