智能减振镗杆原理与控制研究

发布时间：2020-03-26 11:16

【摘要】：深孔镗削加工中,镗杆的振动是制约加工质量与效率的关键因素。由于振动的存在,易产生内孔表面缺陷(振纹、微裂纹),降低工件表面精度,缩短刀具使用寿命(易崩刃),衰减机床精度,振动严重时甚至威胁操作人员与机床设备的安全。随着科技的不断发展,深孔类零件在涉及关系国防与民生的重大领域(军工、航空航天、能源装备等)得到了广泛的应用。目前受我国制造技术水平的限制,军用关键零部件的深孔加工所使用的刀具大多为进口刀具,此种状态对我国国防安全产生极大威胁,实现深孔加工技术突破具有重大需求,而刀具振动的有效控制是实现深孔加工技术突破的关键。因此,开展深孔减振刀具原理与控制研究,对实现深孔减振加工技术突破,提升深孔加工质量与效率具有重大意义。对镗削加工中振动成因进行分析,揭示由于负阻尼,负刚度的存在对镗削过程的影响。建立了考虑刀具振动的镗削力模型,获得刀尖点的振动姿态与轨迹,并对镗削表面形貌进行建模,分析了加工参数与刀具角度对镗削过程的影响,提出通过动力吸振器对镗杆的振动进行控制的方法,建立了动力吸振器的动力学模型,分析了外部载荷与系统自身参数对减振性能的影响,为智能减振镗杆的设计与振动控制策略的提出提供理论基础。基于动力吸振理论,提出通过智能控制变刚度吸振器刚度,实现对智能减振镗杆减振性能进行调节的方法,并完成了智能减振镗杆的设计。基于所建立了的变刚度吸振器动力学模型,揭示变刚度吸振器的工作原理。在以上研究基础上,完成了智能减振镗杆动力学模型的建立和减振性能分析,发现幅倍率曲面存在减振区域与非减振区域,最终获得最优曲线与最优控制点,为智能减振镗杆控制系统提供理论最优解。通过对振动信号的分析,掌握在镗削加工全周期中镗杆振动的变化规律。提出振动状态评价指标,为振动状态的判断与减振控制提供阈值,实现振动状态的感知评价与减振性能反馈。提出智能减振镗杆控制策略,通过小区间遍历的方式实现智能减振镗杆实际最优解的求解,并对控制系统进行性能分析。基于BP神经网络实现振动状态辨识,并通过遗传算法优化的BP神经网络实现智能减振镗杆的智能学习,使智能减振镗杆能够快速查找与预测实际最优解,提高智能减振镗杆减振性能调节效率。在此基础上搭建智能减振镗杆控制平台,为智能减振镗杆提供控制系统。对所提出的智能减振镗杆的零部件动力学基础参数进行测试,确保理论模型中参数的准确性。同时,对智能减振镗杆进行静/动态性能测试及稳态激励实验,获得智能减振镗杆的静/动力学特性。在此基础上,进行镗削实验,分析切削参数对智能减振镗杆振动特性的影响,为实际加工中切削参数的选取提供指导。最后通过减振性能验证实验,验证智能减振镗杆的减振性能,此部分研究对智能减振镗杆的使用具有一定指导意义。以智能减振镗杆为研究对象,针对智能减振镗杆在深孔加工中的振动控制展开深入研究。提出一种集状态感知、智能控制、智能学习功能于一体的新型智能减振镗杆。对涉及镗削过程、状态感知、减振机理、减振性能调节、智能控制策略和智能学习等关键技术展开研究,研究结果对智能减振镗杆的设计和使用具有一定的指导意义和参考价值。
【图文】：

舰用燃气轮机,涡轮轴

第1章绪论1.1 课题研究背景及意义在金属切削加工领域，据不完全统计，内孔加工约占金属切削总量的33%[1]。20 世纪以前，，深孔加工技术多应用于保密的军工领域，且因加工难度大、加工成本高而闻名于整个机械制造业。随着科学技术的发展，深孔加工技术在军用、民用领域均得到了广泛的应用，其中多涉及关系国防与民生的军工装备[2]、航空航天[3]、能源装备[4]等重大领域。如：军用炮筒、舰用燃气轮机高/低压涡轮轴（如图 1-1 所示）、航空发动机中轴类零件的加工都属于大长径比的深孔加工。机械产品中的精密深孔往往是最重要和最关键的部件，其加工精度和表面质量对整个设备的使用性能与服役寿命均有重大影响，一旦零件存在微裂纹、振纹等加工缺陷将会在军用或民用的使用中造成不可估量的后果。因此，如何提高精密深孔的加工质量和效率，是机械加工中的难点和亟待解决的重要课题。

振动危害,深孔镗削,深孔加工

3(a)、1-3(b)），降低工件表面精度，缩短刀具使用寿命（易崩刃）（见图 13(c)），衰减机床精度，且在加工中伴随有大量噪音，振动严重时导致零件报废。因此，对于深孔加工减振技术的研究需求极为迫切，实现深孔的减振加工对深孔加工技术突破、提升深孔加工质量与效率具有重大意义。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG53

【参考文献】