基于磁流变液的机床减振技术研究

发布时间：2018-01-17 15:15

本文关键词：基于磁流变液的机床减振技术研究　出处：《长春理工大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：现代机械制造技术向着高精度、高生产效率、高加工质量和制造自动化技术方向发展,但是制约上述发展的主要因素是机床振动,在机械加工过程中,机床振动的危害主要有:使工艺系统的各种成形运动受到干扰和破坏,使加工表面出现振纹,增大表面粗糙度值,恶化加工表面质量;振动还可能引起刀刃崩裂,引起机床、夹具连接部分松动,并且优化了刀具、机床和夹具的寿命使用时间;由于切削用量的增加受制于机械振动,也就是使生产效率降低,抑或是导致切削加工的停止;就工人的健康来说,振动是非常严重的噪声污染。在机械加工领域,探讨如工艺系统抗振性和消除振动的措施的提高,考察机械振动机理,一直是一项重要课题。但是目前,机床振动、噪声、控制所需的基础技术和应用技术还相对薄弱。减振降噪无论对于低频加工机床如:冲床、锻床、还是对于高频加工机床如:一些精密、超精密加工机床,都具有十分重要的实际意义。减振降噪是保障加工质量、获得较高的加工精度和较低的表面粗糙度、确保机床工作平稳、可靠的关键技术。本文就是针对机床减振这一问题展开研究,提出将磁流变减振技术尝试用于机床减振,引入新型智能磁流变液阻尼材料,研发了一种可变阻尼、可实现半主动模糊控制的磁流变阻尼的机床减振器。针对现代机床高精度、高速度、高效率的加工要求,对磁流变阻尼器从理论与实验两方面进行了研究。以两种磁流变液为样本,全面分析了磁流变液特性,阐述了磁流变液在静态和动态剪切场下的本构关系,建立了磁流变液的剪切屈服应力、粘度与剪切速率关系以及与剪切屈服应力与磁场强度关系,为磁流变阻尼器结构分析及设计提供依据;根据项目实际确定了一种双出杆剪切阀模式磁流变阻尼器的结构,根据理论公式,确定了其结构的主要参数;阐述了电磁场理论并对磁场参数及电磁路进行了分析,采用高斯计对磁流变阻尼器工作间隙的I与H关系理论值和磁流变阻尼器工作间隙的I与H关系实验值进行的拟合并加以比较,验证了理论分析的正确性。建立了基于磁流变阻尼器的动力学模型,在分析经典模型如BingHam模型、BoucWen修正模型、非线性滞回模型等存在不能很好地模拟磁流变减振器的非线性动态特性,或参数过多不便于数值处理等缺陷的前提下,结合神经网络算法,给出了模型建立步骤,并用实际算例表明,该方法能够简洁而准确地预测磁流变阻尼器实际阻尼力,得出在相同频率,相同电流下,振幅大的工况比振幅小的工况,阻尼力偏大的结果。对磁流变阻尼器制造与性能进行了测试,结果表明,阻尼器的滞回曲线非常饱满,有较强的耗能减振特性,阻尼器的阻尼力可调系数随电流变化连续可调,阻尼力可调系数约为30。提出了将磁流变阻尼器用于机床系统减振,研发出机床磁流变减振器。通过半主动模糊控制技术,为实现机床振动幅度的减小,调动磁流变阻尼器的阻尼和刚度参数,达到减小机床振动的目的,为高质量稳定加工提供了有力的保障。搭建了磁流变阻尼器半主动模糊控制系统实验平台,通过仿真得出,机床减振系统的最佳阻尼比应该控制在0.26左右。可根据机床工作的实际状况,通过半主动模糊控制算法,实时调整系统的阻尼比,达到良好的减振效果。试验结果表明:机床切削过程振动幅值比未加磁流变阻尼器的振动幅值减小了28.8%,均方根减小了20.7%,本研究设计的基于模糊控制算法磁流变减振装置,具有显著的减振效果。针对XD-30A立式数控铣床,建立了五个自由度机床动力学模型,为机床动态特性分析、机床与磁流变阻尼器的最佳匹配、实现机床减振的最佳控制巩固了理论基础。本文提出新的磁流变阻尼机床减振系统模糊控制器,对其模糊控制基本原理和模糊控制器进行了分析,由于磁流变阻尼器的非线性特性,当输入不同的激励信号时,相应的不同的控制参数会有所改变,目前十分准确对控制参数进行测量和识别会有所困难,传统控制算法,主要都是面向模型的,而且对被控对象的线性模型十分依赖,当在实际应用中面对机构的不确定、时变、非线性特性的状况时,这些现实状况极大得影响了这种方法的实施。鉴于机床振动控制的现实需要,提出了天棚控制策略、PID控制策略和模糊控制策略,并对三种控制策略在实际机床振动控制的有效性进行了实验研究,通过磁流变减振实验验证,模糊控制策略减振效果显著。本文对磁流变阻尼机床减振系统模糊控制的几项关键技术:磁流变液特性、磁流变阻尼器的动力学模型、半主动模糊控制技术、机床系统建模和基于磁流变阻尼机床减振实验进行了详细深入的研究,所做工作对于有效抑制机床的振动具有重要的指导意义和参考价值。
[Abstract]:This paper studies the vibration and vibration of machine tools , and it is very important to study the vibration and noise of the machine tool . The results show that the damping ratio of MR damper can be accurately predicted by means of semi - active fuzzy control technology . The results show that the damping ratio of MR damper can be adjusted by half active fuzzy control algorithm . The basic principle of fuzzy control and fuzzy controller are analyzed . Because of the nonlinear characteristic of magneto - rheological damper , different control parameters can be changed when different excitation signals are input .

【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG502

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