壓電傳感技術(shù)在深孔鉆桿渦動(dòng)控制中的應(yīng)用研究*

王俊彥 苗鴻賓 倪 璟

(①中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051；②山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051；③太原鐵路機(jī)械學(xué)校，山西 太原 030006)

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壓電傳感技術(shù)在深孔鉆桿渦動(dòng)控制中的應(yīng)用研究*

王俊彥①②苗鴻賓①②倪 璟③

(①中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051；②山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051；③太原鐵路機(jī)械學(xué)校，山西 太原 030006)

對(duì)深孔加工中鉆桿渦動(dòng)失穩(wěn)的控制方法進(jìn)行了研究，對(duì)鉆桿的受力情況及運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行了分析?；谀：刂评碚摲椒?，結(jié)合壓電傳感技術(shù)，提出一種鉆桿渦動(dòng)的橫向位移的控制方法。并對(duì)控制方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明了壓電主動(dòng)控制方法的合理性，對(duì)鉆桿系統(tǒng)的渦動(dòng)控制的研究具有實(shí)際意義。

渦動(dòng)失穩(wěn)；壓電控制；模糊理論；鉆桿；深孔加工

隨著制造業(yè)的飛速發(fā)展，深孔加工也越來越受到重視，深孔加工的難度越來越大，現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)于深孔的加工質(zhì)量的要求也逐漸變高。深孔為長徑比(L/D)大于5的孔[1]，此時(shí)的鉆桿表現(xiàn)為長度很大的柔性桿，剛度差，兩端受壓且受扭轉(zhuǎn)力矩作用。鉆削過程中，由于工件高速旋轉(zhuǎn)、高壓切削油的擾動(dòng)、工件材料不均勻等因素的影響，使得鉆桿發(fā)生渦動(dòng)現(xiàn)象，更嚴(yán)重時(shí)鉆桿渦動(dòng)失穩(wěn)，直接導(dǎo)致加工質(zhì)量下降或工件報(bào)廢，造成不可挽回的經(jīng)濟(jì)損失。渦動(dòng)是一種鉆桿偏離本身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，即鉆桿在自轉(zhuǎn)的同時(shí)，也繞自身軸線公轉(zhuǎn)。本文提供一種鉆桿渦動(dòng)控制研究方法。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外對(duì)深孔加工中鉆桿渦動(dòng)的研究還比較少，多見于對(duì)石油鉆桿的渦動(dòng)研究。渦動(dòng)研究方面，Gessesse等[2]在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了深孔加工中孔壁螺旋刮痕形成的原因。Fu-jii等[3]在研究中發(fā)現(xiàn)刃弧角度不同的鉆孔刀具對(duì)鉆桿的渦動(dòng)行為有影響，分別闡述了鉆桿渦動(dòng)的發(fā)展規(guī)律及抑制鉆桿渦動(dòng)的方法。Zhou等[4]將動(dòng)態(tài)模型中的方法技術(shù)應(yīng)用到抑制旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)中。燕山大學(xué)的胡占齊等[5]建立了BTA鉆桿渦動(dòng)動(dòng)壓計(jì)算模型，得到鉆桿發(fā)生渦動(dòng)的條件及影響因素。西安理工大學(xué)的孔令飛等[6]研究了BTA鉆桿的系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)，建立了鉆桿的流體動(dòng)壓模型。壓電控制方面，Bailey等[7]最早將壓電材料應(yīng)用到懸臂梁振動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)研究中。Palazzolo等[8]利用壓電致動(dòng)器控制旋轉(zhuǎn)機(jī)械的主動(dòng)振動(dòng)，控制傳感器為兩個(gè)渦流傳感器。Lee等[9]最早給出了模態(tài)傳感器與模態(tài)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)方法，并用于梁的橫向振動(dòng)，獲得滿意的控制效果。

深孔鉆桿系統(tǒng)的渦動(dòng)研究及其控制應(yīng)用正逐步引起廣大專家的關(guān)注。正是由于鉆桿渦動(dòng)對(duì)深孔加工的影響，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，全面分析研究了深孔鉆桿系統(tǒng)的渦動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)將壓電傳感器技術(shù)應(yīng)用于深孔鉆桿的渦動(dòng)控制研究中。

1 鉆桿系統(tǒng)的渦動(dòng)失穩(wěn)

深孔鉆削過程中，鉆入工件內(nèi)部的鉆桿在內(nèi)外切削液的共同影響下，鉆桿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖1所示。加工過程中，由于不平衡力、高壓切削液擾動(dòng)以及鉆桿受到軸向進(jìn)給力的彎曲等因素，使鉆桿與切削液或工件內(nèi)壁產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，摩擦作用使鉆桿受到切向力，導(dǎo)致鉆桿產(chǎn)生公轉(zhuǎn)，即渦動(dòng)現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)加劇鉆桿的振動(dòng)，導(dǎo)致鉆桿失穩(wěn)。

如圖1所示，鉆桿與工件的半徑間隙為C=R-R1，R為孔半徑，R1為鉆桿半徑，偏心距為e=Cε，ε為鉆桿偏心率，鉆桿旋轉(zhuǎn)的角速度為ω，渦動(dòng)角速度為Ω，工件幾何中心為靜止坐標(biāo)系原點(diǎn)O，動(dòng)、靜坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角坐標(biāo)分別為φ、φ，且ω=dφ/dt和Ω=dφ/dt。將鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到切削液的擾動(dòng)流體力看作是鉆桿速度與位移的函數(shù)，把鉆桿受到的擾動(dòng)流體力沿鉆桿徑向和周向分解為徑向分力Fe與周向分力Fφ。順鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從切削液最大厚度處取θ角為周向坐標(biāo)。依據(jù)轉(zhuǎn)子動(dòng)壓潤滑理論處理同類型問題的方法，在常規(guī)假設(shè)條件下[10]，運(yùn)用Reynolds方程描述如下：

(1)

(2)

(3)

積分整理后得：

(4)

2 鉆桿系統(tǒng)的壓電控制

本文提供一種基于薄膜應(yīng)變傳感器的壓電傳感設(shè)備來抑制鉆桿的渦動(dòng)或渦動(dòng)失穩(wěn)，建立機(jī)電耦合的壓電鉆桿結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)鉆桿系統(tǒng)的渦動(dòng)行為進(jìn)行控制,并且假設(shè)鉆桿為歐拉梁。其設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，其工作原理是將嵌入薄膜式應(yīng)變傳感器的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷片(PZT)粘貼固化在鉆桿表面，組成壓電鉆桿系統(tǒng)，薄膜式應(yīng)變傳感器接受鉆桿變形，經(jīng)過全橋電路，將電壓信號(hào)傳遞到動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀，傳遞給控制器，控制器將收到的信號(hào)放大，傳遞至執(zhí)行元件，觸發(fā)壓電陶瓷片對(duì)鉆桿產(chǎn)生與鉆桿渦動(dòng)反向的動(dòng)作，使鉆桿系統(tǒng)發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)變，改變鉆桿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)阻尼，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆桿系統(tǒng)渦動(dòng)失穩(wěn)的控制。

2.1 鉆桿系統(tǒng)的壓電控制

根據(jù)上文分析，在鉆桿靠近刀頭一側(cè)均布四塊嵌入薄膜應(yīng)變片的壓電片，為方形壓電片，其對(duì)角線長度為b，厚度為tb，鉆桿外徑為D，壓電片后接控制系統(tǒng)，與采集系統(tǒng)、PC控制機(jī)共同組成傳感控制系統(tǒng)。根據(jù)第I類[11]壓電方程(e型壓電方程)，彈性體的壓電片受力變形遵循胡克定律，其傳感機(jī)理可表示為：

(5)

PZT壓電傳感器的獨(dú)立分量只有d15，d24，d31，d32，d33，且d15=d24，d31=d32。PZT壓電傳感器的輸出是本身應(yīng)變?cè)跇O化方向上作用的響應(yīng)，進(jìn)行鉆桿壓電控制時(shí)，固化在鉆桿表面上的PZT壓電傳感控制元件的輸出電荷為：

Q=D3Sp=d31T1Sp=d31EpztS1Sp

(6)

式中：Sp為壓電傳感器的有效面積；Epzt為壓電傳感器的彈性模量；S1為壓電傳感器固化位置鉆桿的應(yīng)變。

PA=KAd31Utm

(7)

式中：PA為制動(dòng)器力；U為輸入制動(dòng)器的控制電壓；tm為壓電薄膜到中性層的距離，tm=tb/2。則壓電控制傳感制動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)微分方程可表示為

(8)

本文中壓電控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的深孔加工機(jī)床上添加一套控制系統(tǒng)，是將嵌入薄膜式應(yīng)變傳感器的壓電片固化在鉆桿表面上，結(jié)合外部控制電路形成的一種控制設(shè)備，系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方法，整個(gè)控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，振動(dòng)結(jié)構(gòu)體和智能控制系統(tǒng)。

鉆桿振動(dòng)四階方程：

(9)

根據(jù)固有振型展開定理，鉆桿振動(dòng)位移用鉆桿的固有振型Φi的線性組合來表示：

(10)

控制鉆桿渦動(dòng)，需要建立鉆桿的狀態(tài)空間方程，引入狀態(tài)空間向量：

聯(lián)立式(8)、式(10)，結(jié)合狀態(tài)向量，狀態(tài)空間方程為：

(11)

(12)

固有振型及其一階導(dǎo)數(shù)為：

(13)

則有一階振動(dòng)模態(tài)：β1=1.875/L，D1=-0.091，E1=-1，β1=0.091。

2.2 模糊化控制規(guī)則制定

模糊控制器的控制接口根據(jù)薄膜式應(yīng)變傳感器測(cè)量到應(yīng)變值轉(zhuǎn)化成的橫向位移及誤差轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)哪：刂普Z言，并根據(jù)數(shù)學(xué)工具加以數(shù)量化，最后給出模擬算法，指導(dǎo)PC機(jī)給出指令控制鉆桿渦動(dòng)。

在論域[-400～400]上的控制電壓Uj變量集(PBu低，PSu較低,Ou中, NSu較高,NBu高)，對(duì)應(yīng)控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

YLBLMBHHUNBuNSuPBuPSuOu

表中Y為鉆桿橫向位移，U為輸入控制電壓。其隸屬度函數(shù)如圖3、圖4所示。

3 深孔加工渦動(dòng)控制試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述分析的有效性，筆者在Z2120型BTA深孔鉆床上建立了渦動(dòng)控制系統(tǒng)，具體安裝前文已詳盡敘述。

試驗(yàn)中Z2120型BTA深孔鉆床的主要技術(shù)規(guī)格如下：

加工方式：工件旋轉(zhuǎn)-刀具進(jìn)給；

鉆削直徑：30～80 mm；

中心高度：350 mm；

轉(zhuǎn)速：1 460 r/min；

渦動(dòng)控制的試驗(yàn)條件為：

刀具：BTA錯(cuò)齒刀具；

試件材料：45鋼；

試件直徑：100 mm；

試件長度：1 000 mm；

加工深度：100 mm；

主軸轉(zhuǎn)速：650 r/min；

進(jìn)給量：0.2 mm/r；

輸入控制電壓：-400～400 V。

壓電片參數(shù)：

彈性模量：Epzt=6.3×1010Pa；

壓電常數(shù)：d31=1.2×10-10C/N；

厚度：tb=5 mm；

對(duì)角線長度：b=12 mm；

電容率：Ep=7.3×10-12F/m；

電容量：Cp=5.8×10-12F。

試驗(yàn)中，在上述試驗(yàn)條件下分別做了3組試驗(yàn)，第一組、第二組是在鉆桿上用振動(dòng)發(fā)生儀施加振動(dòng)，其中：

第一組輸入信號(hào)頻率f為10 Hz，幅值A(chǔ)為2 mm的正弦信號(hào)作為系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)，得到壓電控制鉆桿系統(tǒng)的橫向位移軌跡如圖5。

第二組是在給定與第一組相同頻率，但幅值隨機(jī)的激勵(lì)信號(hào)，得到壓電控制鉆桿系統(tǒng)的橫向位移軌跡如圖6。

第三組則是在實(shí)際加工一段時(shí)間，待加工穩(wěn)定后，在控制器端施加電場(chǎng)。圖7是截取控制前5 s和控制后3 s時(shí)的壓電控制鉆桿系統(tǒng)的橫向位移軌跡。

對(duì)比圖5、6得在給定相同頻率，不同振幅的激勵(lì)信號(hào)時(shí)，基于模糊控制的壓電控制鉆桿系統(tǒng)都得到了良好的渦動(dòng)抑制效果。圖7實(shí)際加工中，鉆頭受多方面因素影響，進(jìn)而影響鉆桿位移呈隨機(jī)多變，在施加基于模糊控制的電場(chǎng)后，鉆桿系統(tǒng)也得到了良好的渦動(dòng)抑制效果。

前文中提到，鉆桿的渦動(dòng)現(xiàn)象主要是會(huì)嚴(yán)重影響被加工孔的表面質(zhì)量，進(jìn)行對(duì)鉆桿的渦動(dòng)控制也主要是提高被加工孔的表面質(zhì)量。試驗(yàn)后，筆者在高倍顯微鏡下對(duì)施加控制前后的被加工孔的表面螺旋刮痕進(jìn)行了對(duì)比，如圖8所示，施加控制后，被加工孔的表面粗糙度值明顯減小。

4 結(jié)語

(1)本文分析了鉆桿渦動(dòng)的受力情況和運(yùn)動(dòng)方式，基于模糊控制理論進(jìn)行了壓電鉆桿系統(tǒng)的主動(dòng)控制模型構(gòu)建并進(jìn)行了理論推導(dǎo)。

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明：基于模糊控制的壓電控制鉆桿系統(tǒng)能夠有效地減小鉆桿渦動(dòng)幅值，進(jìn)而有效改善被加工孔的表面質(zhì)量。在實(shí)際應(yīng)用中還需對(duì)其控制策略進(jìn)行進(jìn)一步的探討研究，以期得到更好的控制效果。

[1]王峻．現(xiàn)代深孔加工技術(shù)[M]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005.

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Research on the application of piezoelectric sensing technology in the vortex control of deep hole drill pipe

WANG Junyan①②, MIAO Hongbin①②, NI Jing③

(①School of Mechanical and Power Engineering, North University of China, Taiyuan 030051,CHN;②Shanxi Province Deep Hole Machining Center, Taiyuan 030051, CHN;③Taiyuan Railway Machinery School, Taiyuan 030006, CHN)

In the deep hole machining, the control method of the drill rod vortex instability is studied, the stress situation and the motion forms of the drill pipe are analyzed.Based on the fuzzy control theory and the piezoelectric sensing technology, the control method of the lateral displacement of drill pipe vortex is proposed.The control method is tested and verified.The test results show that the piezoelectric active control method is reasonable, and it has practical significance for the research of the vortex control of the drill pipe system.

vortex instability; piezoelectric control; fuzzy theory; drill pipe; deep hole machine

* 山西省留學(xué)回國人員項(xiàng)目基金( 2015 - 077)

TH113;TG65

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.007

王俊彥，男，1989年生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代深孔加工技術(shù)。

(編輯 汪 藝)

2016-09-04)

161114