基于机床刀具加工变形研究的铣削工艺参数优化方法

针对机床刀具变形影响加工精度问题,据铣床刀具系统动刚度测量计算及铣削力模型提出基于遗传算法的铣削工艺参数优化方法。通过阶跃响应实验获得机床刀具系统动刚度及用正交实验法可准确铣削力模型,对实验机床铣削工件工艺参数进行数学优化;开发设计在线测量刀具变形及铣削力实验装置并分别对优化前后工艺参数实验验证,结果已证明该方法的有效性、实用性。     

基于自适应滤波的电主轴-刀具系统不平衡振动的主动控制

为了有效抑制由质量不平衡引起的电主轴-刀具系统的不平衡振动,本文提出了一种基于最小方差的分块(FBLMS)自适应滤波的电主轴-刀具系统不平衡振动的主动控制方案,该控制方案中用来抑制振动的力源于无轴承电机径向磁悬浮力产生的原理。本文首先研究了双绕组感应型电主轴的结构及工作原理和径向控制力的模型,借助有限元法建立了感应型柔性电主轴-电主轴-刀具系统的动力学模型以及研究了FBLMS自适应滤波控制算法,设计了感应型柔性电主轴-电主轴-刀具系统不平衡振动的主动控制系统,通过有限元法来确定径向控制力的系数以及单边磁拉力的系数,研究了经典PID控制器以及FBLMS自适应滤波控制器对刀具端的不平衡振动的控制效果,结果表明采用FBLMS自适应滤波控制器对抑制电主轴-刀具系统端不平衡振动具有更佳控制效果。     

基于主轴系统电机电流信号监测铣削力的研究

针对高速干切数控螺旋锥齿轮铣齿机存在的稳定性差、加工精度低、所加工的工件齿面有振纹等技术问题,对机床进行了深入的研究。通过研究发现铣削力是机床运行状态和加工品质的重要表征参数。基于国产高速干切数控螺旋锥齿轮铣齿机的实际铣齿工况,提出了采用同时监测刀具主轴和工件主轴电机电流来反映铣削力的间接测量方法。为了建立刀具主轴电机电流与铣削力间的模型,从分析机床的主轴系统入手,建立了刀具主轴系统运动学模型;利用双轴力矩电机电流监测法,对电流信号进行时频分析,并采用数值分析的方法对电机电流信号进行处理,对刀具主轴系统运动学模型中的待定参数进行了标定,建立了主轴系统电机电流信号与铣削力间的模型。利用该模型,可实时监测机床刀具主轴的铣削力,为机床结构的优化设计和加工工艺参数的改进提供了数据支持。     

电主轴-刀具系统不平衡振动的主动控制

为了有效抑制由刀具的质量不平衡引起的电主轴系统不平衡振动,提出了一种电主轴系统不平衡振动的主动控制方案,首先研究了双绕组感应型电主轴的结构、工作原理及径向控制力模型,借助有限元法建立了感应型柔性电主轴系统的动力学模型以及研究了FBLMS(Fast Block Least Mean Square)自适应滤波控制算法,设计了感应型柔性电主轴-刀具系统不平衡振动的主动控制系统,通过有限元法确定了径向控制力的系数以及单边磁拉力的系数,研究了经典PID控制器以及FBLMS自适应滤波控制器对刀具端不平衡振动的控制效果,结果表明FBLMS自适应滤波控制器对抑制电主轴-刀具系统端不平衡振动具有更佳控制效果.     

包含刀具-工件多重交互与速度效应的铣削颤振稳定性分析

为研究刀具-工件多重交互与速度效应对铣削颤振稳定性的影响,建立了包含刀具-工件多重交互与速度效应的铣削动力学模型,阐明了无刀轴倾角状态下再生效应、过程阻尼、刀具结构模态耦合与速度效应的耦合作用对铣削颤振稳定性的影响规律,研究了不同径向浸入比下刀具-工件交互与速度效应对铣削稳定性的影响。结果表明,与只考虑再生效应的铣削动力学模型相比,当同时考虑再生效应、过程阻尼与刀具结构模态耦合时,得到的稳定性叶瓣图中颤振区域发生明显变化;当主轴转速较低时,刀具-工件之间的多重交互效应是影响铣削颤振稳定性的主要因素,速度效应对极限切深的影响可忽略不计;随着主轴转速升高,速度效应对极限切深的影响逐渐增大,稳定性叶瓣图中稳定区域呈逐渐减小趋势;在一定范围内,随着铣刀后刀面磨损带的增加,铣削极限切深逐渐增大;主轴转速一定时,径向浸入比相对较小的情况下过程阻尼对铣削稳定性的影响更加明显。采用铣削试验进行验证,结果表明,与传统动力学模型相比,构建的铣削动力学模型能够更加可靠地预测实际铣削状态。     

黏性流体环境对铣削颤振控制的可行性分析

铣削加工过程中,颤振是影响加工效率的关键因素。针对铣削颤振的控制问题,提出将铣削系统置于黏性液体内进行加工的新工艺方法。首先针对性地设计了一个单自由度工件,建立了该工件的稳定性分析模型。然后通过铣削力试验和模态试验,分析了黏性液体环境对铣削力系数及铣削系统动力学特性的影响,结果表明黏性液体在降低铣削力系数的同时,增加了铣削系统的阻尼。最后通过铣削试验定量对比了黏性流体环境对铣削稳定性的影响试验。结果表明,在黏性液体内进行铣削加工时,铣削颤振得到了有效抑制。     

基于瞬时铣削力系数法的拼接模具铣削稳定性研究

在拼接模具铣削过程中,由于拼接过缝处硬度差的影响致使铣削力发生突变并加剧振动,进而降低工件表面质量和刀具的使用寿命。针对上述问题本文首先建立了拼接过缝区域的切屑厚度模型,分析了切屑厚度与铣削力系数的关系;然后运用基于Runge-Kutta法的全离散法求解铣削动力学方程,由于瞬时铣削力系数随切削参数的变化而变化,故基于该方法可获得上限和下限的多条稳定性预测曲线,并利用最小包络法形成上、下限的带状区域作为最终的稳定边界;最后综合运用时域、频域分析来验证铣削稳定性预测曲线的准确性。提出的稳定性预测模型可以为大型汽车覆盖件铣削加工过程提供理论参数依据,并解决铣削拼接处冲击载荷引起的振动问题。     

基于面域功率谱密度的金刚石车削相对振动辨识

在金刚石车削中,刀具与工件之间的相对振动会在加工表面上生成具有某种规律性的特征,并恶化表面质量.本文仿真了振动影响下的金刚石端面车削表面的成型,并研究了刀具与工件之间的相对振动对表面形貌的影响.传统的二维轮廓方法并不适用于整个表面特征的分析,只能采用径向、周向和进给螺旋方向的轮廓进行联合分析.采用由二维快速傅里叶变换推导得到的面域功率谱密度函数可以一次性描述加工表面的形貌,并依此形成了一种根据表面数据分析辨识刀具与工件之间相对振动的系统方法,拓展了面域方法在加工表面分析上的应用.最后,通过金刚石实际车削表面的分析验证了该方法的有效性.     

柔性结构振动预测控制的仿真研究

针对柔性结构的振动问题，提出了用预测控制方法来实现对振动的主动控制。建立了由压电作动器和应变片传感器组成的悬臂梁实验系统的控制模型，用动态缩聚的方法对梁的有限元模型进行降阶，根据这个降阶模型设计了一个预测控制器，将其应用于系统的振动控制，并给出了预测步长和控制步长对控制性能的影响。仿真结果表明该预测控制方法能够有效地抑制柔性结构的振动。     

迭代学习控制策略在连铸结晶器振动系统中的应用

结晶器振动控制是连铸工艺的关键性环节,针对其液压控制系统具有非线性、时变和模型结构不确定性等特点,提出一种连铸结晶器液压振动系统复合控制解决方案:由位移传感器和PID(Proportion integration differentiation controller)控制器构成抗扰动的内环系统;外环由迭代学习控制器(Iterative learning controller,ILC)单元构成结晶器液压振动系统,以保证系统的跟踪性能。通过电液系统的设计计算和MATLAB的仿真分析,检验了ILC控制方案的动态跟踪效果。在此基础上,将其投入控制运行。结果表明:该控制方案具有鲁棒性强、动态性能好等优点,取得了良好的生产使用效果。     

基于尺寸效应的微径铣刀磨损预测模型的建立与实验研究

刀具磨损是影响微细铣削加工的重要因素之一,将材料的本构模型与Usui刀具磨损模型相结合,并考虑到微细加工中存在的尺寸效应,提出一种新的刀具磨损预测模型,采用有限元仿真和物理实验的方法确定硬质合金刀具铣削碳钢时刀具磨损预测模型中的相关参数,并进行了实验验证。为了更直观的观察、预测刀具磨损情况,将该模型应用于微细铣削仿真过程中,可求得任意时刻刀具的磨损及几何轮廓。为微细铣削中刀具磨损的研究提供了新的方法。     

弱刚性机匣橡胶减振柔性夹具研究

薄壁机匣的径向刚度低,在加工过程中易出现颤振,影响工件表面加工质量和加工效率。因此,设计了一种橡胶减振柔性夹具,其可大面积地支撑工件内壁,从而提高工件的加工刚度。建立了工件?夹具系统等效动力学模型,通过机匣铣削实验验证了模型的准确性。对比分析了橡胶减振柔性夹具与传统夹具的减振性能,研究了铣削力加载频率、压板压力、T形压板压力和推动块压力对工件?夹具系统的振动影响。结果表明：工件在采用减振夹具工况下加速度有效值相较于采用传统夹具减小了43.33%;采用橡胶减振柔性夹具后,工件可以避开400~900 Hz范围内剧烈振动的频率区间,振动幅度大大减小;随着压板压力的增大,工件加速度有效值先减小后增大;针对不同高度工件,应采用不同的压板压力,以减小加工过程中工件的振动;在实际加工中,T形压板压力应超过3.56 MPa,推动块压力应超过0.26 MPa,即液压缸推力超过20 kN。研究结果对橡胶减振柔性夹具的现场应用具有重要的指导意义。     

薄壁结构件铣削加工振动稳定性分析

针对如何考虑刀具与工件相互耦合作用及加工位置对系统稳定性影响,通过对切屑厚度、铣削力建模,建立薄壁件铣削系统动力学模型,考虑薄壁件铣削稳定性受铣削位置影响,获得以轴向铣削深度、转速、铣削加工位置为参数的三维稳定性图。通过对曲面图分析,可确定在不同主轴转速、不同铣削区域内薄壁件各模态对铣削稳定性影响。通过时域模拟分析加工位置对系统失稳机制影响,揭示稳定铣削与不稳定铣削、不同模态在不稳定铣削时铣削力、铣削位移的变化规律。     

压电智能结构振动的一致性PID(CPID)控制EI北大核心CSCD

将一致性控制方法和PID控制方法的基本思想相结合,提出了一种适用于压电智能结构振动控制的一致性PID(Consensus-PID,CPID)控制方法。该方法将系统输出偏差作为PID控制器的输入,PID控制器的输出及其在采样周期内的变化量作为一致性控制器的输入,致动器的输入电压为一致性控制器的输出。推导压电智能结构振动控制方程,以两边简支的压电智能梁为数值算例,建立动力学有限元模型,数值结果表明CPID控制方法能够有效控制压电智能结构的振动,当某些传感器失效时,对比集中式PID控制,系统在CPID控制下仍然能保持较好的控制效果。     

风洞模型加速度负反馈振动主动控制方法研究

针对尾撑式风洞模型强方向性振动问题,基于异位配置加速度负反馈控制器对风洞模型振动主动控制方法进行研究。首先,通过模态分析得到系统低阶模态振动的强方向性并基于系统特性设计了具有结构耦合性的内嵌压电陶瓷作动器的风洞模型振动主动控制系统。然后,基于异位配置NAF控制器分别设计了针对第二阶模态和前两阶模态的单模态NAF控制算法和双模态NAF控制算法。最后,进行了实验验证,结果表明:双模态NAF控制算法控制效果较好,前两阶模态阻尼比分别提高近13倍和近40倍,镇定时间分别缩短近11s和近26s。     

基于硅油减振器的螺纹旋风铣削刀盘系统抑振研究

螺纹旋风铣削的多刀具断续切削方式将加剧刀盘与工件间的交互冲击,引起刀盘系统的扭振,影响加工质量。以旋风铣削刀盘系统为研究对象,针对其在周期性切削力矩下发生扭振的特点,提出在铣削刀盘上安装硅油式减振器的抑振方案,进而建立基于硅油式减振器的旋风铣削刀盘系统动力学模型,对模型进行幅频特性分析,并对有无减振器两种方案下旋风铣削刀盘系统的动力学响应特性进行分析,以研究硅油式减振器对旋风铣削刀盘系统的减振效果。结果表明：硅油式减振器可有效地减小旋铣刀盘系统在不同切削频率下的振幅。当系统发生共振时,基于硅油式减振器的旋铣刀盘系统的响应幅值可降至7.10×10-4rad,降低了刀盘系统的扭振对螺纹工件加工质量和刀具寿命等的影响。     

压电智能结构振动的一致性PID(CPID)控制

将一致性控制方法和PID控制方法的基本思想相结合,提出了一种适用于压电智能结构振动控制的一致性PID(Consensus-PID,CPID)控制方法。该方法将系统输出偏差作为PID控制器的输入,PID控制器的输出及其在采样周期内的变化量作为一致性控制器的输入,致动器的输入电压为一致性控制器的输出。推导压电智能结构振动控制方程,以两边简支的压电智能梁为数值算例,建立动力学有限元模型,数值结果表明CPID控制方法能够有效控制压电智能结构的振动,当某些传感器失效时,对比集中式PID控制,系统在CPID控制下仍然能保持较好的控制效果。     

电动式主动吸振技术研究

研制了一种电磁式主动吸振器,并将之与被动双层隔振系统的结合形成组合减振装置,针对船舶柴油机的振动特点,开发了基于MLMS算法的自适应控制器,进行了数值仿真及模拟柴油机要机台架减振效果振,试验结果表明,该装置对复杂振动具有良好的控制控制效果。     

复合运动激励下吊装多体系统振动分析与联合控制EI北大核心CSCD

建立了针对吊装系统在复合运动激励下的多体动力学模型,并给出了系统振动抑制的联合控制方法。以回转和变幅角速度为系统输入,分别利用做大范围运动的弹簧质量阻尼系统和空间悬吊系统描述吊臂弹性振动和吊物摆动,基于拉格朗日方程,采用递推列式法推导并给出了吊装多体系统5自由度空间运动方程。分别采用输入整形法和比例微分反馈控制法对吊物空间摆动及吊臂弹性振动进行振动控制,根据系统耦合振动特性,设计了能同时抑制吊臂振动和吊物摆动的联合控制器。系统振动分析及联合控制结果表明,所构建的动力学模型能有效分析回转和变幅复合运动激励下吊装多体系统的动力学特征,相比传统输入整形控制法,所设计的联合控制器对吊装多体系统的振动抑制效果得到较大提升。     

单激励纵扭复合超声铣削系统研究

针对切削、焊接过程中超声复合振动能获得较高加工质量、效率及有助于延长刀具使用寿命,研究分析纵扭复合超声铣削系统运动特性及切削轨迹特征;基于斜梁振动原理,提出加工工艺简单、制造成本低的斜梁式超声变幅杆,并利用有限元软件ANSYS进行结构动力学分析, 证实通过单向激励可产生纵扭复合振动;应用研制的纵扭复合超声振动铣削系统对碳纤维复合材料进行切削试验,获得较好加工效果,从而验证理论分析与数值模拟结果的正确性。