實(shí)驗(yàn)名稱：基于磁流變阻尼調(diào)控的薄壁件加工抑振研究

研究方向：機(jī)械加工

測試目的：

為實(shí)時(shí)調(diào)控磁流變阻尼效應(yīng)使其彌補(bǔ)薄壁件銑削過程的動(dòng)力學(xué)特性損失，提出使用史密斯-自抗擾控制器調(diào)節(jié)磁流變阻尼的抑振方法。在建立的磁流變-薄壁件系統(tǒng)銑削動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，利用史密斯預(yù)估器與自抗擾控制器結(jié)合的主動(dòng)振動(dòng)控制方法來消除控制過程中時(shí)滯因素和擾動(dòng)的影響。然后通過求解磁流變抑振系統(tǒng)閉環(huán)控制微分方程，分析了史密斯自抗擾控制器的穩(wěn)定性。通過MATLAB/Simulink建立了控制器和抑振系統(tǒng)，分析了史密斯自抗擾的瞬態(tài)控制性能和抗擾能力，并且與PID和自抗擾的控制性能相比較，仿真結(jié)果表明提出的控制方法具有較高的魯棒性和瞬態(tài)控制性能。

為驗(yàn)證基于史密斯-自抗擾控制器的磁流變阻尼調(diào)控抑振方法的有效性，開發(fā)了基于磁流變阻尼調(diào)控的薄壁件銑削振動(dòng)抑制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括薄壁件抑振調(diào)控試驗(yàn)臺(tái)與薄壁件抑振調(diào)控軟件?？刂破鞲鶕?jù)薄壁件的振動(dòng)位移實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)磁流變阻尼，進(jìn)而改變薄壁件動(dòng)力學(xué)特性，從而實(shí)現(xiàn)抑振的目的。最后進(jìn)行了模態(tài)敲擊試驗(yàn)和薄壁件銑削振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于磁流變阻尼調(diào)控的薄壁件抑振方法和史密斯自抗擾控制器能有效地抑制薄壁件銑削顫振。

測試設(shè)備：ATA-304功率放大器、磁流變阻尼抑振設(shè)備、電渦流傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、上位機(jī)（筆記本）、S-ADRC控制器。

實(shí)驗(yàn)過程：

圖：基于磁流變阻尼抑振設(shè)備的薄壁件銑削振動(dòng)控制系統(tǒng)

選擇典型的懸臂式T型板作為銑削振動(dòng)抑制試驗(yàn)的控制對象，開發(fā)了基于磁流變阻尼的薄壁件振動(dòng)控制系統(tǒng)。薄壁件振動(dòng)控制系統(tǒng)包括硬件部分與軟件部分，S-ADRC控制器集成到LabVIEW編寫的薄壁件抑振調(diào)控軟件中，作用到磁流變阻尼抑振設(shè)備上?；诒”诩駝?dòng)控制系統(tǒng)在加工中心進(jìn)行了薄壁件的側(cè)銑試驗(yàn)，通過控制器實(shí)時(shí)調(diào)控磁流變阻尼實(shí)現(xiàn)了懸臂式薄壁件側(cè)銑加工的振動(dòng)抑制。

圖：薄壁件銑削抑振試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置和調(diào)控系統(tǒng)圖

進(jìn)行磁流變阻尼調(diào)控的薄壁件銑削抑振試驗(yàn)，在銑削試驗(yàn)之前需要進(jìn)行一系列試驗(yàn)準(zhǔn)備，比如編寫銑削加工G代碼、安裝磁流變阻尼抑振涉設(shè)備、連接各個(gè)硬件之間電路、調(diào)試程序參數(shù)、攪拌磁流變液等等。

由于試驗(yàn)中選用的是電渦流傳感器測量薄壁件的振動(dòng)位移，考慮到電渦流傳感器線性工作的區(qū)間是0.6-2.6mm，并且與電壓信號(hào)之間的標(biāo)定比例系數(shù)為2.5。傳感器和薄壁件的初始間距設(shè)置為1mm，所以控制器的目標(biāo)值v0設(shè)置為2.5。一切準(zhǔn)備就緒后，開始銑削試驗(yàn)。銑削試驗(yàn)分為兩組，一組是在容器中倒入150ML的磁流變液但是不進(jìn)行磁流變阻尼控制，另一組是在容器中倒入150ML的磁流變液且加工時(shí)施加磁流變阻尼控制。兩組試驗(yàn)切削參數(shù)均選用主軸轉(zhuǎn)速3000rpm，軸向切深2.5mm，徑向切深0.5mm。薄壁件的材料選用鋁7075，厚度5mm。銑刀選用三刃硬質(zhì)合金立銑刀，直徑10mm。

電渦流傳感器被支架固定在工件的非切削側(cè)并且距離工件表面1mm處，另一端連接著數(shù)據(jù)采集卡，采樣頻率為19200Hz。振動(dòng)狀態(tài)被傳輸?shù)娇刂破鳎?jīng)過解算的控制量經(jīng)過采集卡的輸出端傳輸?shù)焦β史糯笃?，被放大之后反饋到磁流變阻尼抑振設(shè)備，抑制工件的振動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

薄壁件切削試驗(yàn)分為兩組，第一組試驗(yàn)切削參數(shù)設(shè)置為主軸轉(zhuǎn)速3000r/min，軸向切削深度2.5mm，徑向切削深度0.5mm，進(jìn)給速度為300mm/min。第一組切削實(shí)驗(yàn)不受磁流變阻尼控制。第二組切削試驗(yàn)參數(shù)選取與第一組完全相同，開啟S-ADRC控制器，根據(jù)采集的振動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整電壓輸出改變磁流變和工藝系統(tǒng)的阻尼特性。兩組切削試驗(yàn)薄壁件振動(dòng)曲線如下圖所示。

圖：切削過程振動(dòng)信號(hào)(a)未施加控制(b)施加磁流變阻尼控制

把兩組試驗(yàn)振動(dòng)信號(hào)通過傅里葉變化，觀察兩組信號(hào)中顫振頻率的區(qū)別。圖4顯示了未施加磁流變阻尼控制和施加磁流變阻尼控制兩種銑削試驗(yàn)條件下的傅里葉頻譜，此外，不同銑削試驗(yàn)條件下加工工件的表面振紋與3D表面形貌圖像如下圖5所示。

圖4：頻譜圖(a)未施加控制(b)施加磁流變阻尼控制

圖5：不同銑削試驗(yàn)條件下加工工件的表面振紋與3D表面形貌圖像

從第一組試驗(yàn)結(jié)果可以分析出，在沒有施加磁流變阻尼控制的情況下，銑削加工中工件的振動(dòng)幅度達(dá)到0.15mm，頻譜圖除了有軸頻50Hz、刀齒通過頻率也就是基頻的倍數(shù)之外，還出現(xiàn)了257Hz和768Hz的顫振頻率。這說明了選擇不穩(wěn)定切削域內(nèi)的加工參數(shù)，并且在不施加磁流變阻尼控制時(shí)進(jìn)行銑削試驗(yàn)引發(fā)了顫振現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)也驗(yàn)證了銑削穩(wěn)定性葉瓣圖的準(zhǔn)確性。此外，從ZYGO三維形貌測量儀中測量工件已加工表面的三維形貌圖上可以看出，在不施加控制的情況下，工件銑削過后的表面粗糙度平均值為0.347μm，表面粗糙度的峰峰值為15.716μm。工件的已加工表面存在明顯的加工顫振振紋。在第二組實(shí)驗(yàn)中，施加磁流變阻尼控制之后的試驗(yàn)結(jié)果表明，銑削加工中工件的時(shí)域振動(dòng)幅度衰減至0.08mm，與未控制的幅度相比降低至其二分之一。從頻域上觀察，頻譜圖上257Hz和768Hz處的顫振頻率完全消失。這說明施加了磁流變阻尼控制后，系統(tǒng)的穩(wěn)定域有所提高，加工參數(shù)落入了穩(wěn)定加工域內(nèi)。從ZYGO測量的三維形貌圖上可以看出，施加控制時(shí)銑削后的薄壁件表面粗糙度平均值為0.130μm，表面粗糙度的峰峰值為2.301μm，相比于不施加控制的表面粗糙度結(jié)果顯著降低。并且工件的已加工表面相比于未施加控制的工件表面更為平整光滑。兩組對比試驗(yàn)的結(jié)果表明該控制器通過增強(qiáng)磁流變液的阻尼作用，增強(qiáng)了薄壁零件的動(dòng)態(tài)特性，抑制了懸臂式薄壁件銑削加工中的振動(dòng)，提高了薄壁件的加工穩(wěn)定性。

安泰ATA-304功率放大器：

圖：ATA-304功率放大器指標(biāo)參數(shù)

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本文實(shí)驗(yàn)案例參考自知網(wǎng)論文《基于磁流變阻尼調(diào)控的薄壁件加工抑振研究》