臥式車床車削振動主動控制系統(tǒng)設(shè)計與實驗研究*

林海波 林君煥 楊國哲

(①臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，浙江臺州 318000;②沈陽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)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(tǒng)影響很大，一方面使切削層參數(shù)發(fā)生變化，影響切削力的動態(tài)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(fù)雜，涉及到工藝系統(tǒng)的多方面因素，因此振動控制應(yīng)該從總結(jié)切削加工中振動規(guī)律入手，分析切削系統(tǒng)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(tǒng)之間采取一定措施，減小振動對加工質(zhì)量的影響，保證加工質(zhì)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(xiàn)，經(jīng)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(lǐng)域中得到應(yīng)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(yīng)受控對象參數(shù)的動態(tài)改變，部件質(zhì)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(yīng)性強，目前已成為國內(nèi)外振動工程領(lǐng)域的研究熱點。其按某種控制規(guī)則提供給受控對象以控制力，改變整個系統(tǒng)的動態(tài)特性，有效地減小受控結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(wěn)，一般可認為在一般情況下，激勵的均值為零，響應(yīng)的均值也為零。

(2)瞬態(tài)力引起的位移變動。由于毛坯不均或存在質(zhì)點等原因，引起瞬態(tài)沖擊，作用時間很短，引起系統(tǒng)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(shù)情況下，刀具完全或部分地重復(fù)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(dāng)?shù)毒咴僖淮吻邢鞯接姓窦y的表面時，切削厚度發(fā)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(zhuǎn)速高，工件質(zhì)量中心和旋轉(zhuǎn)中心的偏心等原因，主軸和加工工件的不平衡產(chǎn)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(chǎn)生。車削振動時，將由這些作用力在車削方向產(chǎn)生振動位移x。車削振動動力學(xué)模型如圖1所示，可等效為一個質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)。則其動力學(xué)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(tǒng)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(tǒng)設(shè)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(xiàn)為持續(xù)性和規(guī)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(tǒng)組成如圖2所示。它由專用刀架、超磁致伸縮執(zhí)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(tǒng)整個工作過程可以簡述如下:當(dāng)?shù)毒邔ぜM行車削加工時，由于主軸等機構(gòu)運動失衡產(chǎn)生偏心力而造成刀具與工件之間位移發(fā)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(jīng)傳感器內(nèi)的前置器放大后成為電信號模擬量，這個模擬量在經(jīng)板卡的A/D轉(zhuǎn)化后成為數(shù)字量輸入到計算機中，計算機根據(jù)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(jīng)過板卡的D/A轉(zhuǎn)化成為模擬控制信號，模擬控制信號再通過功率放大器變?yōu)榇蠊β市盘栻?qū)動執(zhí)行器，以輸出相應(yīng)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(tǒng)仿真與實驗

仿真系統(tǒng)中，振動可視為一種干擾源，表示為一正弦函數(shù)與一隨機函數(shù)的組合，它的數(shù)學(xué)表達式為

其中，各參數(shù)的取值分別為:a=6;ζc(t)、ζs(t)為隨機函數(shù)，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(tǒng)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(tǒng)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(jié)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(tǒng)的試驗在一臺普通車床上進行。正常加工時，車床的主軸轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，采樣頻率設(shè)為1 000 Hz，這樣相對于振動頻率來說，一個振動周期內(nèi)，系統(tǒng)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(shè)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(jié)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(zhí)行器的減振裝置車削振動控制系統(tǒng)，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(guī)律地，持續(xù)地完成對機床的振動控制。

(3)實驗表明，利用所設(shè)計的主動振動控制系統(tǒng)可將車削振動減小70%以上，提高系統(tǒng)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(yīng)用價值和前景。

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