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研究生:蔡柏承
研究生(外文):Po-Cheng Tsai
論文名稱:新線上顫振監控系統與切削穩定圖輔佐抑制顫振之研究
論文名稱(外文):A New On-Line Chatter Monitoring Control System and A Study of Using Stability Lobe Diagrams to Supress Chatter.
指導教授:王世明王世明引用關係
指導教授(外文):Shih-Ming Wang
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:158
中文關鍵詞:顫振切削穩定圖線上即時監控系統PC-Based控制器
外文關鍵詞:PC-Based controlleron-line monitoring control systemchatterstability lobe diagram
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本研究透過實際銑削實驗擷取振動加速度,分析顫振發生時的時域與頻域振動變化,藉由暫態訊號變化分析與頻譜分析雙重門檻,制訂顫振判斷法則,同時利用切削穩定圖輔助判斷切削條件是否在顫振區內,以提高判斷準確度。在抑制顫振方面,為了讓顫振抑制更有效率,乃建立了以切削穩定圖直接辨識抑制顫振切削轉速的方法,使可一次性抑制顫振。研究中也透過TCP/IP通訊協定建立控制器雙向資料傳輸擷取模組,達到即時監視與控制功能。根據發展之方法,除了PLC是在Visual C++環境下編譯外,研究中以Visual C#建立整體監控系統,可進行CNC控制器資料傳輸、記錄即時振動訊號與切削異常資訊、繪製切削穩定圖模型與線上即時監控顫振等功能。實驗結果顯示,該系統可以快速準確發現顫振並作即時抑制。

Through this study, the actual milling experiment to capture the vibration acceleration, time domain and frequency domain analysis of vibration changes flutter occurs, the signal changes by transient analysis and spectrum analysis dual threshold formulate chatter judgment rule, while taking advantage of cutting stability diagram auxiliary determine whether the cutting conditions in the region chatter to improve the accuracy of judgment. In terms of inhibition of chatter, chatter suppression in order to allow more efficient, is to establish a stable figure in cutting chatter direct identification method for inhibiting the cutting speed to make a one-time suppress chatter. Research has also established a two-way data transfer controller capture module, to achieve real-time monitoring and control functions via TCP / IP protocol. The method of development, in addition to PLC is compiled, the research to Visual C # to establish the overall monitoring system in Visual C ++ environment, can be CNC controller data transmission, recording real-time vibration signal and cutting unusual information, draw cutting stability graph model and online chatter real-time monitoring and other functions.According to experimental results, show that the system can quickly and accurately find and make immediate chatter suppression.

目錄
中文摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XV
第一章緒論 1
1.1研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 3
1.2.1切削顫振型態之研究 3
1.2.2切削顫振預防與控制之研究 6
1.2.3切削穩定圖研究 7
1.2.4 線上切削顫振監控方法之研究 11
1.3研究方法 13
第二章 銑削顫振監控法則與以切削穩定圖輔助之顫振抑制方法 14
2.1訊號處理 14
2.1.1 訊號取樣 15
2.1.2 頻域分析-傅立葉轉換 16
2.2切削穩定圖數學模型 19
2.3切削穩定圖繪製 25
2.3.1求取自然振頻與阻尼比 25
2.3.2機台剛性量測 36
2.4 參數對切削穩定圖影響分析 40
2.5 切削顫振監控方法 48
2.5.1過濾機台雜訊 48
2.5.2銑削顫振訊號特性分析 52
2.5.3 銑削顫振診斷法則 57
2.5.4 切削穩定圖輔助診斷 65
2.5.4.1 Lobe曲線判斷 65
2.5.4.2切削條件落點辨識 67
2.6 以切削穩定圖輔助之顫振抑制方法 70
2.6.1 切削穩定圖特性分析 70
2.6.2 顫振抑制切削條件優化 72
第三章 智能化切削顫振監控系統 76
3.1 PC-based控制器即時資訊擷取 76
3.2 顫振主動異常抑制 79
3.3 系統介面 81
3.4 系統操作流程 85
第四章 實驗結果與討論 89
4.1實驗設備介紹 89
4.2 實驗驗證與結果 99
4.2.1 切削穩定圖模型驗證 99
4.2.2 顫振監控系統實驗 117
第五章 結論與未來展望 136
5.1 結論 136
5.2 未來展望 137
參考文獻 138

圖目錄
圖1-1 再生型顫振示意圖 4
圖1-2 振態結構耦合型顫振示意圖 5
圖1-3 摩擦型顫振示意圖 5
圖1-4 二維自由度切削系統 7
圖2-1 穩定與顫振發生切削厚度變化 24
圖2-2 G(ω)與G(ωe-iε)的關係圖 24
圖2-3 敲擊測試示意圖 26
圖2-4 頻率響應程式完整方塊圖 27
圖2-5 DAQ Assistant參數設定 27
圖2-6 DAQ Trigger 設定 29
圖2-7 DAQ Advanced Timing設定 29
圖2-8 Extract Signals設定 30
圖2-9 Filter設定 30
圖2-10 Spectral Measurement設定 31
圖2-12 Frequency Response Function設定 32
圖2-13 敲擊實驗-時域介面 33
圖2-14 敲擊實驗-頻域介面 34
圖2-15 敲擊實驗-頻率響應數值介面 34
圖2-16 敲擊實驗-頻率響應實部介面 35
圖2-17 敲擊實驗-頻率響應虛部介面 35
圖2-18 半點能量法示意圖 36
圖2-19 應力-應變圖 37
圖2-20 剛性實驗實景 37
圖2-21 求解切削穩定圖模型流程 39
圖2-22 系統剛性對臨界切深的影響 41
圖2-23 刀具直徑對臨界切深的影響 42
圖2-24 阻尼分析 42
圖2-25 系統阻尼對臨界切深的影響 43
圖2-26 刀刃數對臨界切深的影響 44
圖2-27 切削寬度對臨界切深的影響 44
圖2-28 方向定位因子對臨界切深的影響 45
圖2-29 切削力係數對臨界切深的影響 46
圖2-30 自然振頻對臨界切深的影響 46
圖2-31 X軸機台電源開啟雜訊頻率 50
圖2-32 Y軸機台電源開啟雜訊頻率 50
圖2-33 Z軸機台電源開啟雜訊頻率 50
圖2-34 X軸主軸啟動後雜訊頻率 50
圖2-35 Y軸主軸啟動後雜訊頻率 50
圖2-36 Z軸主軸啟動後雜訊頻率 51
圖2-37 過濾雜訊方法流程圖 51
圖2-38 銑削穩定時的訊號 53
圖2-39 銑削顫振穩定發散訊號 53
圖2-40 銑削顫振急速發散訊號 53
圖2-41 穩定切削到顫振發生的暫態訊號分析 55
圖2-42 穩定銑削頻域 56
圖2-43 銑削顫振頻域 57
圖2-44 訊號4段細分割 58
圖2-45 訊號6段細分割 58
圖2-46 顫振訊號瞬間發散圖 60
圖2-47 顫態訊號趨勢圖 60
圖2-48 顫態訊號分析法,細分割4段 61
圖2-49 觀察顫振訊號發散 61
圖2-50 振動訊號增量分析 61
圖2-51 顫振發生前後頻譜分析 63
圖2-52 顫振診斷流程圖 64
圖2-53 Lobe曲線相交關係圖 66
圖2-54 判斷切削參數在Lobe圖區域內或外 68
圖2-55 切削條件落點之內差計算示意圖 68
圖2-56 判斷切削參數在Lobe圖區域內或外 69
圖2-57 示意從切削穩定圖避開顫振的方式 71
圖2-58 切削穩定圖抑制顫振方式 74
圖2-59 利用切削穩定圖找適當的切削調整流程圖 75
圖3-1 通訊流程架構圖 77
圖3-2 控制器擷取檔案(.csv檔) 78
圖3-3 主動抑制流程圖 80
圖3-4 人機介面-前置作業 82
圖3-5 人機介面-監控系統 84
圖3-6 人機介面-切削穩定圖 85
圖3-8 切削穩定圖操作流程 87
圖3-9 監控系統操作流程 88
圖3-10 系統完整操作流程 89
圖4-1 筆記型電腦與DAQ 91
圖4-2 音洩穩定訊號與顫振訊號之時域與頻域分析 92
圖4-3 電功率穩定訊號與顫振訊號之時域與頻域分析 93
圖4-4 銑削方式示意圖 94
圖4-5 動力計進給方向穩定訊號與顫振訊號之時域與頻域分析 94
圖4-6 動力計垂直方向穩定訊號與顫振訊號之時域與頻域分析 94
圖4-7 動力計z方向穩定訊號與顫振訊號之時域與頻域分析 95
圖4-8 加速規x方向穩定訊號與顫振訊號之時域與頻域分析 96
圖4-9 加速規y方向穩定訊號與顫振訊號之時域與頻域分析 96
圖4-10 壓電式振動加速規 97
圖4-11 Mitutoyo SJ-201P/M攜帶型表面粗度儀 97
圖4-12 轉速計 98
圖4-13 衝擊錘 98
圖4-14 彈簧秤 98
圖4-15 千分表 99
圖4-16 立式三軸銑床 99
圖4-17 實驗設置 100
圖4-18 加速規位置 101
圖4-19 切削穩定圖模型建立 102
圖4-20 完整切削訊號 103
圖4-21 2.5秒~2.6秒切削訊號 103
圖4-22 A點振動訊號頻譜分析 104
圖4-23 A點銑削實驗後工件表面 105
圖4-24 完整切削振動訊號 106
圖4-25 19.8秒~19.9秒切削訊號 106
圖4-26 B點振動訊號頻譜分析 107
圖4-27 B點銑削實驗後工件表面 108
圖4-29 頻譜分析 109
圖4-30 C點銑削實驗後工件表面 109
圖4-31 完整切削振動訊號 110
圖4-32 1.3秒~1.4秒切削訊號 110
圖4-33 D點振動訊號頻譜分析 111
圖4-34 D點銑削實驗後工件表面 111
圖4-35 完整切削振動訊號 112
圖4-36 0.7秒~0.8秒振動訊號 113
圖4-38 E點銑削實驗後工件表面 114
圖4-39 完整切削振動訊號 115
圖4-40 頻譜分析 115
圖4-41 F點銑削實驗後工件表面 116
圖4-42 完整切削振動訊號 117
圖4-43 頻譜分析 117
圖4-44 頻譜分析 G點銑削實驗後工件表面 117
圖4-45 完整切削振動訊號 119
圖4-46 實驗一振動訊號頻譜分析 120
圖4-47 調整轉速後的頻譜分析 121
圖4-48 監控系統-切削穩定圖畫面 121
圖4-49 監控系統顫振發生當下畫面 122
圖4-50 監控系統抑制顫振後畫面 122
圖4-51 實驗一工件表面 123
圖4-52 實驗二完整切削訊號 124
圖4-53 實驗二振動訊號頻譜分析 125
圖4-54 調整轉速後頻譜分析 126
圖4-55 監控系統-切削穩定圖介面 126
圖4-56 監控系統顫振發生當下畫面 127
圖4-57 監控系統抑制顫振後畫面 127
圖4-58 實驗二工件表面 128
圖4-59 實驗三完整切削訊號 129
圖4-60 實驗三振動訊號頻譜分析 130
圖4-61 調整轉速後頻譜分析 130
圖4-62 監控系統-切削穩定圖畫面 131
圖4-63 監控系統顫振發生當下畫面 131
圖4-64 監控系統抑制顫振後畫面 132
圖4-65 實驗三工件表面 132
圖4-66 實驗四完整切削訊號 133
圖4-67 實驗四振動訊號頻譜分析 135
圖4-68 抑制顫振後頻譜分析 135
圖4-69 實驗四顫振發生當下人機介面 135
圖4-70 實驗四顫振抑制後人機介面 136
圖4-71 實驗四工件表面 136

表目錄
表2-1 剛性實驗數據 38
表2-2 剛性實驗數據呈線性比例 38
表2-3 各參數與臨界切深關係 40
表2-4 切削穩定圖參數設定 41
表2-5 參數變化對臨界切深的影響 47
表2-6 顫振實驗銑削條件 56
表4-1 切削穩定圖模型參數設定 101
表4-2 切削穩定圖A點參數條件 103
表4-3 切削穩定圖B點參數條件 106
表4-4 切削穩定圖C點參數條件 108
表4-5 切削穩定圖D點參數條件 110
表4-6 切削穩定圖E點參數條件 112
表4-7 切削穩定圖F點參數條件 115
表4-8 切削穩定圖G點參數條件 116
表4-9 實驗一切削參數條件 119
表4-10 實驗二切削條件 124
表4-11 實驗三切削條件設定 128
表4-12 實驗四切削條件設定 133
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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