基于电流变减振器的深孔机床振动模糊控制.pdf

第 l 2期 2 0 1 5年 1 2月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d ul a r M a c h i ne To o l＆ Aut o m a t i c M a n u f a c t u r i ng Te c h n i q ue No． 1 2 De c ．2 01 5 文章编号 1 0 O l一 2 2 6 5 2 0 1 5 1 2 0 0 9 0 0 4 D O I 1 0 ． 1 3 4 6 2 ／ j ． c n k i ． m m t a m t ． 2 0 1 5 ． 1 2 ． 0 2 4 基于电流变减振器的深孔机床振动模糊控制 米 苗鸿宾 ， 邱泉水 ， 沈兴全 ’ 中北大学 a ． 机械- 9动力工程学院； b ． 山西省深孔加工工程技术研究 中心， 太原0 3 0 0 5 1 摘要 针对深孔加工中的切削颤振 问题 ， 提 出了一种基 于电流变减振器的半主动模糊控制方法。设 计了一套混合模式的电流变减振器， 建立了电流变减振器阻尼力的数学模型。在深孔机床 系统的动 力学模型基础上 ， 采用模糊控制策略对切 削颤振进行半主动控制 ， 设计 了模糊控制算法。利用 MA T L A B ／ S i n m u l i n k对模糊控制和被动控制进行仿真对比。仿真结果表明 ， 模糊控制与被动控制相 比， 机 床主振体振动的位移幅值明显减小， 加速度幅值也略有减小。因此， 模糊控制的减振效果要 明显优 于被 动控 制 。 关键 词 电流 变减振 器 ； 模 糊控 制 ； 深 孔机床 ； 半主动控 制 中图分类号 T H1 6 1 ， 6； T G 6 5 文献标识码 A Fu z z y Co n t r o l f o r De e p Ho l e M a c h i n e To o l Vi br a t i o n Ba s e d o n Ei e c t r o r h e o l o g i c a l Da mpe r MI A O H o n g b i n 一 ， Q I U Q u a ． 一 s h u i 一 ， S H E N X i n g q u a n a ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d P o w e r E n g i n e e r i n g ； b ． S h a n x i P r o v i n c e De e p Ho l e Ma c h i n i n g C e n t e r ， No r t h U n i - v e r s i t y o f C h i n a ， T a i y u a n 0 3 0 0 5 1 ， C h i n a Abs t r a c t Ai mi n g a t t h e c u t t i n g c h a t t e r p r o b l e m i n d e e p ho l e p r o c e s s i n g， a s e mi a c tiv e f u z z y c o n t r o l me tho d b a s e d O l l e l e c t r o r h e ol o g i c a l d a mp e r wa s p u t f o r wa r d． A s e t o f mi x e d mo d e e l e c t r o r h e o l o g i c a l d a mp e r wa s d e s i g n e d a n d the ma the ma t i c a l mo d e l o f the e l e c t r o r h e o l o g i c a l s h o c k a b s o r b e r d a mp i n g f o r c e wa s e s t a b l i s h e d． Ba s e d o n the d y n a mi c mo d e l o f d e e p h o l e ma c h i n e t o o l s y s t e m ， f u z z y c o n t r o l s tra t e g y wa s us e d f o r the s e mi a c t i v e c o n tro l o f c u t t i n g c h a t t e r a n d f u z z y c o n t r o l a l g o r i thm wa s d e s i g n e d． Us i n g M ATLAB／S i n mu l i n k t o s i mu l a t e f u z z y c o n tro l a n d p a s s i v e c o n tro l for c o mp a r i s o n． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t ， c o mp are d wi t h t h e p a s s i v e c o n ffo 1 ． the d i s p l a c e me n t a mp l i t u d e o f ma c h i n e t o o 1 ma i n v i b r a t i o n b o d v v i b r a t i o n a n d e r t h e f u z z y c o n t r o l d e c r e a s e s o b v i o u s l y a n d the a c c e l e r a t i o n a mp l i t u d e s l i g h t l y d e c r e a s e d． Th e r e f o r e，the d a mp i n g e f f e c t o f f u z z y c o n tro l i s b e t t e r tha n the pa s s i v e c o n t r o 1 ． Ke y wo r d se l e c tro r h e o l o g i c a l d a mp e r ； f u z z y c o n tro l ； d e e p h o l e ma c h i n e； s e mi a c t i v e c o n tro l O 引言 深孑 L 加工中的切削颤振是“ 机床一 刀具． 工件” 之间 形成的闭环切削系统 的动态不稳定现象， 属于 自激振 动。在深孔加工中， 切削颤振会加剧钻头的磨损， 影响 已加工孔的加工精度 和表面质量 ， 颤振严重时还会导 致钻杆弯曲、 折断甚至会损坏机床。振动时产生的噪 声也会危害工人的身体健康。因此， 如何抑制深孔加 工中的切削颤振对于深孔加工意义重大⋯。 为了解决上述问题 ， 国内外的学者探索了许多控 制颤振的方法 ， 其 中， 采用施加阻尼的方法控制颤振， 取得了较好的减振效果 ， 而且它对各种类型的振动均 有减振作用。但是传统被动式减振器提供的可控阻尼 力不能得到实时调整， 因此其应用受到了很大的限制。 为了获得更好的减振效果 ， 我们就必须寻找一种响应 快、 具有可控性的智能材料 ， 将其应用到阻尼减振技术 中， 使减振器的阻尼力可以连续调节 。而 电流变液 就是这样的智能材料， 在外电场的作用下 ， 其流变性能 由易流动 、 低粘度的牛顿流体突变为难流动 、 高粘度的 塑性类固体 ， 并且粘度、 剪切强度等随外加电场强度的 增大而增大， 响应迅速， 在毫秒级 ， 而当撤去外加电场 后 ， 它又可在瞬间内恢复到液态， 即“ 电流变效应” _ 3 J 。 本文基于电流变液的电流变效应设计了一套混合 工作模式的电流变减振器 ， 提出了一种基于电流变减 振器的半主动模糊控制方法 ， 结合 MA T L A B对该模糊 控制方法进行时域仿真 ， 并与传统被动式进行对 比， 仿 真结果对于切削颤振的控制具有一定的参考意义。 收稿 日期 2 0 1 5一 O l 一 2 9 修回 日期 2 0 1 50 3～1 0 }基金项 目 国家 自然科学基金项 目 5 1 1 7 5 4 8 2 ； 国家级 国合专项 0 1 0 2 0 1 3 D F A 7 0 7 7 0 ； 山西省国际合作项 目 2 0 1 2 0 8 1 0 3 0 作者简介 苗鸿宾 1 9 7 O 一 ， 男 ， 山西阳泉人 ， 中北大学教授， 博士 ， 研究方向为深孔加工技术， Em a il 3 7 8 6 3 1 9 6 8 q q ． c o rn。 2 0 1 5年1 2月 苗鸿宾， 等 基于电流变减振器的深孔机床振动模糊控制 ． 9 1 l 混合模 式电流 变减振器设计 针对深孑 L 加工特点并结合电流变减振器的工作原 理 ， 设计了一套混合模式 的减振器。其结构设计如图 1 所示。令活塞接人正 电压， 工作缸接地。因此在活 塞与工作缸的环形 间隙之间就形成 了一个电场 ， 场强 的大小可由输入的电压进行控制。当电流变液流过环 形间隙时， 在电场的作用下就会发生电流变效应 ， 从而 产生阻尼力 ， 进而改变上腔和下腔之间的压力差 ， 使活 塞运动受阻 ， 消耗振动产生的能量 ， 达到减振 目的。压 力差的大小则由电流变液的流变特性决定， 因此可以 实现电压大小对减振器阻尼力大小的控制。为了降低 对密封性的要求 ， 此处采用弹簧 Ⅱ来控制浮动活塞 ， 以 补偿活塞杆运动带来的体积变化， 电流变液的密封则 主要通过图 1中的3个密封圈来实现。减振器的恢复 力主要由弹簧 I 提供 J 。 1 ． 底座 2 ． 紧固螺钉 3 ． 工作缸 4 ． 浮 动活塞 5 ． 下腔 6 ． 环形 间隙 7 ． 上腔 8 ． 端盖 9 ． 导向套 l O ． 连接板 1 1 ． 紧固螺栓 1 2 ． 紧固螺栓 l 3 ． 连接套 l 4 ． 钻 杆 l 5 ． 弹簧 I 1 6 ． 密封圈 l 7 ． 上隔板 l 8 ． 活塞杆 l 9 ． 活塞 2 0 ． 绝缘层 2 1 ． 下 隔板 2 2 ． 电流变液 2 3 ． 密封圈 2 4 ． 弹簧 Ⅱ 图 l 混合模式电流变减振器结构图 图2 混合模式 电流变减振器简化图 为了方便分析 ， 简化减振器的结构 图， 如 图 2所 示。由参考文献可知， 混合模式电流变减振器提供的 阻尼力 为 J 活塞在压缩行程时的阻尼力 F 1却 A P 【 ⋯ ⋯ ㈩ 活塞在 复原行程时 的阻尼力 【 ⋯ 1 ． A 一 A r 2 T _一 r ， 、 ， 式中， △ 为减振器上下腔之间的压力差 ； A 为活塞的 横截面积， A 竹 ， d 为活塞直径； A ， 为活塞杆 的横截面积 ； 田 。 为电流变液的黏度系数； L为活塞的 高度； h为工作间隙值 ； 为活塞运动速度 ； E为电场 强度； 和 是与电流变液有关 的常量。 由式 1 、 式 2 可以看 出， 电流变减振器提供 的 阻尼力仅与活塞的运动速率 和电场强度 E有关 ， 其 中 E ， 故阻尼力还可以表示为 F dA B 3 式 中， A、 均为常量 ， 为活塞杆的位移， 为电流变 减振器 的输入 电压 。 2 深孑 L 机床 系统的动力学模型分析 目前 ， 在振动控制方面主要有三种常见的形式 被 动控制、 主动控制 、 半主动控制。被动控制结构简单 ， 不需要输入能量， 但是提供的阻尼力不能够调整。主 动控制适用性强， 但其结构复杂， 且需要输入较多的能 量。半主动控制具有输人能量小 ， 适应范围广， 结构简 单等优点 ， 在实际工程中得到了广泛的应用。本次设 计的电流变减振器是在被动式减振器的基础上改进 的， 阻尼中的介质换成电流变液， 因此我们可以根据实 际情况调节可控阻尼力的大小， 从而达到最佳 的减振 效果。当可控阻尼力为零时， 该减振器则变成被动式。 由此可见 ， 半主动控制失效时， 减振器也能起到被动控 制的效果 J 。 本文以 B T A深孔钻床为研究对象 ， 构建了B T A加 工系统的动力学模型。电流变减振器安装在机床的钻 杆上 ， 因此可将安装了电流变减振器的机床系统简化 为二 自由度模型， 如图 3 左 所示。由于切 削颤振是 刀具在振纹表面重复切削时， 动态切削厚度变化所造 成的 。因此系统动态切削力的变化实质是动态切削 厚度的变化。故为 了方便建模与分析， 以及后续与被 动控制进行对比， 此处将系统的动力学模型简化为如 图3 右 所示的模型。 图 3 B T A深孔钻床 系统的动力学模型 由图 3可得 系统 的运动微 分方程为 9 2 组合机床与 自动化 j n - r 技术 第 1 2期 ， m z 一 一 t 一 。 一 t 一 L m1 叠 l一k l l一 0 k 2 2一 1 c 0 x 2一 1 F d 4 式中， m 为机床主振体的质量； m 为减振器的质量； k 为机床主振体的刚度； k 为减振器的刚度； C 。为减 振器的阻尼 ； 。 为系统的随机激励 ； 为机床主振体 的位移 ； 为减振器的位移； F 为减振器提供的可控 阻尼力 。 3 模糊控制算法 的设计 半主动控制设计的核心部分即是控制算法的设 计 ， 目前半主动控制算法主要有 P I D控制 、 模糊控制 、 最优控制、 神经网络控制等。由于电流变液 的流变特 性十分复杂 ， 故电流变减振器呈现出非线性和滞回性 ， 因此 目前得 出的数学模型与实际情况还有较大 的误 差， 为了达到较好的控制效果 ， 我们应该选取一种不需 要精确数学模型的控制方法。 模糊控制的本质是基于规则的控制 ， 不需要建立 关于控制对象的精确数学模型 ， 是一种不依赖于对象 模型的智能控制方法 ， 尤其适用于不确定和非线性系 统 。因此本文设计了模糊控制算法 m ] 。 1 输入量和输出量选取及基本论域的确定 模糊控制算法的输入量为机床主振体的位移与系 统位移响应之间的误差 E及其误差变化率 E ， 其 中E 的基本论域为[一1 ， 1 ] 单位 m m ， E 。的基本论域为 [一 1 ， 1 ] 单位 m m ／ s ； 输出量为电流变减振器 的输入 电压 U ， 其基本论域为[ 0 ， 3 ] 单位 k V 。 2 输入量和输出量的模糊论域的确定 将输入量 E和E 的模糊语言均定义为七个 { 负大 N B ， 负中 N M ， 负小 N S ， 零 Z E ， 正小 P S ， 正 中 P M ， 正大 P B } ， 其模糊论域为{ 一 6 ， 一 4， 一 2 ， 0 ， 2 ， 4 ， 6 } ； 将输 出量 u的模糊语言定义为 { 零 Z ， 小 S ， 小 中 S M ， 中 M ， 小 大 S B ， 中大 MB ， 大 B } ， 其模糊论域为{ 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 } 。 3 量化因子和比例因子的选取 设变量的基本论域为 [一E， ] ， 其 模糊论域为 { 一／2 ， 一 n1 ， ⋯， 0 ， ⋯， n一1 ， ／2 } ， 则该变量 的量化 因 子和比例因子可由下式给出 詈， E 5 故误差 E的量化因子 6 ／ 16， 误差变化率 E 的量化因子 K 6 ／ 16， 电压 的比例因子为 K 3 ／ 6 0 ． 5 。 4 确定隶属度函数 根据各隶属度函数 的不 同特性和人们 以往的经 验 ， 本文采 用了三角型 隶属 度 函数 。输入 量 E 、 E 和 输出量 的隶属度函数如图4 、 图5所示。 。 图 4 输入量 E和 E 的隶属度函数 图 5输 出量 【 ， 的 隶属 度 函数 5 模糊控制规则的确定 根据本文对 B T A深孔钻床 的动力学分析 以及参 考相关文献 ， 共制定出4 9条模糊控制规则， 如表 1所 示。将表 1中的模糊控制规则输入 MA T L A B中， 可得 其输出曲面， 如图6所示。 表 1 模糊控制规则 误差变 误差 E 化率 ＆ N B N M N s z E P s P M P B NB 曰 曰 MB MB S B M NM 曰 B MB MB S B M M Ns B MB MB 船 船 M M zE MB s B M s M S Z PS M M M s M S S Z P M M M s M S S Z Z PB M s M 5 5 Z Z Z 5 4 幽 3 脚 2 1 图 6模 糊 控 制规 则 输 出 曲 面 4 仿真验证 根据设计经验 ， 电流变减振器的设计参数如下 d l 4 0 mm ，L3 0mm ，h 1 mm ，卵0 0．0 5 5 PaS ， 8 1 ． 5， 1 ． 8。 B T A深孔钻床系统的仿真参数如下 m1 4 0 0k g，m2 4 0k g，k l 1 6 0 0 0 0N／ m ，k 2 1 6 0 0 0 N／ m ，。 0 4 0 0N S ／m。 将上述仿真参数代入到式 1 、 式 3 中得 F 2 5 5 v2 4 ． 5 7 ， 为了简化计算和方便分析 ， 此处令 2 0 1 5年 1 2月 苗鸿宾， 等 基于电流变减振器的深孔机床振动模糊控制 ． 9 3． F 2F 1 ， 可控阻尼为 F d2 5 5 v2 4 ． 5 7 U 。 s g n v 。 利用 M A T L A B ／ S i m n u l i n k 对半主动模糊控制系统进 行时域仿真， 并与被动控制进行对比， 分析模糊控制策略 的可行陛。系统的仿真框图及子系统如图7 、 图8 所示。 图 7 B T A深孔钻床系统的仿真框图 图 8半 主动 控 制仿 翼框 图 我们以正弦信号作为系统的随机激励 ， 其 中振幅 为 0 ． 0 0 2 m， 频率为 4 0 H z 。MA T I AB ／ S i n m u l i n k的仿真 结果 如图 9 、 图 1 0所示 。 从图9中可以看出被动控制和模糊控制均能有效 地减少机床主振体的振动， 其 中机床主振体的振幅在 被动控制下减少了 3 0 ％ ， 而在模糊控制下则减少 了 7 0 ％ ， 可以看出模糊控制的效率是被动控制的2倍多。 从图 1 0中可以看出模糊控制下的机床主振体的加速 度要 比被动控制下小 了 1 0 ％左右 ， 综上可以看 出， 基 于电流变减振器的半主动模糊控制的减振效果明显优 于被动控制的减振效果。 1 0 一 图 9 机床主振体的位移 时间／ s 图 1 0 机床主振体的加速度 5 结束 语 本文 针对深 孔加 工 中 的颤 振 问题 ， 提 出了一种 基 于电流变减振器的半主动模糊控制方法， 通过改变 电 流变减振器的输人 电压， 可以实时改变其可控阻尼力 的大小 ， 从而达到连续调节的效果。通过构建 B T A深 孔钻床系统的动力学模型 ， 并利用 MA T L A B ／ S i n m u l i n k 对模糊控制系统进行仿真， 仿真结果表明， 模糊控制与 被动控制相比， 机床主振体振动的位移幅值明显减小， 加速度幅值也有所减小 ， 模糊控制的减振效果要 明显 优于被动控制。因此， 基于电流变减振器 的半主动模 糊控制方法是可行的， 而且控制效果显著。 [ 参考文献] [ 1 ]李耀明， 段晓奎． 液膜阻尼应用于深孔钻削颤振控制的理论 研究[ J ] ． 组合机床与自动化加工技术， 2 0 1 4 4 5 7 5 9 ． [ 2 ]王茂华， 张宏江， 张永亮， 等． 电流变减振器用于铣床振动控 制的理论研究[ J ] ． 吉林农业大学学报， 2 0 0 1 ， 2 3 3 1 4 ． [ 3 ]周文晋， 鲁宏权 ， 盂光． 电流变液夹层壳体振动隔离的实 验研究 [ J ] ． 噪声与振动控制 ， 2 0 0 5 1 1 41 7 ． [ 4 ]邹屹． 基于电流变材料的减振器设计及控制策略的研究 [ D ] ． 扬州 扬州大学， 2 0 0 9 ． [ 5 ]张永发， 沈楚静， 赵霞． 基于电流变减振器的汽车半主动 悬架的开关控制[ J ] ． 北京理工大学学报， 2 0 0 6， 2 6 1 0 8 6 38 6 6． [ 6 ]C H O I S B， K I M W K ． V i b r a t i o n C o n t r o l o f A S e m i A c t i v e S u s p e n s i o n F e a t u r i n g E l e c t r o r h e o l o g i c a l F l u i d D a m p e r s [ J ] ． J o u rna l o f S o u n d a n d V i b r a t i o n ， 2 0 0 0 ， 2 3 4 3 5 3 75 4 6 ． [ 7 ]王道林， 王红军． 基于变速切削方法抑制再生颤振的研究 与应用[ J ] ． 制造技术与机床， 2 0 1 1 7 1 1 91 2 1 ． [ 8 ]张毅 ， 姚锡凡． 加工过程的智能控制方法现状及展望[ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术， 2 0 1 3 4 1 3 ． [ 9 ]吴晓丽， 林哲辉． MA T L A B辅助模糊系统设计[ M] ． 西安 西安 电子科技大学 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 1 0 ]薛定阳， 陈阳泉． 基于 MA T L A B ／ S i n mu l i n k的系统仿真 技术与应用[ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 1 1 ． 编辑赵蓉 ’ ’ I l l I l ’ l ’ ’ ’’ I ’ ’ 、 V ； 本 刊 欢 迎 订 阅 欢迎在线投稿 欢迎刊登广告 h t t p ／ ／ W W W ． z h j C z ． c o m． c a V t I I 。 It I I I ‘ I II l 。 l 。‘ l I I t It t l l I II 。 ‘ 。 ‘。 ‘ I I I I II I ‘ 羹 越 曩