钻削加工作为最基础的切削工艺之一,常用于工件装配孔的加工,在航空、航天、汽车和船舶等制造领域应用广泛。以航空工业为例,一架飞机上装配孔的数量达上百万个,连接孔的加工约占据了总加工量40%。因此,高质量、高效率的钻削加工成为工业界一直追求的目标。本文以钻削加工为研究对象,围绕影响钻削质量和效率的颤振和刀具磨损开展了深入研究,主要研究内容包括:设计和搭建了开放式数控钻削加工实验平台。围绕课题研究内容,分析并凝练了实验台设计需求。为构建一个开放、可扩展以及可自定义的数控钻削实验平台,以手动台钻为实验台本体,通过机械设计和计算改造了台钻原有驱动方式,实现钻削运动的自动控制。综合考虑控制精度和可扩展能力,提出了基于运动控制卡和工控机的开放式运动控制方案。此外,为准确获取钻削过程相关参数,搭建了基于NI数据采集卡的数据采集系统。利用QT和Virtual Studio开发了配套的开放式数控钻削系统软件,集成了钻削实验平台加工运动控制和传感器信号采集、存储等功能。提出了基于多重同步压缩变换和能量熵的早期颤振监测方法。为保留和强化颤振早期微弱特征,设计了高效的矩阵陷波器对原始振动信号滤波,以减小主轴旋转相关频率的干扰。对滤波后的信号实施多重同步压缩变换,获得了其高精度的时频描述,再将信号等分为有限个频带,对各频带精确重构得到相对的时域子信号。然后,选用能量熵度量颤振发展过程中振动信号频率成分及能量分布的不均匀变化,通过与颤振阈值比较,实现钻削颤振的实时监测。最后,为验证所提算法的有效性,分别在所搭建的实验台以及机器人加工系统上开展了钻削加工实验,并与基于同步提取变换的颤振检测算法进行了对比。实验结果表明,所提方法在不同加工条件下均能够有效地识别出微弱的早期颤振,并早于基于同步提取变换的颤振检测方法。研究了基于正弦变主轴转速切削的颤振抑制方法。基于钻削加工动力学,建立了变主轴转速钻削颤振抑制模型。为分析变转速钻削系统的稳定性,提出了一种基于亚当斯莫尔顿法的变时滞周期系数系统稳定性分析方法,通过积分形式的两步亚当斯莫尔顿公式近似求解系统状态方程解析解中的Duhamel项,并采用线性插值计算了数值方程中的时滞项,然后构造了系统状态转移矩阵,再运用Floquet理论来判断系统的稳定性。采用经典的基准铣削模型对所提稳定性分析方法进行了数值验证,通过与改进的半离散法比较,证明了所提算法的准确性。然后将所提稳定性分析法应用于正弦变主轴转速钻削系统实例,从理论上验证了变主轴转速抑制颤振的有效性,并分析了变转速参数对系统稳定性的影响。最后,在搭建的钻削实验平台上开展了正弦变转速切削实验,对变主轴转速切削抑制颤振的有效性进行了验证。针对加工过程中监测信号易受噪声干扰的问题,提出了基于深度残差收缩网络的刀具磨损在线检测算法。通过对传统残差单元引入软阈值化机制,构建了残差收缩单元,有效提高了模型的抗噪声能力。采集的多源传感器信号经降采样、截断和归一化等预处理后,利用多层残差收缩单元提取信号的深层次特征,然后通过全连接层对刀具磨损值进行预测。无需单独去噪、人工提取特征等步骤,实现了端到端学习。最后,通过实验验证了所提方法的有效性。与传统CNN、Res Net以及LSTM网络结构相比较,本文所提的刀具磨损检测算法具有更高的精度和泛化能力。