超磁致伸缩微驱动刀架的研究与控制仿真

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薄壁件具有材质轻薄、硬度较高等优点,被广泛应用于车辆、军事、航空航天等工业领域,但薄壁件在加工过程中易出现变形和切削颤振,使得零件的加工精度和表面质量下降,严重影响了生产效率。因此,研究颤振控制技术对实际生产具有重大现实意义。论文重点针对切削过程中的颤振问题,改善零部件表面质量展开研究。对切削颤振四种控制技术进行了总结,综述了超磁致伸缩驱动器(Giant Magnetostrictive Actuator,GMA)的研究现状,提出采用超磁致伸缩微驱动刀架作为车削颤振主动控制的执行器,以及模糊PID控制方法抑制颤振。首先,基于超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)线性压磁方程,建立GMA等效动力学模型;并就GMM棒长度和负载端质量两个参数,在时频域内对GMA系统动态特性进行分析,明确GMA结构设计的优化方向。仿真结果表明,设计GMA时应选择较短的GMM棒和较小的负载端质量,可以改善GMA系统的动态性能;将超磁致伸缩微驱动刀架简化为单自由度的质量-弹簧-阻尼振动动力学模型,引入切削力建立超磁致伸缩微驱动刀架的动力学模型,作为车削颤振主动控制的控制对象。其次,基于GMM工作机理及特性,设计超磁致伸缩微驱动刀架。利用理论公式对GMA进行结构设计,依据GMA结构参数设计刀具夹持装置。对刀具夹持装置进行应力分析,在非平稳状态和刀具夹持装置承受最大动态切削力条件下,分析设计的合理性;并对其进行模态分析,分析固有频率,避免在工作中因共振发生刀架损坏。再次,基于Ansys软件对GMA静态磁场进行分析,探究开闭合磁路状态下GMM棒磁场强度以及分布情况,验证GMA结构设计的合理性。研究发现,与开合磁路状态相比,在闭合磁路状态中GMM棒的磁感应强度较大、分布更均匀、且波动幅度小;为了验证GMA输出性能是否满足需求,对GMA进行实验研究。实验结果表明,GMA的输入电流频率与动态位移输出频率是同频关系;GMA在预压力为300N时输出性能最优;输入电流频率在50~400Hz时,GMA依然具有良好的动态输出性能,满足GMA应用于车削颤振抑制的输出参数要求。最后,基于GMA和超磁致伸缩微驱动刀架的模型,在Matlab/Simulink建立了系统仿真模型。对PID控制与模糊PID控制进行对比仿真分析。仿真结果表明,与PID控制相比,模糊PID控制的阶跃响应曲线的指标,超调量、调节时间更短,但上升时间稍长;采用模糊PID控制或PID控制抑制车削颤振具有良好效果,且模糊PID控制效果更好。
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