超精密机床床身隔振的单片机主动控制

课题题目： 超精密机床床身隔振的单片机主动控制

课题来源： 自拟

1.课题研究的意义

    随着社会的进步,制造业发生巨大变化,尤其是控制理论和计算机技术的发展给制造业带来了新的变革。机床技术发展的前景和目标,是能够实现装备制造业的全盘自动化。智能机床的出现,为未来装备制造业实现全盘生产自动化创造了条件。日本Mazak公司对智能机床的定义是:机床能对自己进行监控。智能机床四大智能功能之一就是应用主动振动控制方法,通过自动抑制振动,将机床振动减至最小,减少噪音,提高机床的加工精度、效率。机床的加工精度直接关乎产品的质量,尤其超精密机床的加工水平直接影响着精密仪器仪表、国防工业以及微细工程的发展。因而研究超精密机床床身的精密减振技术,有效地隔离外在的、内在的各种振动干扰影响,提高超精密机床的加工精度,这对我国国防工业和民用工业的发展,增强国家综合实力具有重要意义。

2.国内外研究现状

    我国的机床产量总体规模已居世界前列，我们通过权威资料可以知道我国的机床产量情况: 2005年金切机床产量45万台,为“十五”初的2.4倍;锻压机床产量63万吨,是“十五”初的2.4倍。2005年机床工具全行业工业总产值1260亿元,是“十五”初期的2.5倍,平均年增长约26%,其中金属加工机床产值达到了51亿美元,总体经济规模已超过意大利,跃居世界第三位。其中,数控机床产值从“九五”末的4.9亿美元增加到“十五”末的21.8亿美元,年平均增长34.8%。数控金切机床的产量从“九五”末的1.4万台增加到“十五”末的6.0万台,年均增长达到33.5%。数控机床产量占全部金切机床的比重同时由7.3%增长到2005年的13.3%。同时,数控机床出口占机床出口比重逐年上升,2005年达到28.2%,比2001年上升了13个百分点。长期以来,我国机床工业的状况是机床拥有量大,构成比落后,低档多、中高档少,成套性差 机械化、自动化水平低.劳动生产率低下等。虽然更换机床或者采用高技术隔振手段能够改善我国机械制造业的现状,但是在我国大部分生产企业是私营企业,无法用大量的资金来改善生产条件,更换机床设备投入成本太大,所以在当前环境下并不是很可行。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,但是私营企业无法及时更换高端机床,使得他们的生产技术落后,产品无法适应市场的要求,所以最后这些企业将无法生存。

    在机械加工过程中,振动对零件的精度等技术指标影响最大振动危害极大。振动一直存在,它不仅产生噪声, 影响产品质量、刀具寿命, 也使设备大修理无法按期交付使用量,当今制造业在加工过程中,要达到的加工精度在微米、亚微米以上,因此对加工环境的要求极为严格,其中对于振动的要求便是非常重要的一项。振动从震源传递到地基,再从地基反馈到机床,最后全部在零件的加工精度上表现出来。对于超精密机床的设计与制造,必须高度重视振动的影响,将外在与内在的各种干扰尽可能消除或隔离掉,使机床振动幅度降低,减少传递到地基的振动,并且减少地基反馈到机床的振动,否则很难得到高质量的加工表面。

 因此,减少振动的产生,对控制产品的质量非常关键。尤其对于超精密数控机床使用金刚石刀具进行超精密切削时,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,减振就成为超精密加工中保障加工质量的关键技术之一。精密和超精密加工技术的发展,直接影响尖端技术和国防工业的发展。世界各国都极为重视,投入很大力量进行开发研究。

    现代航空、航天、国防和电子等新技术的兴起,几乎带动所有工业技术的迅速发展。例如,数控机床、加工中心等生产装备机械,汽轮机、水轮机和电机等动力机械,汽车、船舶、飞机等交通运输工具,航天发射器、武器发射系统、核电站保护装置等国防和武器系统等,都向着高速重载的方向发展,其振动与冲击问题已经日益成设计者们所面临的问题。随着科学技术的日益发展,在各个领域,特别是汽车、航空航天以及国防等尖端领域,对于零件的加工精度要求越来越高,这对制造业提出了更加苛刻的要求。尤其是居于重要地位的精密、超精密加工技术,它的发展直接关乎到国家的国防建设。在超精密机床加工中,振动是影响加工质量的关键因素之一,必须予以重视。

1.课题研究的主要内容和方法

（1）布置试验台,实验将采用悬挂法进行测量,由于实验使用机床无法放置在振动台上,所以将机床放在实验平台上并且将平台和机床吊起,在实验平台下放置激振器,整套系统就为一个振动台。在机床的主要振动位,例如:主轴、刀架、床身和顶针等部位放置传感器,传感器具体位置为该部位振幅最大点。激振器保证被放置在整个实验平台的重心位置。

    （2）测试实验通过激振器激励被测试机床,传感器接收数据并传入数据采集仪,最后倒入计算机中,由软件分析得出的固有频率、阻尼比和振型图等模态参数;测试机床空载时不加被动减振器和加了减振器时的振幅和阻尼比,并比较两者的数据。

     (3) 数据分析时,具体数据包括频响函数、振动幅值、傅里叶变换、模态分析和模态模拟,主要通过软件进行分析,由于振型图需要导入机床的三维模型,所以建模比较重要,此次实验机床的建模用了UG和CAD画图软件。UG的模型图主要用来理论分析(ansys软件),CAD的模型图主要在得出实验数据后,在计算机上得出机床一至五阶的振型图。

     (4) 对动力学模型进行适当降阶简化,考虑模型误差和平稳与冲击耦合型载荷的不确定性,建立磁流变在平稳振动与冲击载荷耦合激励下减振系统控制模型。针对平稳与冲击载荷激起的受控结构瞬态振动的特点,将控制的优化指标定为在最坏输入情形下最小化结构的输出响应最大峰值,将响应最大峰值限制在某个允许范围之内,结合传统的基于能量分布的控制策略,研究时域内的鲁棒控制方法。

2.研究过程中的主要问题和解决办法

(1) 本项研究在注重整体理论创新的同时,更重视每一环节的实验求证,求证的结果及时反馈,以改善和修正各研究环节的内容与所采用的方法。从工程应用角度,设计整个系统,为实现振动控制装置的小型化、智能化和一体化奠定基础。

     (2) 设计被动隔振的实验平台(由机床、隔振器、激振器、夹具以及测控系统等设备组成),测试分析各种切削条件下机床结构动态响应,以及各种激振频率下的机床的振动状况。

     (3) 运用模态分析理论和模态测试技术,分析机床的动力学性能;利用系统采集的机床结构自由响应数据,对机床被动减振系统动力学模型参数进行辨识,通过实验研究验证被动隔振装置的有效性。

     (4) 在机床空载下,测试不同被动减振器的减振效率,以及测试每种减振器最适合的工作频率。

1、 丁亮. 主动隔振演示台架研制. 科学出版社2014

2、 刘哲. 主动隔振系统控制器的优化设计. 西安科技大学出版社. 2011

3、 张明明. 超精密机床有源隔振系统研究. 制造技术与机床1999

4、 胡时岳.朱继梅. 机械振动与冲击测试技术. 科学出版社.1997

5、 高明. 单片微机接口与系统设计. 哈尔滨工业大学出版社.1999

6、 张思. 振动测试与分析技术. 清华大学出版社. 1992

7、 车琴香. 朱国良.车床在加工过程中的切削振动分析.机械制造.1995

8、 王义民.防振垫铁与卧式车床的稳定性.制造技术与机床.2003

9、 王加春.超精密机床溜板的振动主动控制系统研究.哈尔滨工业大学.2001

10、盖玉先.董申.李旦.张明明. 超精密机床的振动混合控制.中国机械工程.2000