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 1 前言 （ 说明设计或论文的目的、意义，介绍有关概念 ） 1.1 论文设计的目的及意义 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。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。如在车削加工过程中，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
2、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，严重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。车床振动可分为自由振动、强迫振动和自系振动，据测算，这三类振动分别占 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
3、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 3-7。而 传统的减振器在工作过程中不能进行动态特性的实时调节，弹簧力和阻尼力完全取决于弹簧刚度和减振对象的相对速度。减振器的设计凭经验进行，不能兼顾各种工况，只适用于特定的机床与工艺条件。 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
4、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。 1.2 有关概念 1.2.1 磁流变液 磁流变液 ( Magneto2rheological Fluids,简称 MRF)是 1948 年由 Rabinow 发明的一种可控液体，它的研究是当今国际智能材料领域的一个重要分支 10。 MRF是铁磁性颗粒在基液中组成的悬浮液 ，是一种混合物质 。其特点是 ： 在外加磁场作用下其流变特性发生急
5、剧变化 ， 可由流动性良好的液体状态在短时间 (毫秒级 ) 内粘度增大 ， 呈现类似固体的状态 ， 其强度由剪切屈服应力来表征 ， 并且它的表观粘度和屈服应力会随外界磁场强度的变化而变化 ； 这种变化是连续、可 逆的 ,即一旦去掉磁场后 ， 又复原变成可以流动的液体。基于这一特性设计成的 MRF 器件具有响应快、结构简单、能耗低等许多优良性能 ,在工程技术领域具有广泛的应用前景。 磁流变液应用装置的工作模式目前大体有三种 ， 即流动模式 ， 剪切模式和挤压模式 11。流动模式如图 1 所示。在这种情况下 ， 磁流变液被控制在固定磁极之间 。 在 P1 和 P2 压力差的作用下发生流动 。 通过
6、对磁场强度的控制 ， 使磁流变液的粘度发生变化 ， 导致 P1 和 P2 之间的压力差发生变化 ， 从而实现对阻尼力的控制 ， 剪切模式如图 2 所示 。 这种模式是磁极有相对平移运动 。 磁 流变液受剪切力F 的作用 ， 通过改变磁场强度来改变剪切阻力的大小 ， 挤压模式如图 3 所示 。 这种模式是磁极间有垂直方向相对位移 ， 磁流变液受拉压应力的交替作用 。 当改变磁场强度时 ， 磁流变液的粘度发生变化使磁极位移需要的外力 F 就发生变化。 1.2.2 半主动控制减振器 半主动控制减振器由无源可控的阻尼或弹簧元件组成，通过改变刚度和阻尼力使减振器始终处于最佳减振状态，其结构简单，造价低廉
7、，且不消耗动力，性能接近主动控制减振器， 但控制装置却类似于被动控制装置，是极具发展前景的振动控制系统 。磁流变减振器就是一种典型的半主动控 制器件，它通过一个外加可控磁场来改变阻尼液的阻尼，从而可以自动调节减振器的刚度和阻尼力。 2 主题 （阐明有关主题的背景、现状和发展方向，以及对这些问题的评述） 2.1 背景 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
8、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 采用之。但是对于超精密机床被动控制显得有些力
9、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 6,13。因此，随着机械产品、工程结构
10、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。 2.2 半主动减振器的国内外研究状况 2.2.1 半主动控制技术发展状况 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。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的研究热点 15
11、-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典型的半主动减振器， 磁流变减振器较传统的减振器比较，材料除
12、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，供磁流变液在间隙中 运动，活塞结构采用两级阻尼形式。活塞上均匀缠绕电磁线圈，电磁线圈通入电流后，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
13、阻尼力的目的。通过控制通电线圈励磁电流的大小来间接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得到充分的满足和保证。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，降低减振器成本的投入。 2.2.2 磁流变减振器国内外现状 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
14、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 14-23。 美国 Lord 公司较早开始专业研究、
15、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
16、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
17、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
18、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。 可见，不管是国外还是国内，对磁流变半主动控制技术的研究十分普遍，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
19、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。 3 总结 （总结与展望） 3.1 总 结 机床运行过程中，基础的振动以及主轴的转动将激励机床振动。为了减小机床的振动，一方面是改善振动的质量，减小振动的震源。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。由于主动机床减振系统的复杂性、高成本和高能耗，其实用性和广泛应用受到了极大的限制。基于仅通过调节电流而改变机床减振系统阻尼的半主动振动控制系统倍受关注，研究表明半主动机床减振系统可使其加工精度提高。在半主动机床减振系统中，多
20、级可调减振器和连续可变减振器是最广泛使用的减振器。通过磁流变阻尼器件的超精密 机床减振半主动控制系统 的设计运用 ，有效的起到了机床减震的效果，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，制造成本低，是极具发展前景的振动控制系统。研究半主动控制系统的关键是开发出经济实用、性能优越的控制元件。 3.2 展望 随着科学技术的快速发展，人们对机床加工的精度要求也越来越高，利用半主动减振器减少机床的基础振动，能有效的提高机床的
21、加工精度。不过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、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，在 精密加工与制造 领域，中国国内各大知名高校的研究人员通过不懈努力，已经在半主动控制减振器和半主动控制系统设计上取得一定的成就，但仍存在缺陷，仍需努力完善。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
22、发展道路 。 4 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 ,1995,1:1719 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
23、 控 制 . 汽车工程 ,1998,20(2):96 100 7张庙康 . 车床车床模糊神经网络半主动振动控制系统的研究 .振动测试与诊断 , 2007,16(2):18 24. 8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 ,2000,11(3):289 291. 9张天宇 .基于磁流变阻尼器的机床减振半主动控制 .西安 :西安科技大学 ,2007. 10单慧勇，王太勇圆盘型磁流变离合器的设计与分析 J机械传动， 2005(6)：66-71 11廖昌荣，余淼汽车磁流变减振器设计中值得注意的若干技术问题 J汽车技术革新， 2001， (5)： 11-14 1
24、2孟光 , 孟庆国 , 詹世革等 . 关于加强针对国家重大装备的动力学与控制研究的建议 . 力学进展 ,2007,37(1):135 141. 13王加春 .超精密机床溜板的振动主动控制系统研究 . 哈尔滨 :哈尔滨工业大学 ,2001. 14G.S. Hauge, M. E. Campbell, Sensors and Control of a space-based six-axis vibration isolation system, Journal of Sound and Vibration, 2004, 269: 913 931. 15L.Q.Liao, C.R.Liao, J.
25、G. Cao, and L.J Fu. , A design methodology of magnetorheological fluid damper using Herschel-Bulkley model, Proc. of SPIE, 2003, 5253:710 717. 16X.J.Wang and F.Gordaninejad, Dynamic modeling of semi-active ER/MR fluid dampers. Proceedings of SPIE, 2001, 4331:82 91. 17F. D. Goncalves, Mehdi Ahmadian,
26、 In search of a suitable control policy for intelligent vehicle suspension, Proc. Of ASME IMECE, 2002:1 8. 18Y.Q.Ni, Y.Chen, J.M.Ko,D.Q.Cao, Neuro-control of cable vibration using semi-active magnetorheological dampers, Engineering structures, 2002,24:295307. 19Mehdi Ahmadian, J. A. Norris, Rheologi
27、cal controllability of double-ended MR dampers subjected to impact loading, Proc. of SPIE,2004, 5386:185 194. 20G. B. Maganti, V. Subramaniam, S. N. Singh and W.Yim, Modeling and semi-active predictive control of a magnetorheological fluid shock isolation system, Proceedings of SPIE, 2005, 5760: 596
28、 605. 21Wang J, Meng G, Feng N, Hahn E J, Dynamic performance and control of squeeze mode MR fluid damper-rotor system. Smart Materials and Structures,2005,14(4):529 539. 22Wang D H, Liao W H, Modeling and control of magnetorheological fluid dampers using neural networks. Smart materials and structu
29、res, 2005,14(1):111126. 23Marathe S S, Wang K W, Farhan G, Feedback linearization control of magnetorheological fluid damper based systems with model uncertainty, Smart Materials and Structures, 2004,13(5):1006 1016. 24翁建生，胡海岩，张庙康基于磁流变阻尼器的车辆悬架系统模糊半主动控制 J南京工业大学学报， 2002， 24(1)： 57 60 25孙鸿 .磁流变减振器设计与控制系统仿真 .硕士学位论文 .吉林大学 .2006,3.4 5 26周云 ,谭平 .磁流变阻尼控制理论与技术 .北京 : 北京科学出版社 ,2007.
