再生顫振預測技術在本科教學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動力學、振動測試與診斷、運動控制技術

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

關鍵字：顫振預測 顫振穩定性

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

再生顫振預測技術是為避免加工過程中發生再生顫振通過采集加工信號然后再利用相應的顫振穩定性算法計算并判斷加工過程中是否發生顫振的技術。再生顫振是自激振動的一種，普遍發生于機床加工中。由于再生顫振對工件的加工精度、表面質量和加工效率有著很大的影響，因此得到國內外的廣泛研究，培養學生對于再生顫振預測技術的能力顯得尤為重要。但是由于再生顫振的預測技術中應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生理解和掌握。因此，本文提出將實驗室自己編寫的顫振預測軟件應用于本科生的再生顫振的教學中，將顫振穩定性的影響因素和各穩定性算法的差別以視覺的形式呈現出來便于學生的理解和記憶。

1再生顫振的產生及其判別方法

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致了機床的再生顫振。鑒于再生顫振對加工的巨大危害關于它研究有很多，學者們建立了一些數學模型并提出了一些顫振穩定性判別方法。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，考慮到參數的不確定性對穩定性的影響有學者又提出魯棒顫振穩定性[5]和模糊顫振穩定性[6]預測方法.

2再生顫振預測技術的系統組成和實驗要求

再生顫振預測包括機床動態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量與測物體的質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，且能夠將采集到的信號以某種格式輸出，便于后續的分析和處理。模態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再生顫振穩定性預測技術軟件平臺的建設

3.1 軟件平臺的特點和具體操作

為了方便操作，便于學生對顫振預測技術有著全面和深刻的掌握，我們嘗試將模態的采集過程合和數據分析整合到同一個軟件平臺下。通過手動的輸入模態參數得到不同的分析結果，將輸入的模態參數和分析結果進行比較，便可以使學生很清楚的認識到每個模態參數在顫振穩定性分析中的作用以及對系統穩定性的影響，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，可操作性和可重復性較強的特點，學生可以根據自己的理解和興趣更該輸入的模態參數，進而獲得不同參數對穩定性的影響結果。

圖1 軟件平臺界面

3.2試驗臺在教學中的作用

本著教學和科研相結合的理念，我們研發了再生顫振預測軟件，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，極大的調動了學生積極性和主動性。使本科生的科研能力、創新能力和思考能力都得到了提升。也為本科生畢業后繼續深造或直接參與科研工作打下良好的基礎。由于該平臺搭建的過程中應用到了很多方面的知識，比如C#編程，穩定性算法，控制平臺的搭建等，所以該平臺也向學生展示了不同學科之間的相互關系，以及他們的具體應用。

4再生顫振預測技術在本科生教學實踐的思考

4.1軟件平臺的實踐與擴展應用

該軟件平臺具有操作簡單，結果直觀便于學生的操作理解和記憶的優點，對本科教學有著很重要的意義。但是目前還不能夠將模態測試的操作過程以一種模擬的形式呈現在學生面前，讓學生真正的做到從儀器的安裝連接到測量再到數據分析的一體式操作，進而使得學生具有獨立的測量和判斷機加工狀態中是否發生顫振的能力。因此，本實驗平臺還需要進一步的擴展以適應更為廣泛的應用。具體擴展如下：

1）將傳感器的安裝及數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果產生的不同影響。

2）選擇更好的判斷穩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出不同的模態參數對顫振穩定性的影響，但是該平臺還沒能將整個測試與分析過程包含在內。因此，有必要將測試仿真技術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，為了規范管理，便于學生快速掌握和準確運行，我們應該編寫相應的軟件使用手冊和相應的教學視頻。在后續的工作中當該軟件能夠有效的應用于實際加工中的顫振預測中時，還會將該軟件的實測案例應用于本科教學中，讓大家更加真實的感受到再生顫振預測技術員及其相關的應用。

5 結束語

科研實踐在本科教學中具有重要的意義，但是由于各種原因使得科研實踐在本科教學中還不能夠完全的融合。本文通過研究再生顫振預測技術在本科教學中的應用問題，增強了科研實踐在本科教學中的應用，為實現教學研相結合的科學思想做出了一定的努力。為提高本科的教學質量，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，在工程應用與教學中必將發揮越來越重要的作用。

參考文獻：

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