双阀电液激振拉削系统动力学特性及应用研究

发布时间：2018-02-12 14:30

  本文关键词： 双伺服阀并联 键槽拉削力模型 振动拉削力模型 FFIM—TVC复合控制 ILC—FPID复合控制 电液激振拉削系统 振动拉削实验　出处：《浙江理工大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着拉削工艺在航空发动机、航海汽轮机、汽车制动系统等领域的复杂曲面成形加工应用越来越广泛,如何改善传统拉削工艺,特别是有效抑制拉削过程中的非线性力,成为了拉削领域研究热点之一。而振动拉削(Vibration-assisted Broaching,VAB)因其拉削力脉冲化的特性,在改善拉削系统稳定性,提高加工精度及效率方面具有巨大的发展潜力。因此,本文紧密结合实际工程应用项目中的重要研发目标,通过探求拉刀振动特性对拉削动特性的影响,获取激振参数与动态拉削力的变化规律,以期为VAB的高效化产业化应用奠定基础。但目前电液激振拉削系统的研究主要存在以下难点:一是电液伺服激振系统的动力学问题;二是多齿形拉削的动力学问题;三是激振系统和拉削系统的耦合动力学问题。本文针对上述问题,引入了液压流体力学理论,阀控非对称缸模型,拉削力经验公式模型和剪切角理论模型,拉刀运动方程,三参量状态反馈(Three variable control,TVC)和逆系统控制方法(Inverse model control,IMC),迭代学习(Iterative learning control,ILC)和模糊PID控制方法(Fuzzy—PID)等,并通过MATLAB/Simulink软件的仿真计算结果和VAB系统实测数据的对比分析,开展电液伺服激振拉削系统动力学特性研究。本文的主要研究内容及成果如下:(1)通过分析影响振动切削性能的主要因素,再结合拉削工艺特性,拟定了激振系统方案,再对关键元器件进行选型计算,最终确定了激振缸的具体尺寸和激振阀型号,设计出了双阀电液伺服激振拉削系统。(2)建立了双阀电液激振系统动力学模型,并通过Matlab/Simulink仿真计算,分析了电液激振系统的空载稳定性和动态响应特性,以及在外力扰动下的位移响应和输出力特性。经过多项激振参数的对比研究表明,双阀并联设置结构可有效增大激振系统的位移输出幅值,但由于汇流效应对于流量的限制作用,使得位移幅值最大增益为80%;激振频率和阀芯开口量直接影响了容腔压力变化特性及位移输出幅值,而外部负载力则会加剧对于输出位移和输出力幅值的扰动。因此,在振动拉削过程中,若负载瞬变,则激振缸容腔内部压力特性会产生较大改变,从而导致位移波形的平衡位置发生“漂移”。(3)建立了电液激振拉削系统动力学模型,并通过Matlab/Simulink仿真计算,分析了拉刀运动状态,单齿拉削面积的时域特征与拉削动特性之间的关系,以及系统耦合特性对于动态拉削力的影响。经过多项激振参数的对比研究表明,导致振动拉削力动特性与传统拉削力动特性相区别的主要因素在于拉削面积的时域特征;激振频率是影响振动拉削力特性的主要因素,且由于拉削力脉冲化特性,使得平均拉削力明显下降。基于不同的激振频率,其下降幅度约为49.6%至67.6%;但受系统耦合作用影响,激振系统输出特性发生变化,实际上振动拉削力的平均值下降幅度为15%至27.4%。因此,为了使振动拉削系统达到较好的性能,需在拉削过程中实时调整激振参数,改变激振系统的输出特性。(4)提出了双阀电液激振拉削系统稳定性控制策略,针对空载条件下激振系统的输出波形稳定性问题,引入了三参量和逆系统的控制方法,仿真计算结果表明:相对于开环控制,三参量和逆系统复合控制策略不仅改善了激振系统的频响特性,而且使系统更容易“复现”位置指令波形;针对系统的外部周期性负载对激振系统输出波形的扰动,引入了模糊—PID和迭代学习控制,通过迭代学习训练,实现对激振系统稳定波形的闭环反馈控制,仿真结果表明,该复合控制策略可使动态拉削力扰动下的位移输出波形逐渐趋于稳定,同时也能纠正输出波形的偏移。(5)开展了双阀电液激振拉削实验,通过实测数据与仿真计算结果的对比分析,一方面验证了所建立动力学模型的有效性;另一方面也验证了振动辅助对于拉削性能的有益效果。
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本文编号：1505851