1、1 毕业设计开题报告 机械设计制造及自动化 机床半主动减振系统设计 一、 选题的背景、意义 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，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 12。为了减小机床的振动，一方面是改善振动的质量，减小振动的振源。另一方面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
2、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，影响加工质量，因而研究有效的精密减振措施，对于提高超精密机床加工水平具有十分重要意义。 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之。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
3、们的要求。如被动隔振器对外扰频率大于受控对象 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与失稳的问题，造成低频隔振难题；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 6,13。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越高，现有的被动抑制机床切屑加工振动的方法已难以满足要求，迫使人们进一步寻求新的振动控制途径。 随着经济的不断发展和科技的进步，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
4、仪器或者生产设备由于各方面的客2 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 1, 2。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，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
5、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。 车床振动可分为自由振动、强迫振动和自系振动，据测算，这三类振动分别 5%， 30%，65%。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、3 -7。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床身的精密减振技术的研究，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，使整个机械行业得到一次质的飞跃，同时，这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 8,9。 二、 相关研究的最新成果及动态 1.半主动 减振器的研究现状 振动半主动
7、控制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。振动半主动控制是当前振动工程领域内的高新技术，是动力学、控制、计算机、测试技术与材料科学等诸多学科的综合。由于它具有效果好、适应性强等潜在的优越性，目前已成为国内外振动工程界3 的研究热点 15 - 20。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。半主动控制其控制力虽然也是由控制装置本身的运动
8、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 12。 磁流变减振器就是一种良好的半主动减振器， 磁流变减振器较传统的减振器比较，材料除满足必备的机械力学还要 必须满足良好的导磁性能，要求作为铁心的活塞导磁率尽可能的高。重要的元件包括：活塞、活塞杆、缸筒。 活塞与缸筒间存在环形间隙，活塞结构采用两级阻尼形式。活塞上缠绕电磁线圈，电磁线圈通人电流后，活塞和缸筒类似成为两个磁极板，当活塞在缸筒内往复运动时，磁流变液从活塞与缸筒之间的空
9、隙通过，线圈中的励磁电流产生的磁场作用于磁流变液，使磁流变液在外磁场作用下，其随机分布的磁性颗粒的磁化运动方向大致平行于磁场方向，同时磁化运动使磁性颗粒首尾相连，形成链状结构，从而使磁流变液的流变特性发生巨大的变化，进而使阻尼器阻尼通道两端 的压力差发生变化，达到改变减振器的阻尼力的目的。通过控制通电线圈励磁电流的大小来改变磁流变液的粘度，就可以实现阻尼可调的目的，而且这种调节是连续的、可逆的。这种结构既有流动工作模式的运动，又受到缸筒和活塞的剪切作用，因而称为流动剪切组合模式 24。 磁流变减振器的工艺分析是从模型到实物的关键，良好的工艺路线才能保证磁流变减振器的技术要求的到充分的满足和保证
10、。正确合理的的工艺路线才能使加工更加的合理，缩短加工时间，减少材料的浪费，减低减振器成本的投入。 2.磁流变减振器研究现状 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
11、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4 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 14 -23。 美国 Lord 公司较早开始专业研究、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。 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
12、 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 1 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 (MagneticRideControlSystem),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 25,Delphi 公司则拥有较多的磁流变流体产品结构专利。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
13、入。 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 26，迄今尚未出现能带来显著经济效益、具有广泛影响力的性能优异器件和相关应用系统。针对此种情况，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 9,12,12,26，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，但为了进一步提高超精密加工机床的加工精度，在利用空气弹簧进行振动控制的基础上，亟需采用振动半
14、主动、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效的隔离；王安民等将电流变减振器应用于数控机床实时减振系统设计上，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；王加春研制了基于压电陶瓷的非接触式主动空气作动器，解决了在溜板纵 向运动的同时实现横向振动控制的问题。在交通工程与土木结构振动控制领域，欧进萍院士研制的磁流变减振器成功安装于山东滨州黄河公路大桥上的部分斜拉索及渤海某平台；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。随着国际
15、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。 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、难点及预期达到的5 目标 1.课题的研究内容 在充分调研和实 习的基础上， 项目采用结构设计、实验测试和样机研制相结合的研究方法，对机床半主动减振系统设计方法进行系统研究。 主要有以下几方面内容： (1) 比较分析了磁流变半主动控制的特点，提出了将磁流变减振器应用于机床减振的现实意义； (2) 以磁流变减振器为研究对象，设计磁流变减振器三维实体模型及根据加工图纸进行
16、加工制造； (3) 将设计加工制造的磁流变减振器运用到机床半主动减振系统中进行实验； 2.拟采取的研究方法（技术路线） 技术路线如图 2 所示 图 2 技术路线 课题研究方案的确定 磁流变减振器理论研究 设计磁流变减振器三维实体模型 及加工图纸 用 ANSYS 软件对 设计的磁流变减振器进行电磁场分析 根据分析结果修改减振器关键尺寸 了解磁流变减振器的研究现状 减振器图纸的确定并进行加工制造 运用减振器在机床中进行实验 6 3.难点 (1) 磁流变减振器线圈匝数，电流，磁场强度之间的关系式推导困难； (2) 线圈活塞的制作比较困难； (3) 磁流变减振器相应的参数确定困难； (4) 建立理想的
17、磁流变减振器实体模型比较困难； (5) 磁流变减振器恰当的运用到机床中并进行有效实验比较困难 。 4.预期达到的目标 通过毕业设计 根据磁流变液本构的关系，建立数学力学模型，分析并推导出输出电流、线圈匝数、磁场强度之间的数学关系式。磁流变减振器的机械结构进行 设计，确定主要构件的参数，采用 UG 三维软件，建立磁流变减振器的实体模型，利用 Ansys 软件对磁流变减振器进行有限元分析， 根据分析仿真结果修改减振器关键尺寸，优化磁流变减振器的结构。 利用汽车悬架测试系统，测试磁流变减振器在不同载荷输入与磁场强度下产生的阻尼力和位移，其中阻尼力和位移信号都可以通过各种传感器得到；然后根据系统的响应
18、获得磁流变减振器的固有频率、振动模态、阻尼等动力学特性，对模型参数进行参数识别，修正理论模型。 将设计加工制造的磁流变减振器运用到机床上，通过实验对磁流变减振器的测试，得出需要的 参数数据，肯定磁流变减振器的良好性能，从而使之成为一款合格的产品。 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，设计整个系统软、硬件，为实现振动控制装置的小型化、智能化和一体化奠定基础。分层递进与反馈的整体研究结构将有助于项目的顺利实施和目标的最终实现。 四、论文详细工作进度和安排 2010.11.23-2011.01.1
19、0 完成毕业设计的文献综述和外文翻译。 2011. 01.10-2011.02.24 充 分调研的基础上，了解 近年来国内外在 半主动控制 领域关键技术最新 进展 ,完成开题报告。 2011.02.24-2011.03.20 建立 机床实体建模。 2011.03.20-2011.04.20 图纸绘制 2011.04.20-2011.05.10 运用有限元分析软件对机床进行模态分析 2011.05.10-2011.05.18 整理毕业设计资料，完成毕业论文的初稿。 2011.05.18-2011.05.27 毕业论文的修改和毕业设计定稿 7 2011.05.27-2011.06.05 毕业答辩。
20、 五、 主要参考文献 1 曾志新 .机械制造技术基础 .武汉 :武汉理工大学出版社 ,2002. 2 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 ,1995,1:17 19 3 王义民 .防振垫铁与卧式车床的稳定性 .制造技术与机床 ,2003(6):19 24. 4 李铁军 ,李慨 , 赵海文 .电流变减振器系统的研究 .机床与液压 ,2005,10(8): 965 969. 5 陈志林等 .汽车主动车床减振系统的渐近稳定自适应控制 .清华大学学报 , 1997,37(12):106 110. 6 韩波等 .非线性液压阻尼车床的优化设计及最优控制 .汽车工 程 ,199
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