薄壁件切削顫振控制研究綜述*

吳 雁 何 勇 宋浩然 丁志娟 葉鳴強(qiáng) 劉旭輝

(①上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201418；②上海亦貝實(shí)業(yè)有限公司，上海 201106)

薄壁件因其重量輕、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)，但薄壁件在加工中易發(fā)生變形和切削顫振，嚴(yán)重影響了零件表面質(zhì)量和加工精度。因此，研究顫振控制技術(shù)減少顫振的影響具有重要現(xiàn)實(shí)意義[1]。

目前，切削顫振控制技術(shù)的研究主要有4個方面：被動控制、主動控制、半主動控制和參數(shù)調(diào)整。劉海波等[2]通過設(shè)計(jì)一種磁流變液柔性夾具提高薄壁件的固有頻率和剛度，擴(kuò)大了切削穩(wěn)定區(qū)域的范圍，實(shí)現(xiàn)無顫振切削。針對薄壁件車削過程中的顫振抑制問題，Ma H等[3]提出一種由自適應(yīng)滑?？刂破骱臀诲e場重構(gòu)組成的主動控制方法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法能夠有效抑制薄壁件車削顫振?？滋鞓s等[4]基于設(shè)計(jì)的磁流變智能鏜桿，提出變結(jié)構(gòu)剛度顫振半主動控制方法來改變鏜桿的剛度和阻尼特性，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外，一些學(xué)者通過調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速來抑制顫振，Ding L等[5]提出了一種變主軸轉(zhuǎn)速的閉環(huán)切削系統(tǒng)，采用無模型控制器對變主軸轉(zhuǎn)速的幅值進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速的閉環(huán)系統(tǒng)可以破壞再生顫振產(chǎn)生的條件，抑制車削顫振。

本文通過對4類切削顫振控制技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納和總結(jié)，并對采用新型驅(qū)動器的主動抑制顫振進(jìn)行分析。針對薄壁件車削過程中出現(xiàn)的顫振問題，提出基于超磁致伸縮驅(qū)動器車削顫振主動控制方案，以期為廣大學(xué)者在研究薄壁零件切削顫振問題提供參考。

1 切削顫振控制技術(shù)

1.1 被動控制技術(shù)

被動控制技術(shù)是通過提高切削系統(tǒng)的剛度、阻尼或使用附加阻尼器吸收切削系統(tǒng)額外能量來抑制顫振。宋清華等[6]提出了一種約束阻尼型鏜桿設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法，基于該方法設(shè)計(jì)的鏜桿具有高靜剛度和阻尼，可以提高鏜削過程中的動態(tài)性能。實(shí)驗(yàn)研究表明，約束阻尼型鏜桿抑顫能力比普通鏜桿提高了5倍。

Silva D等[7]在刀架上嵌入壓電片并連接到無源分流電路，這個電路為系統(tǒng)提供額外的阻尼。使用壓電元件的無源分流電路后，可以抑制車削、鏜削顫振，但是該方法使用的電路魯棒性差，還有一些技術(shù)困難需要突破。

Wang M等[8]對幾種常用調(diào)諧質(zhì)量阻尼器在切削顫振控制中的性能進(jìn)行研究和分析，研究結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的阻尼器均可以提高臨界極限切削深度。

通過上述研究表明，被動控制技術(shù)具有易于實(shí)現(xiàn)、成本低及不需要外部能量等優(yōu)點(diǎn)。但由于機(jī)床結(jié)構(gòu)和切削過程中的不確定性，一些被動阻尼器需要非常精確的控制參數(shù)，加之其部件體積較大、魯棒性差等原因，使得在機(jī)床上的應(yīng)用受到很大限制。

1.2 主動控制技術(shù)

主動控制技術(shù)是基于傳感技術(shù)對振動信號采集，由控制系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)算來控制執(zhí)行器，輸出相位相反的位移和力，來抑制或消除顫振。在主動控制技術(shù)中最常用的是壓電和電磁執(zhí)行器，研究表明他們具有很強(qiáng)的魯棒性。

Wang C等[9]設(shè)計(jì)一種適用于三軸銑床智能刀架，他們將壓電執(zhí)行器和傳感器集成到刀架中。并提出了一種考慮刀具螺旋角和彎曲的自適應(yīng)的顫振抑制方法，實(shí)驗(yàn)研究表明，該方法能有效抑制顫振。

Wan S等[10]設(shè)計(jì)了集成二維電磁執(zhí)行器的主軸系統(tǒng)，根據(jù)主軸振動設(shè)計(jì)的閉環(huán)控制回路來抑制銑床顫振。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的方法和系統(tǒng)能夠很好地抑制銑削顫振。

隨著現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者將人工智能控制方法應(yīng)用到主動顫振控制當(dāng)中。目前，常用的控制方法有模糊控制，最優(yōu)控制，自適應(yīng)控制等等。Li D等[11]提出了一種基于壓電作動器嵌入刀架的主動控制方法，依據(jù)主軸-刀架-刀具系統(tǒng)的動態(tài)特性設(shè)計(jì)模糊控制器，并在不同銑削條件下進(jìn)行了仿真分析和銑削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，提出的主動控制方法可以提高銑削穩(wěn)定性。

Fredy Kuster等[12-13]提出了一種基于模型的最優(yōu)控制策略，對干擾抑制和穩(wěn)定方法進(jìn)行了討論。研究發(fā)現(xiàn)，在特定的切削條件下，擾動抑制提高了最小臨界軸向切削深度，而擾動穩(wěn)定方法比擾動抑制方法表現(xiàn)出更好的性能。但是，建立的模型較為復(fù)雜，且魯棒性較差，只能在特定切削下表現(xiàn)較好顫振抑制效果。

Fallah M等[14]針對內(nèi)車削過程中的顫振抑制具體問題，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)控制反饋控制器，在實(shí)驗(yàn)中所設(shè)計(jì)的控制器能有效地抑制不良振動。

上述智能控制方法都可以抑制顫振，但他們所提出的復(fù)雜動態(tài)模型或復(fù)雜算法，在實(shí)踐中很難準(zhǔn)確地建立，且存在控制精度不高、穩(wěn)態(tài)誤差等缺點(diǎn)。因此，對于主動控制技術(shù)的研究，未來需要開發(fā)出具有更加魯棒性、自適應(yīng)、智能化的控制系統(tǒng)。

1.3 半主動控制技術(shù)

半主動控制技術(shù)是通過對切削系統(tǒng)的某些參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，改變系統(tǒng)的剛度和阻尼等動特性破壞再生效應(yīng)產(chǎn)生的擾動來消除或減弱顫振。近年來，電流變、磁流變智能材料在顫振控制領(lǐng)域迅速發(fā)展，許多學(xué)者通過調(diào)整智能材料減振裝置的電流、電壓等電參數(shù)實(shí)現(xiàn)顫振控制，取得很好的效果。

Sajedi Pour D等[15]設(shè)計(jì)了一種半主動模糊控制器，控制磁流變阻尼器改變車床的剛度和阻尼抑制顫振。分析表明，所設(shè)計(jì)的控制器可使穩(wěn)定性邊界提高約50%。但是系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)時間太長，控制算法還需要改進(jìn)。

苗鴻賓等[16]針對深孔加工中的顫振問題,提出了一種基于電流變減振器的半主動模糊控制方法。仿真結(jié)果表明，該半主動方法抑顫效果良好。

通過上述研究表明，將磁流變、電流變等智能材料應(yīng)用到顫振控制中，能使得制造系統(tǒng)的效率和能力最大化。但有關(guān)智能材料在工業(yè)應(yīng)用上，目前還沒有一套成熟和完善的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)主動裝置的設(shè)計(jì)、安裝和校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化制造。

1.4 參數(shù)調(diào)整技術(shù)

參數(shù)調(diào)整技術(shù)是通過改變切削參數(shù)破壞再生顫振產(chǎn)生的條件，來達(dá)到抑制顫振目的，調(diào)整的切削參數(shù)主要有主軸轉(zhuǎn)速、切削速度和切削深度等。目前，變主軸轉(zhuǎn)速抑顫技術(shù)應(yīng)用最多、最成熟。

Otto A等[17]研究了變主軸轉(zhuǎn)速車削過程的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，與恒速加工相比，在車削工藝中實(shí)施變主軸轉(zhuǎn)速技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高的穩(wěn)定切削寬度。Wu D等[18]采用變主軸轉(zhuǎn)速技術(shù)來抑制非圓車削顫振。研究發(fā)現(xiàn)，主軸轉(zhuǎn)速的幅值比頻率對穩(wěn)定極限影響更顯著。

Ding L等[19]提出了一種同時調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速幅值和頻率的顫振抑制系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)研究主軸轉(zhuǎn)速幅值和頻率兩種參數(shù)對車削穩(wěn)定性的影響，表明了所提出的顫振抑制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

目前，變主軸轉(zhuǎn)速抑制顫振理論研究較為成熟，該方法具有不需改動機(jī)床、成本低且有效抑制顫振的特點(diǎn)。但是，變主軸轉(zhuǎn)速在機(jī)床上應(yīng)用受限較多。主要是在高速切削下，主軸轉(zhuǎn)速的微小擾動可能導(dǎo)致主軸系統(tǒng)的嚴(yán)重不平衡和不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致機(jī)床部件的災(zāi)難性故障，以及存在主軸驅(qū)動系統(tǒng)響應(yīng)時間，導(dǎo)致該技術(shù)在機(jī)床上的應(yīng)用受到很大阻礙。

2 基于超磁致伸縮驅(qū)動器顫振抑制策略

目前，許多學(xué)者利用超磁致伸縮驅(qū)動器(giant magnetostrictive actuator，GMA)作為執(zhí)行元件抑制切削顫振。李東等[20]考慮再生型顫振對工件及超磁致伸縮驅(qū)動器的共同影響，建立了GMA車削顫振動力學(xué)模型，采用自適應(yīng)控制方法對顫振系統(tǒng)進(jìn)行分析，表明該控制方法具有較高的跟蹤精度，但是該控制方法沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

李瑩等[21]考慮溫度及彈簧非線性的影響建立GMA車削系統(tǒng)動力學(xué)模型，提出了一種模糊自適應(yīng)控制方法，采用PBF前饋逆模型多模反饋設(shè)計(jì)了控制器，利用仿真驗(yàn)證了該方法有效性。與經(jīng)典的PID控制方法相比該方法具有更強(qiáng)的適應(yīng)性，但建立的非線性動力學(xué)模型和設(shè)計(jì)的控制方法較為復(fù)雜。

陳月芬等[22]設(shè)計(jì)了一種基于GMA的車削顫振主動控制系統(tǒng)，采用模糊自適應(yīng)的PID控制方法來抑制車削振動，經(jīng)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法可以有效抑制顫振，但是該方法只能在特定條件下表現(xiàn)出良好的效果，通用性不高。

王茂方等[23]設(shè)計(jì)了一種基于GMA的柔性鉸鏈刀架的車削顫振主動控制系統(tǒng)，對所設(shè)計(jì)的NLMS自適應(yīng)控制算法進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該控制方法可以有效抑制顫振。但是作者只進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，沒有進(jìn)行車削實(shí)驗(yàn)。

薄壁零件具有剛性差，強(qiáng)度低，工藝性差等特性，針對薄壁件車削過程中出現(xiàn)的顫振問題，本文提出一種基于GMA的智能刀架車削顫振控制系統(tǒng)，采用模糊自適應(yīng)PID控制方法抑制顫振，控制方案如圖1所示。在顫振剛發(fā)生時，利用控制算法自適應(yīng)調(diào)整超磁致伸縮驅(qū)動器輸出與顫振同頻率但方向相反的力和位移，并作用在刀具上來抑制切削顫振。超磁致伸縮驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其工作原理：超磁致伸縮棒在通電線圈提供的激勵磁場及上下兩端永磁體提供的偏置磁場作用下，輸出一定的力和位移，利用輸出頂桿傳導(dǎo)并作用在專用刀具上。通過控制算法調(diào)整GMA的輸入電流大小與頻率來改變激勵磁場，進(jìn)而控制輸出力和位移。

Liu X H等[24-26]基于ANSYS軟件對GMA內(nèi)部磁場密度分布進(jìn)行了仿真研究，并通過搭建了輸出力與輸出力響應(yīng)時間的性能測試系統(tǒng)，對所設(shè)計(jì)的GMA輸出力、輸出力的響應(yīng)時間進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。仿真結(jié)果表明：優(yōu)化永磁體的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以提高GMA性能，還驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的GMA內(nèi)部磁場合理性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的GMA在預(yù)壓力為400 N條件下，輸出力最大值約為53.91 N；在預(yù)壓力為300 N條件下，輸出力的響應(yīng)時間最短為180 ms左右。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的GMA可以滿足抑制策略需求。

在后續(xù)研究工作中，將考慮刀具和工件熱變形對顫振動力學(xué)的影響，建立二自由度正交車削顫振動力學(xué)模型，設(shè)計(jì)GMA車削顫振控制器來提高控制系統(tǒng)的可靠性和魯棒性[27]?；谝陨涎芯浚捎肎MA的智能刀架車削控制系統(tǒng)可以改善薄壁件的加工質(zhì)量和加工精度。

3 結(jié)語

本文結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對薄壁件顫振控制進(jìn)行了歸納和總結(jié)，對超磁致伸縮驅(qū)動器主動抑顫進(jìn)行分析。針對薄壁件車削過程中出現(xiàn)的顫振問題，提出了基于超磁致伸縮驅(qū)動器車削顫振主動控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了抑制顫振的要求。

從上述諸多學(xué)者對顫振控制的研究發(fā)現(xiàn)，為了能夠更精準(zhǔn)、更快速地抑制顫振，切削顫振控制技術(shù)的研究可以從以下幾個方面突破：

(1)研究非線性顫振理論，建立與實(shí)際機(jī)床動力學(xué)特性相近的顫振模型，設(shè)計(jì)出更智能的控制算法，開發(fā)可以自主學(xué)習(xí)、進(jìn)化的控制系統(tǒng)。

(2)改進(jìn)和完善智能材料在工業(yè)應(yīng)用上的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、分析建模技術(shù)，達(dá)到快速設(shè)計(jì)此類減振裝置的目的。

(3)研究可靠的智能傳感技術(shù)、相關(guān)的信號處理技術(shù)和分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)顫振信號高速、實(shí)時的傳輸，提高控制系統(tǒng)的性能。