銑削加工振動(dòng)主動(dòng)控制.pdf

1、機(jī)床的運(yùn)行總伴隨著振動(dòng),機(jī)床的振動(dòng)會(huì)造成零件過(guò)早出現(xiàn)疲勞破壞,使得機(jī)床安全程度、可靠性和強(qiáng)度下降:機(jī)床的振動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致被加工工件的形狀精度和表面精度降低,刀具壽命和生產(chǎn)率下降。同時(shí),機(jī)床的振動(dòng)往往伴隨著噪音,刺激操作人員損害健康。當(dāng)滿足一定條件時(shí),穩(wěn)態(tài)的切削振動(dòng)甚至?xí)l(fā)展成切削顫振,從而引發(fā)整個(gè)切削系統(tǒng)的崩潰。
　　 為提高切削效率和加工精度,人們?cè)谇邢髡駝?dòng)的控制方面開(kāi)展了大量研究工作。切削振動(dòng)控制可分為主、被動(dòng)兩種方法。傳統(tǒng)的被

2、動(dòng)方法主要通過(guò)在線調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速和降低銑削深度避開(kāi)不穩(wěn)定切削區(qū)來(lái)降低切削振動(dòng),避免顫振。但通過(guò)這些方法來(lái)降低振動(dòng)需要對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行預(yù)測(cè),確定其穩(wěn)定性圖,而當(dāng)由機(jī)床-刀具-夾具-工件所組成的加工系統(tǒng)其中有一者改變時(shí)其穩(wěn)定性圖也發(fā)生改變,為實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)困難。不同于被動(dòng)方法,主動(dòng)方法需在切削系統(tǒng)中引入附加的系統(tǒng)并通過(guò)該系統(tǒng)提供的主動(dòng)控制力來(lái)實(shí)現(xiàn)切削振動(dòng)的主動(dòng)控制。相對(duì)于被動(dòng)方法其優(yōu)勢(shì)在于能夠在不影響加工效率的情況下提高加工精度。由于車削運(yùn)動(dòng)形

3、式較為簡(jiǎn)單使得主動(dòng)控制系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn),目前的研究多以車刀振動(dòng)為研究對(duì)象。銑削過(guò)程中刀具運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性導(dǎo)致其振動(dòng)主動(dòng)控制研究的較少；此外,由于銑削時(shí)刀具與工件之間相對(duì)振動(dòng)測(cè)量困難從而缺乏能用于控制的反饋量,使得目前的銑削振動(dòng)控制僅能考慮工件的振動(dòng),無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具與工件相對(duì)振動(dòng)的控制。
　　 金屬銑削被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè),提高銑削率以降低成本是金屬銑削加工業(yè)的必然需求。目前,我國(guó)銑床的加工效率遠(yuǎn)比國(guó)外低,加工精度也比國(guó)外低1～2數(shù)量

4、級(jí)。然而,為提高銑削率而增大切削參數(shù)會(huì)導(dǎo)致切削振動(dòng)加劇,因此,銑削振動(dòng)控制是當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)及制造領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注的前沿課題之一,研究銑削系統(tǒng)中刀具和工件的相互振動(dòng)及其對(duì)加工創(chuàng)成表面的影響,實(shí)現(xiàn)相對(duì)振動(dòng)的在線控制對(duì)提升銑削工藝水平和高性能復(fù)雜產(chǎn)品加工能力具有重要的應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本課題面向制造業(yè)的重大需求,通過(guò)對(duì)刀具和工件的相對(duì)振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究,建立了銑削過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型,分析了切削振動(dòng)對(duì)工件表面形成的影響,設(shè)計(jì)銑削振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)銑削過(guò)

5、程中刀具與工件相對(duì)振動(dòng)的主動(dòng)控制,從而有效地提高加工效率和質(zhì)量。
　　 論文首先綜述了國(guó)內(nèi)外研究人員在機(jī)床振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)和理論方面的研究概況,總結(jié)了各種振動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)形式并分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn),對(duì)其中涉及的的建模、控制方法以及傳感器作動(dòng)器等問(wèn)題也作了闡述。
　　 針對(duì)銑削加工過(guò)程運(yùn)動(dòng)復(fù)雜,刀具振動(dòng)難以測(cè)量的特點(diǎn),提出了一種可直接銑削時(shí)刀具和工件振動(dòng)的方法,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置和和方案；應(yīng)用該方法測(cè)量了多種切削參數(shù)條件下及銑削不

6、同階段時(shí)刀具和工件的振動(dòng)位移。通過(guò)對(duì)多個(gè)傳感器的輸出信號(hào)的分析處理驗(yàn)證了該方法的有效性；對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并探討了銑削不同階段時(shí)切削振動(dòng)的特性,為進(jìn)一步的研究工作提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　 為研究切削參數(shù)與振動(dòng)之間的關(guān)系,通過(guò)模態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了刀具-工件-機(jī)床加工系統(tǒng)的力～振動(dòng)頻響函數(shù)；基于該頻響函數(shù)利用參數(shù)識(shí)別獲得了加工系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)模型；將該模型與動(dòng)態(tài)切削力模型相結(jié)合建立了側(cè)銑加工的切削力和振動(dòng)預(yù)測(cè)模型；仿真了動(dòng)態(tài)切削力及切削振動(dòng),

7、針對(duì)測(cè)力儀本身動(dòng)態(tài)特性會(huì)造成其測(cè)量的切削力失真的情況在切削力仿真時(shí)還考慮了該因素的影響；進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)并利用測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該模型的有效性。
　　 推導(dǎo)了考慮切削振動(dòng)的側(cè)銑加工表面形成模型,利用實(shí)測(cè)側(cè)銑加工刀具和工件振動(dòng)位移數(shù)據(jù)通過(guò)仿真程序預(yù)測(cè)了工件表面形貌；討論了切削振動(dòng)在工件表面形成中的作用,結(jié)果表明在給定的切削參數(shù)下,刀具與工件之間的相對(duì)振動(dòng)是影響加工面表面形成的主要因?yàn)椤?br>　　 根據(jù)實(shí)際測(cè)量的切削振動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)頻域

8、的特征設(shè)計(jì)了一種用于銑削減振的兩自由度主動(dòng)式工件裝夾平臺(tái)；對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行有限元仿真分析了其主要性能指標(biāo)；制造并裝配了銑削主動(dòng)減振平臺(tái)；對(duì)最終完成的平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的平臺(tái)可應(yīng)用與銑削主動(dòng)減振場(chǎng)合。
　　 分析了被控對(duì)象即設(shè)計(jì)的主動(dòng)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)特性并基于實(shí)測(cè)平臺(tái)頻響函數(shù)建立了主動(dòng)平臺(tái)的參數(shù)模型；根據(jù)被控對(duì)象及銑削振動(dòng)的特點(diǎn)利用魯棒干擾抑制和魯棒混合靈敏度兩種不同方法設(shè)計(jì)了反饋控制器；通過(guò)仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的控制器在實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的有效

9、衰減的同時(shí)針對(duì)模型的不確定性具有閉環(huán)的魯棒穩(wěn)定性；
　　 利用NI PCI-6251數(shù)采卡及Labview實(shí)現(xiàn)了采用魯棒混合靈敏度方法設(shè)計(jì)的控制器；通過(guò)切削實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了整個(gè)銑削振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)的有效性。結(jié)果表明,主動(dòng)控制作用可在寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)銑削時(shí)刀具與工件之間相對(duì)振動(dòng)振幅為30％～50％衰減；當(dāng)振動(dòng)是工件表面輪廓形成的主要因?yàn)闀r(shí),振動(dòng)主動(dòng)控制可明顯提高加工精度。
　　 本文的研究工作對(duì)切削振動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究,切削過(guò)程動(dòng)力學(xué)