【摘 要】
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由于滚珠丝杠进给系统运动结合部的低阻尼特性,在摩擦力、外部激振力等影响下,工作台在启、停、换向及驱动加速度发生突变的阶段会出现沿进给方向的振动,降低机床的加工精度,甚至影响刀具寿命、引起夹具松动。本文为了解决振动引起的进给系统运动平稳性差的问题,建立滚珠丝杠进给系统动力学模型,研究进给系统驱动参数和结合部特性参数对工作台进给方向振动的影响规律。为了抑制工作台的振动,基于主动控制理论设计适用于进给系
【基金项目】
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国家自然基金“新型磁流变阻尼式静压导轨及其高效精密控制策略研究”(编号:51775432);
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由于滚珠丝杠进给系统运动结合部的低阻尼特性,在摩擦力、外部激振力等影响下,工作台在启、停、换向及驱动加速度发生突变的阶段会出现沿进给方向的振动,降低机床的加工精度,甚至影响刀具寿命、引起夹具松动。本文为了解决振动引起的进给系统运动平稳性差的问题,建立滚珠丝杠进给系统动力学模型,研究进给系统驱动参数和结合部特性参数对工作台进给方向振动的影响规律。为了抑制工作台的振动,基于主动控制理论设计适用于进给系统的磁流变阻尼主动减振控制器,通过动力学联合仿真验证了该方法的可行性。论文的主要研究内容如下:利用馈能式悬架综合测试平台进行磁流变液阻尼器力学性能试验,探究磁流变液阻尼器输出阻尼力的特性及影响因素,发现其输出阻尼力对输入电流极为敏感,且力学特性曲线呈现出明显的非线性和滞回特性。为了准确地描述磁流变阻尼器输出阻尼力的复杂特性,采用归一化Bouc-Wen模型来描述磁流变液阻尼器的力学行为,根据力学特性实验数据采用遗传算法辨识其七项模型参数,将对电流敏感的模型参数拟合为与电流有关的指数型函数,最终在Simulink中搭建磁流变液阻尼器的仿真模型,经与实验数据对比与分析,认为该模型能够满足仿真分析的要求。考虑丝杠-螺母、丝杠-轴承等关键结合部的接触刚度,建立滚珠丝杠进给系统的动力学模型,并建立半闭环控制的伺服驱动系统模型。利用Simulink-ADAMS动力学联合仿真模型研究不同驱动参数和不同结合部刚度参数对进给系统启、停、换向阶段工作台进给方向振动的影响规律,并通过实验验证了仿真分析结论的正确性。研究发现:驱动速度和驱动加速度对工作台进给方向的振动影响较大,驱动速度或驱动加速度越大,其位移振幅越高;电机驱动速度曲线也会影响工作台进给方向的振动,相较于梯形速度曲线和7段S型速度曲线,5段S型驱动速度曲线驱动下工作台振动最小;在7段S型驱动速度曲线下研究发现,驱动加加速度对工作台振动的影响不明显。此外,进给系统结合部轴向刚度是影响工作台进给方向振动的根本原因,尤其是传递运动和力的丝杠-螺母副和丝杠-轴承结合部,当刚度较高时结合部弹性变形小、系统固有频率高,工作台呈现高频低幅振动特征。通过研究滚珠丝杠进给系统的驱动参数和结合部刚度参数对工作台振动的影响规律,为数控加工中驱动参数的选择及结构参数的优化提供宝贵的指导意见。为抑制进给系统在启、停、换向阶段工作台进给方向的振动,提出采用磁流变液阻尼器结合主动控制策略设计减振控制器。通过实时调整阻尼器的输入电流来调整阻尼器输出阻尼力,达到改善系统动态特性、抑制工作台振动的目的。依据进给系统启、停、换向阶段工作台进给方向的振动特性,以工作台进给方向的加速度偏差为控制器的反馈输入,分别采用PID控制和模糊控制实时调整阻尼器的输入电流来控制输出阻尼力,仿真结果表明模糊控制作用下的抑振效果优于传统的PID控制。
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