銑削加工振動主動控制.pdf

1、機床的運行總伴隨著振動,機床的振動會造成零件過早出現(xiàn)疲勞破壞,使得機床安全程度、可靠性和強度下降:機床的振動還會導(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,機床的振動往往伴隨著噪音,刺激操作人員損害健康。當滿足一定條件時,穩(wěn)態(tài)的切削振動甚至?xí)l(fā)展成切削顫振,從而引發(fā)整個切削系統(tǒng)的崩潰。
　　 為提高切削效率和加工精度,人們在切削振動的控制方面開展了大量研究工作。切削振動控制可分為主、被動兩種方法。傳統(tǒng)的被

2、動方法主要通過在線調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速和降低銑削深度避開不穩(wěn)定切削區(qū)來降低切削振動,避免顫振。但通過這些方法來降低振動需要對系統(tǒng)穩(wěn)定性進行預(yù)測,確定其穩(wěn)定性圖,而當由機床-刀具-夾具-工件所組成的加工系統(tǒng)其中有一者改變時其穩(wěn)定性圖也發(fā)生改變,為實際應(yīng)用帶來困難。不同于被動方法,主動方法需在切削系統(tǒng)中引入附加的系統(tǒng)并通過該系統(tǒng)提供的主動控制力來實現(xiàn)切削振動的主動控制。相對于被動方法其優(yōu)勢在于能夠在不影響加工效率的情況下提高加工精度。由于車削運動形

3、式較為簡單使得主動控制系統(tǒng)易于實現(xiàn),目前的研究多以車刀振動為研究對象。銑削過程中刀具運動的復(fù)雜性導(dǎo)致其振動主動控制研究的較少；此外,由于銑削時刀具與工件之間相對振動測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控制僅能考慮工件的振動,無法實現(xiàn)對刀具與工件相對振動的控制。
　　 金屬銑削被廣泛地應(yīng)用于機械制造業(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,我國銑床的加工效率遠比國外低,加工精度也比國外低1～2數(shù)量

4、級。然而,為提高銑削率而增大切削參數(shù)會導(dǎo)致切削振動加劇,因此,銑削振動控制是當前機械設(shè)計及制造領(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及其對加工創(chuàng)成表面的影響,實現(xiàn)相對振動的在線控制對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)濟價值。本課題面向制造業(yè)的重大需求,通過對刀具和工件的相對振動的實驗研究,建立了銑削過程動力學(xué)模型,分析了切削振動對工件表面形成的影響,設(shè)計銑削振動主動控制系統(tǒng)實現(xiàn)對銑削過

5、程中刀具與工件相對振動的主動控制,從而有效地提高加工效率和質(zhì)量。
　　 論文首先綜述了國內(nèi)外研究人員在機床振動的實驗和理論方面的研究概況,總結(jié)了各種振動控制的實現(xiàn)形式并分析了它們的優(yōu)缺點,對其中涉及的的建模、控制方法以及傳感器作動器等問題也作了闡述。
　　 針對銑削加工過程運動復(fù)雜,刀具振動難以測量的特點,提出了一種可直接銑削時刀具和工件振動的方法,設(shè)計了相應(yīng)的實驗裝置和和方案；應(yīng)用該方法測量了多種切削參數(shù)條件下及銑削不

6、同階段時刀具和工件的振動位移。通過對多個傳感器的輸出信號的分析處理驗證了該方法的有效性；對實驗數(shù)據(jù)進行分析并探討了銑削不同階段時切削振動的特性,為進一步的研究工作提供實驗基礎(chǔ)。
　　 為研究切削參數(shù)與振動之間的關(guān)系,通過模態(tài)實驗測量了刀具-工件-機床加工系統(tǒng)的力～振動頻響函數(shù)；基于該頻響函數(shù)利用參數(shù)識別獲得了加工系統(tǒng)的動力學(xué)參數(shù)模型；將該模型與動態(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預(yù)測模型；仿真了動態(tài)切削力及切削振動,

7、針對測力儀本身動態(tài)特性會造成其測量的切削力失真的情況在切削力仿真時還考慮了該因素的影響；進行切削實驗并利用測量獲得的數(shù)據(jù)驗證了該模型的有效性。
　　 推導(dǎo)了考慮切削振動的側(cè)銑加工表面形成模型,利用實測側(cè)銑加工刀具和工件振動位移數(shù)據(jù)通過仿真程序預(yù)測了工件表面形貌；討論了切削振動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振動是影響加工面表面形成的主要因為。
　　 根據(jù)實際測量的切削振動數(shù)據(jù)時頻域

8、的特征設(shè)計了一種用于銑削減振的兩自由度主動式工件裝夾平臺；對該平臺進行有限元仿真分析了其主要性能指標；制造并裝配了銑削主動減振平臺；對最終完成的平臺進行了實驗驗證了設(shè)計的平臺可應(yīng)用與銑削主動減振場合。
　　 分析了被控對象即設(shè)計的主動平臺的動力學(xué)特性并基于實測平臺頻響函數(shù)建立了主動平臺的參數(shù)模型；根據(jù)被控對象及銑削振動的特點利用魯棒干擾抑制和魯棒混合靈敏度兩種不同方法設(shè)計了反饋控制器；通過仿真驗證了設(shè)計的控制器在實現(xiàn)對振動的有效

9、衰減的同時針對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實現(xiàn)了采用魯棒混合靈敏度方法設(shè)計的控制器；通過切削實驗檢驗了整個銑削振動主動控制系統(tǒng)的有效性。結(jié)果表明,主動控制作用可在寬頻帶內(nèi)實現(xiàn)銑削時刀具與工件之間相對振動振幅為30％～50％衰減；當振動是工件表面輪廓形成的主要因為時,振動主動控制可明顯提高加工精度。
　　 本文的研究工作對切削振動特性的實驗研究,切削過程動力學(xué)