（机械制造及其自动化专业论文）利用磁流变阻尼器抑制车床刀架振动的理论研究与仿真.pdf

at h e s i si nm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n t h e o r y r e s e a r c ha n ds i m u l a t eo fr e s t r a i n l a t h e ，st o o l p o s tv i b r a t i o ni nm r d a m p e r b y l iq i a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rh um i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 1 0 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名夕勿歇 日期：切办么 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年酉一年半口两年口 学位论文作者签名菇褫 签字日期：叫以多、 导师签名：召辋哈 签字日期：2d p 、 东北大学硕士学位论文摘要 利用磁流变阻尼器抑制车床刀架振动的理论研究与仿真 摘要 机床切削振动一直是制约机械加工质量的最重要的因素之一，其控制已经得到广泛 关注。本文首先通过对各种减振方法的比较，说明磁流变液( m r f ) 在车床刀架减振中的 优越性，并将其引入切削振动的抑制过程，由于磁流变液制成的阻尼器结构简单、响应 速度快、功耗低、阻尼力大且连续可调，是一种典型的可控流体阻尼器，适用于振动控 制，有取代传统减振器的发展趋势。目前在振动控制中经常采用的是半主动振动控制， 这是由于半主动控制无需附加能源、具有能耗低、容易实现等特点决定的。在安装有磁 流变阻尼器的减振系统中，通过改变输入电流改变阻尼力或者改变阻尼器的阻尼系数， 可实现车床刀架减振系统的半主动控制。 其次对车床刀架振动抑制进行理论分析，根据磁流变材料在振动中的应用，对磁流 变阻尼器进行了物理建模，利用非牛顿流体修正的宾汉姆模型，建立了该阻尼器的力学模 型。利用该模型绘制和分析了位移阻尼力和速度阻尼力之间的关系曲线，从而 证明了该模型的正确性，同时也为设计车床刀架减振模糊控制系统提供了较为准确的模 型。 最后，以车床刀架系统为研究对象，建立了车床刀架振动抑制的数学模型，然后从 模糊控制的理论知识出发，对模糊控制器的设计方法和模糊控制的实现方法进行了分析 和研究，接着，利用模糊控制理论，应用m a t l a b 软件及其s i m u l i n k 进行仿真。本文 给出了模糊控制规则表，设计了模糊控制器，建立了模糊控制系统。通过对模糊控制系 统的仿真分析，比较被动控制和基于模糊控制的半主动控制下车床刀架减振系统的减振 效果。结果表明：基于模糊控制的半主动控制能很好的抑制车床刀架的振动；同时也证 明本文中模糊控制方法的有效性。 关键词：车床刀架；m r 阻尼器；振动；模糊控制；m a t l a b s i m u l i n k 东北大学硕士学位论文 a b s tr a c t t h e o r yr e s e a r c ha n ds i m u l a t eo f r e s t r a i nl a t h e st o o lp o s tv i b r a t i o n i nm r d a m p e r a bs t r a c t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c e dt h em a c h i n i n gq u a l i t y , m a c h i n e c u t t i n gc h a t t e rh a sa r o u s e de x t e n s i v ec o n c e m i nt h ed i s s e r t a t i o n ，v i ac o m p a r ed i v e r s i f i e d v i b r a t i o nr e d u c t i o nm e t h o d s ，a n dt h em rf l u i di sa p p l i e dt ot h ec h a t t e rs u p p r e s s i o n b e c a u s e t h em a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i dd a m p e rh a sa d v a n t a g e so fc o m p a c t n e s s ，l o wp o w e rr e q u i r e m e n t s ， w i d ed y n a m i cr a n g e sa n df a s tr e a c t i o n i ti sat y p i c a lc o n t r o l l a b l ef l u i dd a m p e r i ti ss u i t a b l e f o rv i b r a t i o nc o n t r o la n dh a sd e v e l o p m e n tt r e n do fd i s p l a c et r a d i t i o n a lv i b r a t i o nr e d u c t i o n d a m p e r s e m i - a c t i v ec o n t r o li so f t e nu s e di nv i b r a t i o nr e d u c t i o n ，t h e r ea r es o m ea d v a n t a g e si n s e m i - a c t i v ec o n t r o l ，w i t h o u te n e r g ys o u r c e ，e a s yg o i n g ，e t c s e m i - a c t i v ev i b r a t i o nr e d u c t i o n c o n t r o li se f f e c tb yc h a n g i n gi n p u te l e c t r i cc u r r e n to rt h ed a m pc o e f f i c i e n to fl a t h e st o o lp o s t v i b r a t i o nr e d u c t i o ns y s t e m t h e n ，t h e o r e t i c a la n a l y s i so fl a t h e st o o lp o s tv i b r a t i o nr e d u c t i o nb a s e do nt h ea p p l i c a t i o no f m rm a t e r i a li nv i b r a t i o n ，a n dp h y s i c a lm o d e l i n go fm rf l u i dd a m p e rh a v eb e e nm a d ei nt h e a r t i c l e m rd y n a m i cm o d e li so b t a i n e db yu s i n gt h ea m e n d a t o r yb i n g h a mm o d e l ，t h ed e s i g n p a r a m e t e ro fd a m p e ra n da n a l y s er e l a t i o nc u r v eo fd i s p l a c e m e n t 、析t hd a m pf o r c ea n ds p e e d 砸t 1 1d a m pf o r c e ，p r o v et h ev a l i d i t yo ft h em o d e l ，a tt h es a m et i m e ，p r o v i d ee x a c tm o d e lf o r d e s i g nl a t h e st o o lp o s tv i b r a t i o nr e d u c t i o nf u z z yc o n t r o ls y s t e m f i n a l l y , b a s e do nr e s e a r c ho b j e c to fl a t h e st o o lp o s ts y s t e m ，b u i l tt h em a t h e m a t i c sm o d e lo f r e s t r a i nl a t h e st o o lp o s tv i b r a t i o ni nm rf l u i dd a m p e r t h ef u n d a m e n t a lt h e o r yo ft h ef u z z y c o n t r o li si n t r o d u c e di nt h ea r t i c l e a n dt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o do ft h ef u z z y c o n t r o l l e ra r ea l s od i s c u s s e da n dr e s e a r c h e d b a s e do nf u z z yc o n t r o lm e t h o d ，a n ds i m u l a t e db y m a t l a ba n ds i m u l i n ks o f t w a r e t h ef u z z yc o n t r o lr o l e sa r el i s t e da n dt h ef u z z yc o n t r o l l e ri s d e s i g n e d s i m u l a t e db ys i m u l i n k ，t h el a t h e st o o lp o s tv i b r a t i o nr e d u c t i o nr e s u l tc o m p a r e d p a s s i v ec o n t r o lw i t hs e m i - a c t i v ec o n t r o lb a s e do nf u z z yc o n t r o la r ep r e s e n t e d i ti si n d i c a t e d t h a ts e m i - a c t i v ev i b r a t i o nr e d u c t i o nb a s e do nf u z z yc o n t r o lh a sa na d v a n t a g ei nr e s t r a i nl a t h e s t o o lp o s tv i b r a t i o na n dp r o v ef u z z yc o n t r o lt a k e sa ne f f e c t i v ep e r f o r m a n c ei nl a t h e st o o lp o s t i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t l a c t v i b r a t i o nr e d u c t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：l a t h e st o o lp o s t ；m rd a m p e r ；v i b r a t i o n ；f u z z yc o n t r o l ；m a t l a b s i m u l i k i v 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 2 机床振动的研究1 1 2 1 机床振动的危害1 1 2 2 机床减振的方法2 1 2 3 机床减振技术的发展研究2 1 3 磁流变技术的研究及应用5 1 3 1 国外研究现状5 1 3 2 国内研究现状6 1 4 本文研究内容及意义7 1 4 1 研究内容7 1 4 2 研究意义7 第2 章m r f 抑制车床刀架振动的理论研究9 2 1 概述9 2 2 车床刀架振动抑制的理论分析9 2 3m r 材料在振动控制中的应用1 1 2 4 磁流变材料的振动控制结构1 2 v 东北大学硕士学位论文 目录 2 4 1 工作原理12 2 4 2 工作模式1 2 2 5 本章小结1 4 第3 章磁流变阻尼器的建模1 5 3 1 概述15 3 2 磁流变阻尼器力学模型15 3 2 1b i n g h a m 模型16 3 2 2b o u c w e n 模型l7 3 2 3 非线性模型l8 3 3 磁流变阻尼器模型仿真及分析18 3 4 控制阻尼力的计算2 3 3 5 本章小结2 6 第4 章车床刀架系统建模与模糊控制2 7 4 1 概述2 7 4 2 车床刀架减振系统的数学建模2 7 4 3 模糊控制及其选择原因3 0 4 3 1 模糊控制3 0 4 3 2 选择模糊控制的原因3 0 4 4 模糊控制器的设计3l 4 4 1 确定模糊控制器的输入和输出变量3 2 4 4 2 输入输出变量的模糊化3 3 4 4 3 模糊控制规则的建立3 7 4 4 4 模糊推理和解模糊化3 7 4 5 本章小结3 8 v 1 东北大学硕士学位论文 目录 第5 章系统的减振仿真与结果分析3 9 5 1 概述3 9 5 2 仿真技术3 9 5 2 1 仿真的概念3 9 5 2 2 仿真的种类3 9 5 2 3 仿真的三要素4 0 5 2 4 仿真的一般过程4 0 5 3m a t l a b s i m u l i n k 介绍一4 0 5 4 基于m a t l a b 车床刀架减振的模糊控制器钳 5 5 建立车床刀架减振仿真模型4 4 5 5 1 被动控制仿真模型4 4 5 5 2 不同输入电流下的半主动控制4 6 5 5 3 模糊半主动控制的仿真模型4 8 5 5 4 仿真结果及分析5 0 5 6 本章小结5 4 第6 章总结和展望5 5 6 1 工作总结5 5 6 2 工作展望5 5 参考文献5 7 致谢6 1 附录6 3 v i i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 前言 第1 章绪论 随着现代生产技术的发展，机床行业面临着高精度、高速度、高效率和被切削材料 多样化的要求，对零件的加工质量的要求也越来越高，在金属切削过程中，机床振动产 生的影响极大。正确的解决这一问题，不仅可以提高机床的加工质量和生产效率，而且 可以做到合理利用金属材料，收到良好的技术和经济效果。 机床的性能不仅决定于机床本身的设计和制造，而且还决定于工件的设计，工序的 选择，刀具的型式和设计，切削条件，刀具和工件夹紧装置的性能，以及在加工过程中 工作条件的可能变动等等，这些变动可能是由于切削过程本身引起的，如刀具磨损、温 度变化等等。机械制造业是国民经济最重要的部门之一，它的发展状况是衡量国家技术 力量的重要标志。尤其是在精密加工过程中，要求机床工作极其平稳，振动极小，否则 很难保证获得较高的加工精度和超光滑的表面质量。因此，机床减振就成为加工中保障 加工质量的关键技术之一。 1 2 机床振动的研究 1 2 1 机床振动的危害 近年来，由于对加工领域研究的不断深入，使广大研究者更加清晰地认识到切削过 程中引发的振动现象是制约切削加工水平提高的一个重要因素。振动的主要危害有以下 几个方面【l 】： ( 1 ) 在工件的加工表面留下振痕，严重影响机械零件的使用性能，甚至会使加工产 品中产生废品： ( 2 ) 由于振动的周期性，使得机床切削加工系统的各个组成环节承受较大的交变载 荷，破坏机床的连接特性，降低设备的使用寿命，严重时会使切削加工无法继续进行； ( 3 ) 加剧刀具的磨损，严重时将产生崩刃，损坏被加工工件； ( 4 ) 为了避免减小切削，有时不得不以降低切削量为代价，致使机床、刀具的工件 性能得不到充分的发挥，限制了机械加工生产率的提高； ( 5 ) 机床切削振动会产生一种刺耳的尖叫声，造成噪声污染，损害操作者的身心健 康。 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 2 机床减振的方法 机床的抗振性问题，是在力学基础上结合机床结构的特点而发展起来的一个技术理 论问题。可以看出它还不完全成熟，其中有些问题到目前为止解决的也不够彻底和完善， 还有待进一步地研究、探讨和发展。 多年来，关于机床振动的研究一直以振动控制为目的，国内外已经有大量的文献与 不少的振动控制方法【2 引。这些方法归纳起来主要有以下三个： ( 1 ) 机床的结构改进与优化设计的预防方法； ( 2 ) 采用吸振器或者附加装置的控制方法； ( 3 ) 调整机床切削参数的控制方法。 第一种方法主要是以增加机床结构的刚度和阻尼为手段，进行机床振动的预防；第 二种方法分为被动控制减振器、主动控制减振器和反馈控制减振器，其中，被动控制减 振器是基于两自由度振动系统的原理，在机床结构的主振动部位增设一个附加的振动系 统，把主振动的振动能量转变为附加系统的运动能量，从而抑制主振部位的振动，但这 种被动型减振器的参数一经设置便不可再调，只能适用于特定的机床与工艺条件。主动 型控制减振器是通过检测装置检测出机床切削系统的动态特性，自动优化并调整减振器 的参数，以达到最佳的控制效果，但这种方法往往需要的系统成本很高，结构大且较复 杂，实际应用不方便。反馈控制减振器是应用控制理论从外部提供能量进行主动补偿控 制，其中应用较多的是采用激振器施加一个与振动同频率、同振幅、但反相位，或施加 与动态切削力同频率、同幅值、但反相位的激励力，以抵消刀具与工件之间的相对运动。 上述控制方法都需要对机床结构附加一套吸振或消振装置。第三种方法，主要是实时调 整切削参数，如主轴转速、进给量、切削速度、刀具几何形状和工件材料等等，其实质 就是改变机床切削刚度与切削阻尼，以抑制振动。其中切削深度的减小常常被认为是最 有效的振动抑制的方法，其缺点就是需要的更多的走刀次数，大大降低了加工效率。从 此理论分析和实验研究表明，进给量的增大会减小与切削过程稳定性密切相关的重叠系 数和切肖j g l u 度系数，尤其是在设定的进给量较小时，增大进给量确实有利于减振，但同 时也加大了工件j j n - f 表面的粗糙度。 1 2 3 机床减振技术的发展研究 机床减振可以分为两类【3 】：相对减振和绝对减振。它们决定于吸收能量的原件。例 如：它可以是一个活塞上带有- d , 孑l 的油缸。当活塞运动时，油被迫流过小孔，小孔的 作用是吸收动能的阻力。作为相对减振器，油缸是装到一个零件上，活塞装到另一个零 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 件上，两个零件相对的振动。如图1 1 ( a ) 所示是减振器装在工件与车床床身之问的情况。 随着阻尼比d 增加，工件的动态刚度也增加。 如果不方便或者不可能把减振器引入到原振动系统的两个质量块之间，那就要采用 一种绝对减振器，如图1 1 ( b ) 所示，原系统由质量粥和弹簧墨代表。附加系统m ：、k 2 连 接到质量m ，上，而把能量吸收元件吐安排在质量粥和m ，之间。为了取得减振器的最佳 效果，必须按照以后将要说明的规则选择破的阻尼系数和减振器的固有频率哎m 2 。 能量可以用几种方式吸收：采用干摩擦，粘性摩擦，塑性摩擦材料的内摩擦和非完 全弹性体的冲击。 a j ( b ) 图1 1 减振器的不同位置 f i g 1 1t h ed a m p e r 。d i f f e r e n tp o s i t i o n 。 越 干摩擦，简单一点说，对于干摩擦可假定摩擦力等于法向力和摩擦系数的乘积，。并 且和相对运动的速度无关。在实际的机床内，某些地方存在干摩擦，而在另外一些地方 则是粘性摩擦或材料内阻尼。为了使干摩擦式减振器能很好的起作用，需要按照振幅调 节摩擦，或者调节法向力，或者为接触面选择合适的表面粗糙度或合适的材料。在实际 机床内，阻尼的主要部分来自于干摩擦。因为在机床结构的许多地方都出现，而总的阻 尼力为不同摩擦力的组合，结果并不像它在单个阻尼元件时那样不利。 粘性摩擦，已经提到过能量吸收元件的一种型式是液压油缸和带小孔的活塞。这种 元件的改进设计是将质量块悬挂在壳体充满液体的空穴里的弹簧上。如果质量发生振动， 液体就被迫流过质量块和壳体之间的微小间隙。阻尼系数的数值决定于间隙的尺寸和液 体的粘度。为了使减振器具有可靠的作用，需要保证这一装置完全密封并且采用一种粘 度不大随温度变化的液体。 高内阻尼材料，某些材料具有高的内阻尼，所以很适于做减振器。当受力后，在它 们内部不仅发生弹性变形，还发生塑性变形，因而也能消耗能量。这种材料应用于绝对 减振器中，同时兼有作为弹簧元件与能量吸收元件，通过改变它的形状、尺寸和塑性材 料的种类，就能独立地对这种元件的刚度和阻尼系数加以调节。 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 传统的减振器大多为摩擦式，但这种被动式的阻尼器只适应于特定的机床和工艺条 件的情况，一旦刚度和阻尼参数被确定后不能再改变，不能进行实时的控制，具有一定 的弊端。 多年来，对于机床切削时产生的振动的抑制研究，国内外许多的学者已经进行了一 些有效控制切削振动的途径【i 4 j ：最常用的就是实时( 或在线) 的改变切削参数，此外在 线调整机械加工系统的动态特性、在线启用附加的减振装置，其中实时改变切削参数和 在线启用附加的减振装置实质上就是实时( 或在线) 调整机床切削系统的动态特性，而 切削刚度和切削阻尼是影响机床切削系统动态特性的两个最为根本的动力学参数，适当 的增大阻尼和刚度对各种不同类型的机床切削振动均有抑制效果【6 8 】，这是其他机床切削 振动控制技术所无法比拟的，这种控制方法越来越受到广大研究者的青睐。但目前通过 调整系统阻尼来控制切削振动的方法中，有的由于结构确定后阻尼参数就不能改变而难 以适应切削状态的变化，有的则因调整后阻尼的响应速度较慢或因结构庞大而不能在实 际生产中推广应用。因此，如何通过实时在线的改变机床切削系统的刚度和阻尼来调整 系统的动态特性从而达到抑制振动的目的成为大家关注和亟待解决的问题。 近几年来随着智能材料的发展，逐渐的被应用于机床切削振动的控制，已经有不少 成功的实例。此类的智能材料应用于工程中的主要有压电高分子材料、电阻式元件、电 流变材料、磁流变材料等【9 】，利用智能材料制成的减振器能够实时的改变系统的刚度和 阻尼，可以起到在线控制的效果。其中比较具有代表性也应用较多的是电流变液和磁流 变液。这其中以采用电流变液较多，例如王民 7 , 8 1 等在1 9 9 8 年应用电流变材料设计了智 能镗杆。它可以通过调节施加于电流变材料上的电场强度来改变整个镗杆的动态特性， 并借以抑制切削振动。又如于骏一【1 8 】等人2 0 0 0 年采用电流变减振器用于铣床振动控制， 电流变减振器的刚度和阻尼随外加电场强度的增加而增大，主振系统的振幅随电场强度 的增加而减小，实验表明电流变减振器具有抑制效果明显、结构简单的特点。因为当电 场施加于电流变材料时，其形态可以从液态向固态转变，并且转变是迅速的、毫秒级的 和可逆的，可以根据外部条件的变化快速的改变它的材料特性，因此这种控制方法具有 实时控制的优点。但是由于电流变液在实际应用中需要较高的控制电压，危险系数大， 成本高，不容易实现。 磁流变材料和电流变材料二者的性能在许多方面都很相似，但磁流变液所制造的装 置具备更多的有剧2 6 1 ，如在相同的耗电功率下，液体可达到的剪切屈服应力比电流变液 体大一个数量级。这一特点使其在产生较大的力和减振效果的前提下，用磁流变液制成 的减振器的体积要小很多。液体对磁场的响应时间在毫秒甚至微妙之间，磁场越强，粒 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 子链中各相邻粒子间的吸引力越大，粒子链越稳定，抗剪切能力越强，这种变化是连续 的。采用m r ( 磁流变) 液体制成的装置所需要的能源很低，且其工作电压只需要2 - 2 5 v ， 从而避免了电流变体的工作电压高达几千伏而带来的危险和不便。 1 3 磁流变技术的研究及应用 就在1 9 4 7 年美国学者w i n s l o w 发现电流变材料的第二年，美国学者r a b i n o w 就发 现了磁流变材料。但在随后的研究中，人们对电流变材料及应用的研究给予了很大的关 注度。进入2 0 世纪8 0 年代末期，各国学者相继发现了电流变材料的剪切应力小等缺点， 对于要求较高的一系列技术问题难以解决，因此，人们又将注意力转移到磁流变学的研 究上来。 磁流变液的工作是依靠基液中的均匀分布的可极化微粒来进行的。磁流变液可以看 成是电流变液的磁模拟。关于流变现象的详细机理至今还没有十分明确，一般认为是粒 子在磁场中产生极化效应而导致流变的。无磁场作用时，粒子自由分散在基液中，整个 液体表现为牛顿流体行为，可自由流动。当有磁场作用时，这些粒子表面出现极化现象， 形成偶极子，并相互吸引，克服热运动而沿着磁场方向在n 极和s 极之间形成粒子链从 而产生了抗剪切力的作用，外观表现为粘稠的特性，即液体的表观粘度增大。液体对磁 场的响应时间在0 1 1 m s 之间，磁场越强，粒子链中各相邻粒子间的吸引力越大，粒子 链越稳定，抗剪切能力越强，这种变化是连续的。当磁场增至一临界值时，偶极子相互 作用超过热运动，则粒子热运动受缚，此时磁流变液呈现出固体特性，这时的屈服剪切 应力可达几十千帕。这一固液两相转变过程及液体粘度变化是可逆的。当磁场减小或者 消除后，磁流变液又恢复到牛顿流体的自由流动状态。磁流变液由人工方法合成，集流 体流动性和固体属性于一体，其流变特性，如粘度、塑性、弹性等可通过调节外加磁场 而改变，使其成为可控流变体，这一特点使其在工程应用中受到了广泛关注和高度重视。 1 3 1 国外研究现状 进入上世纪9 0 年代以后，各主要工业国家都在竞相发展磁流变技术。研究最多的有 美国、白俄罗斯、法国、德国和日本等。许多大公司也纷纷资助这一技术的研究与开发， 促进了这一技术的产品化与商业化。 美国的l o r d 公司在磁流变液的研制和应用上处于国际领先地位。他们研制的磁流变 液及这种装置己应用于商业生产中。l o r d 公司在1 9 9 5 年的第五届国际电流变液、磁流 变液及其相关技术讨论会上，展示了一种应用磁流变液生产的卡车座位减振器，这种减 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 振器可以直接代替普通减振器，使卡车座位的振幅减小2 0 到5 0 ，大大减小了卡车司 机在矿山等崎岖道路上驾车的危险【】制。 由于磁流变液制成的减振器可以在较复杂的环境下工作，而且受杂质的影响比较小， 适合应用于土木工程结构，因此在土木界也受到了高度重视。l o r d 公司的c a r l s o n 和美 国的n o t r e d a m e 大学的s p e n c e r 在1 9 9 6 年设计并制造了长行程的2 0 0 k n 的磁流变液减 振器。这个减振器在速度为1 0 c m s 的时刻，最大阻尼力和最小阻尼力之比可达1 0 倍左 右，并且此减振器耗电很小，最大功率为2 2 w 。通过对建筑物模型进行分析，可以使三 层高的建筑物的第三层地板位移响应减少了7 4 5 ，加速度响应减少4 7 6 。 白俄罗斯热传质研究所及其在美国纽约的b y e l o c o r ps c i e n t i f i c 公司和q e d t e c h n o l o g i e s 公司的k o r d o n s k i 等人自1 9 8 2 年以来就致力于磁流变液性能及应用的研究， 成果颇多，尤其是以磁流变液为基础的光学抛光、密封等方面取得了重大进展。法国n i c e 大学的b o s s i s ，c u t i l l a s 和l e m a i r e 等人在磁流变液的机理研究，特别是微观结构分析方 面作了很多工作。德国b a s f a g 的k o r m a n n 等人已研制出了稳定的纳米级磁流变液。 1 3 2 国内研究现状 在我国，对磁流变液的研究起步较晚。在磁流变液减振器方面，上海交通大学的汪 建晓，孟光等人分析了磁流变液减振器的四种非线性模型，即b i n g h a m 模型，非线性双 粘性模型，非线性滞回双粘性模型以及b o u c w e n 模型。将试验结果和理论值进行比较 发现，b i n g h a m 模型只适用于小阻尼情形，磁流变液减振器在低频时效果很好l l 2 。 重庆大学的廖昌荣、杨建春、陈伟民、黄尚廉等人对汽车用磁流变液减振器做了很 多研究。他们对影响磁流变液减振器性能的因素、设计准则、阻尼通道的设计、磁芯材 料的选择、阻尼力的计算以及体积补偿等问题做了深入的研究。他们按照长安微型汽车 的技术要求设计了磁流变液减振器，并根据长安微型汽车前悬架减振器的技术条件进行 了试验测试1 6 1 。 南京航空航天大学的郭大蕾、胡海岩等人对磁流变液减振器在车辆悬架半主动控制 中的应用做了一定的研究【1 4 】。周丽、张志诚运用神经网络技术建立m r 阻尼器的神经网 络模型来模拟其逆向动特性，并设计与之相适应的动控制系统。建立起基于m r 阻尼器 的结构振动控制的有效性分析方法。通过数值仿真结果探讨所提出的结构控制策略的有 效性【1 6 】。 中国科学技术大学唐新鲁对磁流变液机理的若干问题进行了研究，对挤压模式磁流 变阻尼器进行了测试与建模。金昀等人研制了两套磁流变液屈服应力测试系统，对比测 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 试表明，碟片旋转剪切式磁流变液测试系统的测试结果与目前国际上唯一商品化的德国 生产的m r 1 0 0 - 4 5 0 磁流变液测试系统的测试结果比较吻合，实验重复性好。 1 4 本文研究内容及意义 1 4 1 研究内容 本文研究对象是利用磁流变阻尼器来抑制车床切削振动的控制系统，该阻尼器由智 能型材料磁流变液为主体，在外加磁场的作用下，当磁流变液流经环形通道时，由 于环形间隙的作用，阻尼器阻尼力输出随磁流变液的粘度变化会产生较大的阻尼力变化 从而来减少车床刀架振动。 ( 1 ) 对机床振动进行了研究，分析了机床振动的来源、危害并介绍了机床减振的方 法，根据各种机床减振方法的优缺点，引入智能材料磁流变液，同时联系本文针对 车床刀架振动进行理论分析。 ( 2 ) 对磁流变阻尼器进行阻尼特性理论仿真。从磁流变液的流变特性，利用非牛顿 流体宾汉模型建立该阻尼器的力学模型并进行仿真，得出该阻尼器阻尼力位移关系 和阻尼力速度关系，根据仿真结果验证本文所建模型的准确性。 ( 3 ) 建立车床刀架减振系统的数学模型，基于模糊控制理论，建立了模糊控制器， 加入相应的控制算法，利用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 对所建数学模型进行仿真分析， 验证车床刀架的减振效果。 1 4 2 研究意义 车床进行切削加工时，工作的稳定性与精确性对工件的加工质量是至关重要的，而 刀架的振动直接关系到这两点是否理想，因此车床工作时刀架的稳定性正逐渐成为研究 的重点。随着工业水平的不断提高，人们对于工件的加工精度要求也越来越高，若能根 据车床加工时刀架的振动情况实时的调节阻尼力，这将大大提高车床刀架的稳定性和工 件的加工质量。 对机床减振的研究，引入性能较好的磁流变液。由于磁流变阻尼器的受控参数主要 为外加到磁流变液上的磁场强度，随不同的磁场场强度可实现连续变化的粘度值，因此 可获得连续可调的阻尼力输出。在外加磁场的作用下，阻尼力可在几毫秒之内实现连续 调节，加入相应的控制算法与计算机结合，可实现车床刀架减振系统的在线半主动控制， 并且可以随外加振动激励的变化输出与之匹配的阻尼力。同时因为半主动控制无需很大 的附加能源，具有能耗较低和容易实现的特点，所以非常适合磁流变阻尼器对车床刀架 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 系统的减振。 通过对车床振动控制的研究，提出相关方法来抑制车床刀架的振动，较好的解决了 车床刀架振动抑制的智能控制问题，从而提高切削加工时的精度和质量，应用前景较好。 东北大学硕士学位论文 第2 章m r f 抑制车床刀架振动的理论研究 第2 章m r f 抑制车床刀架振动的理论研究 2 1 概述 车床进行工作时会产生多方面的切削振动，有主轴的振动、连接处的振动、刀具的 振动等等，这些振动都会对加工精度和加工质量产生影响。传统的减振已经无法满足现 代加工的需求，对于车床的振动，可提高主轴、主轴轴承、尾架、尾架套筒和顶尖的刚 度来减小，但是，有必要根据相对于振动系统的切削过程方位，来寻找提高稳定性的可 能性。在车床进行切削加工时，最直接和最明显的振动则是刀具与工件的相对振动，因 此抑制它们之间的相对振动是最直接、最有效的控制方法，所以本文以控制车床刀架的 振动为对象进行研究。 2 2 车床刀架振动抑制的理论分析 本文以车床刀架部件装置为研究对象，其刀架部件由方刀架、小拖板、中拖板、转 盘及床鞍五部分组成，如图2 1 所示。 图2 1 车床刀架部件简图 f i g 2 1l a t h e st o o lp o s tp a r t s 由第一章的分析可知，金属切削机床在使用中经常会遇到强烈的振动，这些振动使 加工表面产生波纹，并且使切削力发生剧烈变化，因而危害到机床和刀具的寿命，因此 提高机床稳定性是主要的研究内容。 当考虑机床性能对颤振的影响时，刚度的重要性必须占头等地位。相当普遍地认为， 提高机床某一部分的刚度，会使机床稳定性增加，但是应当认识到，加强机床的不同部 东北大学硕士学位论文第2 章m r f 抑制车床刀架振动的理论研究 位，对稳定性的影响是不同的。刀具与工件问的综合刚度作为判断影响稳定性的准则是 不能接受的。以本文为例，在车床上增加主轴及其安装刚度，对稳定性有巨大影响，但 刀架刚度的任何变化，却只有一点微小影响1 3 。因此，本文以车床刀架为研究对象来抑 制其振动，从而提高车床切削工作时的稳定性。 由机床减振方法中可知，其中有一种为采用吸振器或者附加装置的控制方法，该方 法是利用吸振或减振器来抑制机床工作时产生的振动。该方法分为被动控制减振器、主 动控制减振器和反馈控制减振器，其中，传统的减振器为被动式减振器，例如摩擦式减 振器，这种减振器只适用于一定条件下的减振，不能实时的改变机床的阻尼和刚度，对 于车床刀架减振控制来说具有很大的局限性；主动型控制器往往成本较高结构庞大，应 用不便；反馈控制是施加一同频率、同振幅但方向相反的激励力，以抵消刀具与工件之 间的相对运动。 机床减振的另一种方法是在线调整机床切削参数的控制方法，在机床参数不变的切 削条件下，主要是切削宽度小时，不出现振动，切削过程是稳定的，减少切削速度或者 降低进给量都能够使车床工作时稳定，但同时也会使车床工作效率大大降低，为保持其 加工效率同时又能抑制振动则需要在线调整切削参数，它主要包括调整主轴转速、进给 量、切削速度、刀具几何形状等等，实质就是改变切削刚度与阻尼，实现在线监测并实 时的控制方式。车床刀架在线检测并实时控制减振的装置如图2 2 所示。 电嚣 图2 2 车床刀架减振装置 f i g 2 2l a t h e st o o lp o s tv i b r a t i o nr e d u c t i o nd e v i c e 由第一章中对机床减振技术的发展研究可知，随着材料的不断发展，智能型材料逐 步的应用于机床减振，其中具有代表性的为电流变液和磁流变液：第一种为电流变液， 1 0 东北大学硕士学位论文 第2 章m r f 抑制车床刀架振动的理论研究 它的工作原理是通过施加电流产生电场，电流变液减振器的刚度和阻尼随外加电场强度 的增强而增大，被控系统的振幅随电场强度的增加而减小，电流变减振器具有结构简单、 抑制效果明显等特点。当电场施加于电流变材料时，其形态可以从液态向固态转变，并 且转变是迅速的、毫秒级的和可逆的，可以根据外部条件的变化快速的改变它的材料特 性，因此这种控制方法具有实时控制的优点。但是由于电流变液在实际应用中需要很高 很强的控制电压，危险系数大，成本较高，不容易实现；第二种是磁流变液，磁流变液 是近几十年才开始被重视的一种智能型材料，该材料具有反应时间短( 毫秒级) 、可逆( 液 态与固态之间的相互转化) 等特点，并且其控制电流小( 0 2 a ) ，同时产生较大的阻尼力 足够大，能够满足抑制车床刀架振动的要求，加之较电流变液的强电流具有很高的安全 性。因此本文决定采用磁流变( m r ) 材料制成的减振器对切削过程中车床刀架产生的振动 实施控制。 2 3 凇材料在振动控制中的应用 振动控制的种类多种多样，分为被动控制和主动控制，它们分别通过被动和主动控 制机构来实现。这些机构在振动控制过程中给被动系统提供一个附加的弹性力或阻尼力 作为控制力，从而达到减振的目的。在实际使用中，一个减振系统包含有弹性元件和阻 尼元件。弹性元件起缓冲振动冲击的作用；阻尼元件起耗能的作用，它将机械振动的能 量转变成热能或其它可以损耗的能量。其中把能提供阻尼力的元件称为阻尼器。 被动控制是一种无外加能源的控制方式，其控制力是由控制装置随结构一起振动变 形而被动产生的，其弹性元件的刚度和阻尼元件的阻尼都是不可调的。其主要缺点是对 振动的频域特性非常敏感，当振动超出减振、隔振装置的设计要求时，它的减振、隔振 效果则不能很好的实现；主动控制则是采用外部输入能量的控制方式，根据被控对象的 振动响应来连续的调整控