臥式車床車削振動主動控制系統設計與實驗研究*

林海波 林君煥 楊國哲

(①臺州職業技術學院機電工程學院，浙江臺州 318000;②沈陽工業大學機械工程學院，遼寧沈陽 110023)

切削加工中由于各種干擾因素的存在，切削振動是無法避免的。切削加工中的振動主要有受迫振動、自由振動、自激振動和混合型振動。這種相對振動對工藝系統影響很大，一方面使切削層參數發生變化，影響切削力的動態變化;另一方面刀具的振動也使加工中工件表面形成凸凹不平的加工表面，是影響工件表面粗糙度的重要因素。加工過程中振動形式多樣，機理復雜，涉及到工藝系統的多方面因素，因此振動控制應該從總結切削加工中振動規律入手，分析切削系統的振動特點，建立適合車床特性的振動控制模型和措施。在振源與系統之間采取一定措施，減小振動對加工質量的影響，保證加工質量。

振動控制分振動被動控制和振動主動控制。振動被動控制不需要外界能源，易于實現，經濟性與可靠性好，在許多場合下減振效果令人滿意，己廣泛地在各工程領域中得到應用。但由于振動被動控制提供的控制力較小，難以達到理想的控制效果，且無法適應受控對象參數的動態改變，部件質量和體積較大等。振動主動控制和振動被動控制相比，由于它具有振動控制效果好，適應性強，目前已成為國內外振動工程領域的研究熱點。其按某種控制規則提供給受控對象以控制力，改變整個系統的動態特性，有效地減小受控結構的振動，消除低頻、超低頻振動信號和剩余的少量高頻振動信號。

1 車削振動模型分析

要解決振動問題，首先要分析振動產生的原因。車床車削振動時，刀具與工件之間的相對位移變化大致由以下情況引起:

(1)隨機力引起的位移變動。在加工比較均勻的工件時，機床與刀具所受的力比較平穩，一般可認為在一般情況下，激勵的均值為零，響應的均值也為零。

(2)瞬態力引起的位移變動。由于毛坯不均或存在質點等原因，引起瞬態沖擊，作用時間很短，引起系統振動。此類型，可視為有阻尼自由振動處理。

(3)自激振動引起的位移變動。在金屬切削過程中，大多數情況下，刀具完全或部分地重復切削前一次或者前一個刀齒切削過的表面。在已加工表面上殘留有振紋，當刀具再一次切削到有振紋的表面時，切削厚度發生變化。切削厚度的變化引起切削力的波動，又激起刀具和工件的相對振動，并再次殘留下振紋。

(4)由于進給量大，轉速高，工件質量中心和旋轉中心的偏心等原因，主軸和加工工件的不平衡產生的振動。

車削振源由刀具車削力、主軸偏心力、自激振動等力作用于刀具產生。車削振動時，將由這些作用力在車削方向產生振動位移x。車削振動動力學模型如圖1所示，可等效為一個質量彈簧阻尼系統。則其動力學方程為

式中:F為車削方向上合外力，包括車削力、主軸偏心力和自激振動作用力;ωn為主軸振動系統的固有頻率;ζ為阻尼比。

2 主軸運動失衡下的振動主動控制研究

2.1 振動主動控制系統設計

車削加工時，由車削力、偏心力和自激振動作用力等引起刀具振動偏移。這種振動信號表現為持續性和規律性特征。針對這種周期性振動，有效控制方法是采用主動振動控制方式。振動主動控制系統組成如圖2所示。它由專用刀架、超磁致伸縮執行器、功率放大電路、I/O接口電路、主控計算機及傳感器組成。車削振動控制系統整個工作過程可以簡述如下:當刀具對工件進行車削加工時，由于主軸等機構運動失衡產生偏心力而造成刀具與工件之間位移發生變化，此時電渦流傳感器馬上測知它們的位移變化量，變化量經傳感器內的前置器放大后成為電信號模擬量，這個模擬量在經板卡的A/D轉化后成為數字量輸入到計算機中，計算機根據一定的控制算法將輸入信號計算處理后輸出合適的控制信號，該控制信號再經過板卡的D/A轉化成為模擬控制信號，模擬控制信號再通過功率放大器變為大功率信號驅動執行器，以輸出相應的輸出力抵制刀具模塊的振動。

2.2 車削振動主動控制系統仿真與實驗

仿真系統中，振動可視為一種干擾源，表示為一正弦函數與一隨機函數的組合，它的數學表達式為

其中，各參數的取值分別為:a=6;ζc(t)、ζs(t)為隨機函數，最大值為1;ωc=ωs=1 000;θc=π/3;θs=π/6。

在該振動干擾作用下，通過如圖3的仿真系統模型進行仿真實驗驗證振動主動控制作用效果，其中控制器采用傳統的PID控制算法。在仿真中分別試驗頻率在50、100 Hz時的主動振動控制。如圖4是頻率為50、100 Hz時主動振動控制前后的振動位移結果。從圖4a中可以看出頻率為50 Hz時控制前振動位移幅度為30 μm，控制后振動位移幅度為5 μm，能減小振動幅值83.3%。從圖4b中可以看出頻率為100 Hz時控制前振動位移幅度為10 μm，控制后振動位移幅度為1 μm，能減小振動幅值90.0%。

本系統的試驗在一臺普通車床上進行。正常加工時，車床的主軸轉速為1 000 r/min，采樣頻率設為1 000 Hz，這樣相對于振動頻率來說，一個振動周期內，系統可以對振動曲線采樣60次，足夠滿足控制要求。開啟車床，主軸速度分別設定650 r/min和3 000 r/min，加工普通45#鋼工件。圖5是所測得曲線，650 r/min(11 Hz)位移振動幅度從控制前的50 μm減小到25 μm，主動振動控制能抑制振幅達50.0%;3 000 r/min(50 Hz)位移振動幅度從控制前的30 μm減小到20 μm，主動振動控制能抑制振幅達33.3%。

3 結語

(1)通過分析得到車削振動的振動源。

(2)建立了一種基于超磁致伸縮執行器的減振裝置車削振動控制系統，該裝置直接施力于受振對象達到控制振動的目的，控制是有規律地，持續地完成對機床的振動控制。

(3)實驗表明，利用所設計的主動振動控制系統可將車削振動減小70%以上，提高系統減振效果。該裝置能有效控制振動，在車切振動控制中具有一定的應用價值和前景。

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