1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 精密机床半主动减振系统设计 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 机床正向 高精度、高速度、高效率 的方向发展， 机床的振动对机床的加工精度、加工效率有很大的影响， 所以机床减振已经成为急需 解决的问题 。本文以铣床 ML360为研究对象。首先了解机床减振技术的现状，以及半主动减振的优势。其次，分析机床的床身结构和工作原理，总结了机床可能产生振动的原因，并分析了床床身和振动关系、噪声与振动的关系、以及主轴转速与振动的关系，得出相应的结论。最后在此基础上，设计了一个基于 LPC2378的多通道数据采
2、集系统和基于磁流变阻尼器的机床半主动控制系统。 该系统主要有两部分实现：硬件和软件。硬件主要 包含了选用 LPC2378微处理器作为控制器， 电流控制器作为驱动电路以及信号调理电路的设计 。在控制软件方面， 根据系统的 要求和所选的 ARM编写相应的程序，主要包括系统主程序、 A/D转换服务子程序和脉宽调制 PWM子程序。 关键词： 机床，半主动，磁流变减振器， ARM II Design of Semi-active Precision Machine Tool Damping System Abstract Machine tool is as the direction of high
3、precision, high speed and high efficiency development, the vibration of the machine tool have an effect on the precision, So machine vibration reduction has become urgent need to resolve problems. The content of this paper is use ML360 in milling machine as the research object. At first, understand
4、the present situation of the machine damping technology and the advantage of semi-active damping. Secondly, analysis of machine bed structure and working principle, Summarizes the reasons may generate vibration machine, then analysis the relations of machine and vibration, noise and vibration, and t
5、he relations between spindle speed and vibration to come to conclusion. Finally design a multi-channel acquisition system base on LPC2378, and through the realization of Magnetorheological damper semi-active control machine. This system have two parts： hardware and software. Hardware mainly contains
6、 a selection LPC2300 series of microprocessors as controller, current controller as drive circuit and signal regulate circuit design. In the control software, according to the systems requirements and selected ARM write the corresponding program, mainly including the system master program, A/D conve
7、rsion interrupt service procedure and pulse width modulation PWM subroutines. Key words: machine tool , semi-active , Magnetorheological damper , ARM III 目 录 摘 要 I Abstract II 第一章 绪论 1 1.1 选题的背景和意义 1 1.2 机床减振技术的国内研究现状 1 1.2.1 被动减振技术 2 1.2.2 主动减振技术 2 1.2.3 半主动减振技术 3 1.3 论文的内容安排 3 第二章 机床半主动减振系统总体设计 5
8、2.1 机床动力学分析 5 2.1.1机床工作原理 5 2.1.2 机床动力学分析 6 2.1.3 机床半主动控制技术 8 2.2 磁流变减振器 8 2.2.1 磁流变减振器的工作模式 8 2.2.2 磁流变减振器的工作原理和结构 9 2.2.3传统的减振器与磁流变液减振器的对比分析 10 2.2.3.1传统减振器的特点 10 2.2.3.2 磁流变液减振器的特点 10 2.3 半主动减振系统总体方案设计 11 第三章 半主动减振系统硬件设计 12 3.1 硬件系统设计方案 12 3.2 传感器选择 12 3.2.1振动传感器的选择 12 3.2.2 噪声传感器的选择 13 3.2.3 传感器
9、的布置 14 3.3 调理电路设计 15 3.3.1电荷转换电路 15 3.3.2低通滤波电路 16 3.3.3 高通滤波电路 17 3.4 PWM驱动电路 17 3.5 嵌入式测控单元设计 19 3.4.1 ARM结构体系 19 3.4.2 ARM 核心板结构体系 20 IV 3.4.3 ARM底板结构体系 22 第四章 半主动减振系统软件设计 25 4.1 半主动减振系统软件功能分析 25 4.2 半主动减振系统程序模块化设计 25 4.3 子程序设计 26 4.3.1 数据采集模块 26 4.3.2模数转换 (A/D)模块 26 4.3.3 PWM波形生成模块 27 第五章 总结 29
10、5.1 总结 29 5.2 展望 29 参考文献 30 致谢 错误 !未定义书签。 精密机床半主动减振系统设计 1 第一章 绪论 1.1 选题的背景和意义 在信息革命的推动下，现代工业技术发展迅猛。现代机床正向 高精度、高速度、高效率 的方向发展。随着机床向 高精度、高速度、高效率 的方向发展，除了要求机床重量轻、成本低、使用方便和具有良好的工艺性能以外，还着重要求机床具有愈来愈高的加工性能，而机床的加工性能又与其动态特性紧密相关 1。 目前， 影响机床加工性能的 3个重要因素是：振动、温度与污染，其中振动是影响机床加工尺寸误差和重 复性的首要因素。 振动不仅能激发噪声，而且还能通过固体直接作
11、用于人体，危害身体健康。轻微的振动就会影响精密设备的正常使用，使 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，因而使车床的工作效率大大降低。 而强烈的振动甚至还会损害机器和建筑物，可能会引起精密机床中某些灵敏电器产生误动作，将造成精密机床中的刀具、精密部件受到损坏，从而造成重大事故。 因此，减振就成为超精密加工中保障加工质量的关键技术之一 2。 早期的机床振动控制主要是通过对主结构采取隔振、吸振等措施。后来，通过对结构进行动 力学优化设计来减小其振动响应。这些方法称为被动控制，其本质上都是直接改变结构整体的动力学特性 (如质量、刚度和阻尼的大小及分布 )来降低主结
12、构在工作时的动力响应。由于被动控制装置结构简单易于实现，因此一般机床都采用这种方法减振方法。但是该方法对于超精密机床的振动控制效果不好，一是被动控制很难隔离低频振动，二是阻尼降低了隔振效率，但对降低共振振幅起极大作用，这是被动控制无法解决的。因此被动控制设计一旦完成就不能更改，缺乏对环境的适应性，但其优点是简单、可靠、无能耗需求 3-4。 随着科技的发展，很多领域内如航空 、航天结构、精密机械、光学测量仪器等等，对振动控制提出了越来越高的要求，这些要求包括高精度、适应性以及智能性等等，而被动控制或者主动控制开始显得无能为力。于是我们将目光投向控制性能更好、适应性更强的半主动控制技术。 半主动控
13、制是指有少量外加能源的控制，虽然其控制力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。半主动控制也称混合控制，它具有被动控制和主动控制的优点，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。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 5-6。综上所诉，我们要设计一个半主动减振系统，来达到我们需要的减振效果。 1.2 机床减振技术的国内研究现状 振动控制减振技术可以分为主动减振、被动减振、半主动减振。 在国外，振动控制早在二十世纪初就
14、已应用于机械行业，而后又广泛应用于航天和运输工程中，到二十世精密机床半主动减振系统设计 2 纪七十年代又开始应用到土木工程中。 1.2.1 被动减振技术 被动减振是在振动传播途径中加入被动元件，如弹簧、橡胶、空气弹簧等，以 减小传递到接收结构的振动强度 。被动隔振结构简单、易于实现、经济性好、可靠性高，因而对要求不高的一般振动系统的隔离均采用，但是对于要求较高的微幅精密隔振，被动隔振很难达到需要的减振要求 7。 1.2.2 主动减振技术 主动减振技术是指在振动控制过程中，根据所检测到的振动信号，应用一定的控制方法，经过计算，然后驱动作动器施加一定的影响，达到减振的目的。主动隔振特别适用于低频隔
15、振和高精度隔振。 振动主动控制技术的研究始于 50年代末， 80年代后进入蓬勃发展阶段，现已成功地应用于精密仪表工程、航空航天工程、交通运 输、土木工程和机械工程等领域 8-9。 目前主动控制的研究主要有： 文献 10用 6个磁致伸缩作动器组成的 Stewart平台进行六自由度振动主动控制实验研究。反馈信号为加速度和力 ,控制算法采用自适应控制。实验结果显示 ,对于 56.2 Hz的干扰 ,采用主动控制可获得 30 dB的衰减效果。文献 11对精密机床进行振动主动控制，这种方法对于低频的减振效果较好 ,但对于大于 40Hz频率的减振效果并不理想。 如文献 12通过用压电陶瓷作动器对精密机床进行
16、振动主动控制，并且取得了较为满意的结果，但是由于压电材料本身的局 限性 ,使致动器的致动行程短并且致动力小 ,实用价值不高。 文献 13-14中采用了带辅助气室的空气弹簧作为隔振元件，他能承受较大的载荷，具有较低的刚度特性，使空气弹簧隔振系统具有较低的固有频率，能获得较好的隔振效果。同时在空气弹簧主气室和辅助气室之间设置了合适的阻尼孔，可以有效地改善隔振系统的阻尼特性，使系统平稳的工作。 国内，相关理论方法的研究相对落后，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。 文献 15通过用压电陶瓷作动器对精密机床进行振动主动控制，并且取得了较为满 意的结果，但是由于压
17、电材料本身的局限性 ,使致动器的致动行程短并且致动力小 ,实用价值不高。 文献 16哈尔滨工业大学精密工程研究所采用被动隔振与主动隔振相结合的振动混合控制技术，即 空气弹簧与作动器相结合的主被动混合振动控制系统， 研制了 HCM-I超精密车床。该车床其中被动隔振元件为空气弹簧，主动隔振元件为电磁作动器。但是主动控制器的缺点是价格昂贵，控制精度可靠性、工程实用化都还有一定的距离。 由上述资料可以得出，主动减振技术的效果虽然很好，但是它的成本比较高，而且精密机床半主动减振系统设计 3 对于高频率的减振，效果不是很明显。 1.2.3 半主动减振技术 半主动减振技术是近年来国际上研究的一个热点 ， 它
18、是在主动控制的基础上发展起来的 。它 是通过结构的振动反应信息或外界荷载的变化情况 , 及时调整控制装置的参( 刚度、阻尼 ) ,从而达到减小结构的动力反应 , 实现对结构的可调控制 。 由于控制装置本身具有可调性的特点 ， 可以用比主动控制少得多的能量产生较大的控制力 ， 且装置简单 。 半主动减振的应用可以追溯到 20世纪 20年代 ， 主要用于机械设备及汽车中的减振 。早 在 1983年就有人提出了应用变阻尼控制器对土木工程结构进行半主动控制的思想 。 在此之后 ， 国内外大量的 学者对半主动控制进行了理论、试验和工程应用的研究 。 常用的半主动控制装置有变刚度、变阻尼两大类 。其中 国
19、内外学者在变阻尼系统的研究方面获得了很多成果 ， 目前已经开发了各种各样的工作原理的变阻尼控制装置 ： 可变流体阻尼器、可变液压阻尼器、可变孔隙阻尼器、可变摩擦阻尼器、半主动调谐质量阻尼器和半主动调谐液体阻尼器等 17。 例如，美国 Load公司已经研制出能耗 22W、最大出力达 200kN的磁流变液阻尼器。这种装置固定磁场强度可以用作被动耗能减振的阻尼器，调节磁场强度可以用作半主动控制的变阻尼装置。 半主动减振系统设计 在各个领域都有很广泛的研究，通过磁流变减振器控制的相对比较多。 最近几年，国内外学者和工业界对磁流变液及其应用器件的研究引起了的广泛兴趣，美、日、英、法、德等发达国家均投入了
20、巨大的财力和物力开展这方面的研究 18。从事这方面研究的学者有美国 Spencer Jr.教授 (Univ.of Notre Dame),Dyke,Shirley Jane(Washington Univ)等，英国 NeilD.Sims,Roger Stanway (Department of Mechanical Engeering,University of Shef field)， 韩国、日本及白俄罗斯等国家的学者，但开始较早且较成功者主要是美国学者。企业界有美国 Lord公司开始较早，不仅研究磁流变液体成份，还研究它的工程应用。 Carlson及其合作者 Dyke, S.J，研究用于货
21、车车座的可控磁流变液减振器，并以这种减振器直接代替普通减振器，使货车座位振幅减少 20%-50%，大大提高了减振效果。 我国对这方面的研究尚薄弱， 中国科学技术大学对磁流变液的机理及减振器的性能进行了阐述 ； 电子科技大学对磁流变液的制备及流变性质进行了研究； 西北工业大学 对磁流变液的研究 等，较早从事该方面研究的单位还有：复旦大学、哈尔滨工业大学、武汉工业大学、河北工业大学、国家仪表功能材料工程研究中心等 19。 1.3 论文的内容安排 机床的半主动减振控技术的研究在国内外都属于前沿课题，在回顾当前减振器、振动主动、被动控制的基础上，本文采用了 ARM 作为控制系统的核心，以半主动控制模型
22、为基础，设计了 基于 ARM的磁流变减振器控制系统的硬件电路和软件流程 。 精密机床半主动减振系统设计 4 第一章 :介绍了选题的的研究背景、意义；分析总结了被动、主动、半主动控制，以及 磁流变减振器应用研究现状；提出了论文的总 体内容安排 。 第二章：介绍机床的工作原理和动态特性；阐述了磁流变减振器的原理、工作模式、磁流变减振器的优点；设计了半主动减振系统的总体方案。 第三章 : 设计了半主动减振系统的硬件方案；介绍了各种传感器的原理和功能，根据传感器的功能需要，设计了相应的调理电路；介绍了 ARM芯片的系统结构，选用了LPC2378 的 ARM 芯片作为控制器的核心，将前述的模型进行数字实
23、现，设计了相应的硬件系统。 第四章 :简单介绍控制系统的软件功能 ，设计了主要的软件流程；设计了 控制系统主程序流程图 、 模数转换 (A/D)模块 、 PWM波生成模块。 第五章 :总结论文以及对论文中 有关进一步研究和开发的思考。 精密机床半主动减振系统设计 5 第二章 机床半主动减振系统总体设计 2.1 机床动力学分析 2.1.1 机床工作原理 机床是将金属毛坯加工成机器零件的机器，它是制造机器的机器，所以又称为“工作母机”或“工具机” ,习惯上简称机床。 机床的分类有很多种，主要有以下分类方式： （ 1）按加工性质和使用刀具可分为：车床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床、螺纹加工机床、铣
24、床、刨 (插 )床、拉床、特种加工机床、锯床及其他机床。 （ 2）按加工精度可分为：三种精度等级，即普通精度机床、精密机床和高精度机床。 本文研究的是铣床，铣床的型号为 ML360-MA360，机床如图 2-1所示： 图 2-1 铣床 ML360-MA360 铣床是用铣刀对工件进行铣削加工的机床。它除了能铣削平面，沟槽、齿轮、螺纹和花键轴外，还能加工比较复杂的型面，效率较高。该铣床主要包括以下几个部分及各其作用： （ 1）床身：用来固定和支承铣床各部件，顶面上有供横梁移动用的水平导轨。前壁有垂直导轨，供升降台上下移动。内部装有主电动机， 主轴变速机构、主轴、电器设备及润滑油泵等部件。 （ 2）主轴：用来安装刀杆并带动铣刀旋转的，其作用是安装铣刀刀杆锥柄。 （ 3）电机：将电能转换成机械能，驱动机床工作。 底座 顶针 横向工作台 纵向工作台 电机 主轴 床身
