镗削加工过程的颤振控制研究

【摘要】：1、引言 如何尽可能地减小切削颤振是各国学者都在研究的课题。本文设计一种附加压电片的镗杆来实现调节其刚度和阻尼的功能，以达到抑制镗削颤振的目的。本文分析了该镗杆抑制颤振的原理，在此基础上进行了抑制颤振的仿真，并用实验验证了抑制颤振的效果。 2、附加压电片的镗杆抑制颤振原理分析 考虑结构的阻尼时结构单元运动方程为 (1) (2) 式中 , , , 将电势向量凝聚掉，则得修正后的单元运动方程 其中 WP=78 单元电势向量可由下式恢复 (3) 经过单元组装后,整个结构的运动方程为 (4) 整个压电传感元件层的电势输出为 　　 (5) 由方程(4)可以看出，结构运动方程的载荷项由两部分组成,即机械载荷和电载荷。当采用闭环反馈控制时,电载荷 可以看成为反馈控制力。它表示为 (6) 当采用位移反馈控制时，压电传感元件层中输出电压直接成正比地反馈到压电执行元件层上。此时, 表示为 　　　 (7) 式中 为位移反馈增益系数。则反馈控制力为 (8) 将式(8)代入式(1)整理得 (9) 由上式可以看出,采用位移反馈控制律进行控制后，相当于在原系统的刚度阵上加了一个修正项。当结构的几何参数保持不变时，这个修正项只与位移反馈增益系数有关。调整 ，会改变系统的总刚度，从而改变结构的动态特性,达到结构主动振动控制的目的。 当采用常增益负速度反馈控制时，控制系统将压电传感元件层中输出电压导数的负值成正比反馈到压电执行元件层上。此时， 表示为 (10) 式中 为速度反馈增益系数。 WP=79 因此反馈控制力为 (11) 将式(11) 代入式(4)，整理后则有 (12) 由式(12)可以看出，采用常增益负速度反馈控制律进行控制后，系统方程的阻尼项由两项组成，一项是结构本身的阻尼，另一项是由反馈控制力所引起的等效阻尼。这样，通过闭环反馈控制，结构总的阻尼增加了，从而提高了其抑制自己振动的能力。从式(12)中，我们也可以看出，当结构的几何参数不变时，改变反馈增益系数，可以改变结构总的阻尼，从而改变结构的瞬态响应达到振动主动控制及抑制的目的。 3.附加压电片的镗杆的颤振控制实验分析 3.1实验条件和实验装置 本文试验是在CA6140普通型车床上进行的，镗杆的实验装置如图1所示。 图1 镗杆的实验装置 实验条件： (1)试件材料为45号钢，孔外径为 ，内径 ，用三爪卡盘夹紧； (2)刀具：材料为YT15， ， ， ， ；刀杆伸出刀架长度为 ； WP=80 (3)压电片：选用PZT5，其部分参数如表1所示。试验中使用改性丙烯酸酯胶粘剂将4片压电片粘成压电叠堆，粘到刀架上做成压电致动器，再将一片压电片以同位配置的方式直接粘于刀架的另一面作为传感器。 表1 PZT-5H压电片部分参数 机电耦合系数 压电常数 杨氏弹性模量 密度 0.76 0.25 1.0 640 250 11 7.6 (4)高压直流驱动电源等。 3.2实验结果 在颤振发生后施加控制电压时，由于驱动电源存在滞后性和不稳定性，甚至出现超调的现象，即实际控制电压超出所应加的电压值，因此有时会出现施加控制电压的前几秒钟内会出现颤振没有控制下去，而后当电压逐渐稳定时在控制电压的作用下颤振才被抑制。从实验中可以看到，当控制电压值小于200伏时，颤振基本没有被抑制；当电压增加到250伏时，出现较明显的控制效果；图2 是控制电压为350伏时的控制效果。当控制电压超过400伏时，颤振也没有被抑制下去。 图2 的控制效果 4.结论 WP=81 实验证明，附加压电片的镗杆通过调节控制电压来改变其刚度和阻尼，从而改变系统的动态特性是能够对切削颤振产生抑制作用的，并且抑制颤振的效果与所施加的控制电压密切相关，但是并不呈现简单的线性关系。