1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 机床半主动减振系统设计 所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 近年来，复杂机电装备对零件的加工精度要求越来越高，尤其是居于重要地位的精密、超精密加工技术，振动是影响机床切削加工时零件质量的关 键因素之一。振动控制技术发展为实现机床动态性能提升提供了重要技术途径。论文以机床半主动减振系统设计为主要研究内容，首先分析总结了国内外振动控制理论技术发展现状，在此基础上提出了一种基于磁流变减振器的机床半主动减振系统总体方案设计；其次，设计了机床半主动用磁流变减振器结构，并利用有限元软件对其磁路
2、进行了仿真，仿真结果证实了结构设计合理性；最后，论文详细阐述了某型号磁流变减振器样机设计和关键零部件加工工艺，并完成了样机台架测试，实验结果为完善机床半主动减振系统总体设计提供了技术基础。 关键词：机床，振动，半主 动控制，磁流变减振器，磁路 II Design of semi-active vibration control system for machine Abstract In recent years, the demand of complex mechanical and electrical equipment for precision machining of parts
3、 is higher and higher, especially the precision, ultra-precision machining technology with a significant position. Vibration is one of the key factors which affect the quality of parts. The development of vibration control technology provides a critical way to improve dynamic performance of machine.
4、 The paper takes the design of semi-active vibration control system for machine as main research content. Firstly, this paper that is based on the analysis and summary of development situation of the vibration control theory and technology at home and abroad proposes a overall design, which is based
5、 on MR damper semi-active damping system; Secondly, the paper designs the machine with the MR damper semi-active structure and takes advantage of using the finite element software to simulate its magnetic circuit. The results of simulation show that the structural design is reasonable; Finally, the
6、paper elaborates design of a model prototype MR damper and processing technology of key components, and also completes a prototype bench. Experimental results provide the technical foundation for improving the overall design of semi-active damping system. Keywords:Machine, vibration, semi-active con
7、trol, Magnet-orheological fluid damper, magnetic circuit III 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 课题研究的背景及意义 . 1 1.1.1 课题研究背景 . 1 1.1.2 课题研究意义 . 2 1.2振动控制技术国内外研究现状 . 3 1.2.1 半主动控制技术研究现状 . 3 1.2.2 磁流变减振器的研究现状 . 3 1.3课题研究的主要内容 . 5 2总体方案设计 . 6 2.1总体方案设计内容 . 6 2.2总体方案的确定 . 6 2.3总体方案设计路线 . 7 2.4方案预期达到的目
8、标 . 8 3. 机床半主动用磁流变减振器的结构设计 . 9 3.1力学模型的建立 . 9 3.2尺寸参数的初定 . 10 3.2.1阻尼间隙 . 10 3.2.2活塞尺寸 . 10 3.2.3活塞杆尺寸 . 10 3.2.4 减振器结构参数的初选 . 10 3.3阻尼力的计算及其强度校核 . 11 3.3.1阻尼力的计算 . 11 3.3.2强度校核 . 12 3.4 磁路计算和参数的确定 . 12 3.4.1线圈匝数的确定 . 12 3.4.2线圈型号的确定 . 13 3.4.3活塞长度和线圈骨架的确定 . 14 3.5磁流变减振器的电磁场分析 . 15 3.5.1 磁路有限元分析 . 1
9、5 4.磁流变减振器的三维建模及加工制造 . 20 4.1 磁流变减振器三维建模 . 20 4.2 磁流变 减振器的加工制造 . 23 IV 5 机床用半主动减振装置 . 31 5.1 减振装置结构 . 31 5.2 减振装置优点 . 31 5.3 机床半主动减振系统 . 32 6总结与展望 . 33 6.1 总结 . 33 6.2 展望 . 33 参考文献 . 35 致谢 . 错误 !未定义书签。 附录 . 38 机床半主动减振系统设计 1 1 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 1.1.1 课题研究背景 在当今这个科学技术飞速发展的时代，今天最新的科学技术，或许明天就将成为落后的科技，所以
10、当今时代没有最近科技，只有更新科技。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，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，基础的振动以及主轴的转动将激励机床振动，而振动是影响加工质量的关键因素之一 1。减小机床的振动，主要有两个方面：一方面是改 善振动的质量，减小震源的振动，想要控制震源相对来说比较困难；另一方面就是设计优良的减振系统，使机床对激励有良好的隔振性能。传统的超精密机床减振系统设计基本采用被动控制技术，然而振动的影响依然十分突出，由于机床的振动将通过刀架直接反映到被加工工件表面，影响加工质
11、量。因而研究有效的精密减振系统，对于提高超精密机床加工水平具有十分重要意义，这也正是此次项目所要研究的主题。 为了充分隔离基础振动对机床的影响，目前国内大多采用常见的空气弹簧作为隔振元件进行被动隔离。由于被动控制装置结构简单易于实现，因而一般机 床的振动隔离多采用这种方法。但是对于超精密机床被动控制显得有些力不从心，一者被动控制很难隔离低频振动，二者阻尼降低隔振效率，但又对降低共振振幅起极大作用，被动控制无法解决此矛盾。但随着机床加工精度的要求不断提高，对于减振的要求越来越苛刻：不仅要消除中、高频振动，也要消除低频振动，振动被动控制的局限性就暴露出来，难以满足人们的要求。如被动隔振器对外扰频率
12、大于受控对象 -隔振器系统固有频率的 2 倍时能起减振作用，但对低频（如小于 2Hz）外扰的隔振在实现时就会遇到静 变形过大或失稳的问题，无法完成低频隔振；另外，隔振器的阻尼是降低隔振效率的因素，而阻尼又是减小共振频率下的响应所必不可少的，被动隔振器一旦确定则阻尼无法再改变 2, 3。因此，随着机械产品、工程结构及大型装备系统对于零部件加工精度要求的不断提高，现有的被动控制机床切屑加工振动的方法已经难以满足要求，人们必须在非被动控制技术上进行研究，并加以突破，获得新技术，新方法，从而解决当前机床加工精度问题。 机床半主动减振系统设计 2 1.1.2 课题研究意义 随着经济的不断发展和科技的进步
13、，机床也有了突飞猛进的发展，不过由于人们在生中， 对产品的质量精度的要求越来越高，而高精密仪器或者生产设备由于各方面的客观或者主观因素的影响，导致产品质量不能满足要求而成为了废品，大大提高了生产成本。 为了使产品的利润最大化，提高产品质量，降低产品成本，使产品的性价比大大提高，因此首先必须消除或减小各个方面对产品加工的影响。振动、温度与污染是影响数控机床加工精度的 3 个重要因素，而振动是影响机床加工尺寸误差和重复性的首要因素 4, 5。如车削加工过程中，工件和刀具之间常常发生强烈的振动，破坏和干扰了正常的切削加工，是一种极其有害的现象。当机床发生振 动时，工件表面质量恶化，产生明显的表面振纹
14、，工件的粗糙度增大，必须降低切削用量，因而机床的工作效率也随之大大降低。强烈振动时，机床会产生崩刃现象，使切削加工过程无法进行下去。由于振动，将使机床和刀具磨损加剧，从而缩短机床和刀具的使用寿命；振动并伴随有噪音，使工作环境恶化，危害工人身心健康。 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，在金属切削加工中，振动危害极大。不仅产生噪音，而且严重影响机床加工性能和加工工件质量。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 6-9
15、。因此，本项目的研究目的就是设计并制造出一种 能进行动态特性的实时调节的机床半主动用减振器，从而消除或减少振动，提高产品加工精度，提高生产效率，降低生产成本 。 机床的加工精度还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。因而本项目对超精密机床减振技术的研究，有效地降低外在的、内在的各种振动干扰影响，提高超精密机床的 加工精度，使整个机械行业得到一次质的飞跃，同时，这也对我国国防工业和民用工业的发展，促进国民经济发展，增强国家综合实力具有重要意义 10,11。 机床半主动减振系统设计 3 1.2 振动控制技术国内外研究现状 1.2.1 半主动
16、控制技术研究现状 振动控制技术主要包括：被动控制技术、半主动控制技术以及主动控制技术。其中，振动半主动控制技术是近年来发展起来的一项振动工程领域内的高新技术，是固体力学、自动控制、计算机、材料及测试技术等多学科的交叉和综合。目前已成为国内外振动工程界的研究热点 12,13。振动半主动控制与被动控 制的区别在于，前者 根据输入信号（如 基础 激励， 刀具 和 工件振动 等）利用低功率作动器调节系统参数，来优化系统动力学特性，实现最佳减振 ；后者仅通过改变结构参数、释放自身潜在能量实现静态控制，控制效果明显，精度不高。半主动控制兼顾被动控制与主动控制的优点，只需极少的能源输入就能达到近似主动控制的
17、控制效果，它具有效果好、适应性强等特点，因此半主动控制是目前性价最高、最具有工程应用前景的一种结构控制方法 14。 半主动控制其控制力虽然也是由控制装置本身的运动而被动地产生，但在控制过程中，控制装置能由外加能源主动 调整本身的参数，从而起到调节控制力的作用。这种控制方式的控制效果接近于主动控制，但控制装置却类似于被动控制装置，结构简单，造价低，是极具发展前景的振动控制系统 1。 在理论和试验深入研究的同时，半主动控制的工程应用也得到了发展。日本已经建成数十栋设置半主动控制装置的建筑，并显示出了良好的抗风抗震性能。世界上首次采用 AVS 半主动控制装置的建筑是日本东京鹿岛技术研究所。而世界上第
18、一栋采用可变阻尼器控制的建筑在日本静岗完工 15。美国 Oklahoma州的 I-35 州际高速公路上的公路桥则是第一个采用半主 动控制的桥梁结构，该桥上设有可变阀孑 L 阻尼器，研究者们还将 MR 阻尼器应用于拉桥的斜拉索进行风振控制 16,17 。 然而，振动半主动控制技术在国内由于起步也比较晚，真正深入振动半主动控制技术工程化研究的人员也比较少，因此，目前许多关键技术解决还尚处在不断努力探索中。 1.2.2 磁流变减振器的研究现状 近年来，随着科学技术的进步，特别是在智能材料与结构、动态试验与分析、现代信号分析与处理技术、计算机技术等飞速发展的推动下，有关基于磁流变技术的机电产品减振抗冲
19、研究（包括系统建模、仿真、优化等）不 断取得进展，新的理论、方法与技术不断出现，同时促进了相关应用系统的研究与开发。尤其是国际上的一些著名的大公司，由于拥有丰富的人才和知识储备（包括与一些世界著名大学、研究机构的密切合作关系）以及充足的研究经费支持机床半主动减振系统设计 4 等优势，在基于磁流变阻尼控制的半主动系统减振抗冲应用方面处于绝对的领先地位，已开发出许多优秀的器件和应用系统，可以 为 机电产品与 设备的振动和 冲击进行预测或进行振动控制 ， 以保证机 电 设备具有良好的动态特性和良好的环境适应性 ， 以提高机械设备的总体性能和总体水平 12,13,18。 美国 Lord 公司较 早开始
20、专业研究、制备和销售磁流变液，并开发磁流变液应用器件，突破了可控磁流液阻尼器 (简称 MR 阻尼器 )的产品化实现技术， 1998 年开始生产用于载货汽车座椅的半主动可控磁流液阻尼器 （如图 1-1 所示） 。 Ford 汽车公司的磁流变液小组长期从事磁流变液的机理及应用研究。制造赛车的 Carrera 公司也于 1998 年将其生产的 MagneShock 可控磁流变阻尼减振器系统装备在赛车上，目前正在着手开发第二代磁流变减振器。美国通用汽车公司在 2003 年 月 首次亮相的凯迪拉克 SRX 豪华多功能车上率先使用了Delphi 公司生产的磁 行车控制系统 (MagneticRideCon
21、trolSystem)，这种电子控制的磁流变实时减振装置，据称是界上反应最快的悬挂控制系统。 ZF 公司在2005 年 4 月的上海车展上和 Delphi 公司同时展出了带有控制器的磁流变减振器。而 Lord 公司拥有较多的磁流变流体的专利， Delphi 公司则拥有较多的磁流变流体产品结构专利 19。美国 Virginia 大学在磁流变阻尼器的控制理论和实车应用方面的研究较为深入。 图 1-1 Lord 公司研制的 RD-1005-3 磁流变减振器 反观国内，基于磁流变的减振抗冲器件和系统的应用开发研究还很少，相关理论方法的研究相对落后，基本还处于跟踪研究状态，迄今尚未出现能带来显著经济效益
22、、具有广泛影响力的性能优异器件和相关应用系统。 针对上述情况，在中国已有不少研究人员致力于研制和应用磁流变阻尼技术 1,11,20，在 精密加工与制造 领域，如哈尔滨工业大学 精密工程研究中心研究 开展了主动隔振与 电 （磁） 流变 减振器 在机床切削振动控制中的应用研究 ， 开发的超精密加工 机床 ，由于 采用 空气弹簧隔振等七项攻关技术的实现，使其加工精度达到亚微米级 ，为了进一步提高加工 精度，预在此基础上，加入振动半主动控制、主动控制技术。浙江大学 梅德庆设计 了 超精密隔振平台主动振动控制系统 ，但 缺少控制上的灵活性，对突发性环境变化应变能力差，且只能对 2Hz以上频率的振动进行有
23、效的隔离 ；王安民等将电流变减振器应用于数控机床实机床半主动减振系统设计 5 时减振系统设计上，机床切屑加工时取得了较好的切削稳定性，但电流变减振器较高的电场供应限制了其广泛应用；重庆大学的廖昌荣等研制了汽车用磁流变减振器并进行了试验测试。 可见，目前不管是国外还是国内，对磁流变减振器的研究十分普遍，也十分重视，应用于各个领域各个行业，这也表 明磁流变半主动控制技术将发展成为机械行业的核心技术之一。随着国际竞争的加剧，国外对核心技术的封锁日益严重，各个跨国公司正在不遗余力地奋力抢夺中国这个巨大的市场。现实情况决定我们必须走自力更生、自主创新、理论方法研究与应用系统开发并重的发展道路。 1.3 论文内容安排 (1) 第一章 介绍 近年来半主动控制技术以及磁流变减振器领域的国内外发展状况， 分析传统的减振器与磁流变减振器的优缺点； (2) 第二章 给出了机床半主动减振系统总体方案设计； (3) 第三章对机床半主动减振系统用磁流变减振器设计关键技术进行分析，运用 ANSYS 有限元软件对其进行电磁场分析； (4) 第四章设计了磁流变减振器二维图纸和三维实体模型；并基于设计图纸进行 磁流变减振器的加工制造； (5) 第五章设计了机床半主动减振系统 装置，运用加工完成的磁流变减振器对机床半主动减振系统进行实验研究； (6) 第六章对全文进行了总结与展望。
