功率放大器基于磁流變阻尼調(diào)控的薄壁件加工抑振研究

研究方向:

機(jī)械加工

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:

功率ATA-304功率放大器、磁流變阻尼抑振設(shè)備、電渦流傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、上位機(jī)（筆記本）、S-ADRC控制器。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

為實(shí)現(xiàn)薄壁件銑削過(guò)程中的顫振抑制，本文選擇典型的懸臂式 T 型板作為銑削振動(dòng)抑制試驗(yàn)的控制對(duì)象，開(kāi)發(fā)了基于磁流變阻尼的薄壁件振動(dòng)控制系統(tǒng)。薄壁件振動(dòng)控制系統(tǒng)包括硬件部分與軟件部分，S-ADRC 控制器集成到 LabVIEW 編寫(xiě)的薄壁件抑振調(diào)控軟件中，作用到磁流變阻尼抑振設(shè)備上?；诒”诩駝?dòng)控制系統(tǒng)在加工中心進(jìn)行了薄壁件的側(cè)銑試驗(yàn)，通過(guò)控制器實(shí)時(shí)調(diào)控磁流變阻尼實(shí)現(xiàn)了懸臂式薄壁件側(cè)銑加工的振動(dòng)抑制。

圖：磁流變阻尼抑振設(shè)備實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程:

選擇典型的懸臂式T型板作為銑削振動(dòng)抑制試驗(yàn)的控制對(duì)象，開(kāi)發(fā)了基于磁流變阻尼的薄壁件振動(dòng)控制系統(tǒng)。薄壁件振動(dòng)控制系統(tǒng)包括硬件部分與軟件部分，S-ADRC控制器集成到LabVIEW編寫(xiě)的薄壁件抑振調(diào)控軟件中，作用到磁流變阻尼抑振設(shè)備上。基于薄壁件振動(dòng)控制系統(tǒng)在加工中心進(jìn)行了薄壁件的側(cè)銑試驗(yàn)，通過(guò)控制器實(shí)時(shí)調(diào)控磁流變阻尼實(shí)現(xiàn)了懸臂式薄壁件側(cè)銑加工的振動(dòng)抑制。

圖：基于磁流變阻尼抑振設(shè)備的薄壁件銑削振動(dòng)控制系統(tǒng)

進(jìn)行磁流變阻尼調(diào)控的薄壁件銑削抑振試驗(yàn)，在銑削試驗(yàn)之前需要進(jìn)行一系列試驗(yàn)準(zhǔn)備，比如編寫(xiě)銑削加工G代碼、安裝磁流變阻尼抑振涉設(shè)備、連接各個(gè)硬件之間電路、調(diào)試程序參數(shù)、攪拌磁流變液等等。

圖：薄壁件銑削抑振試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置和調(diào)控系統(tǒng)圖

由于試驗(yàn)中選用的是電渦流傳感器測(cè)量薄壁件的振動(dòng)位移，考慮到電渦流傳感器線性工作的區(qū)間是0.6-2.6mm，并且與電壓信號(hào)之間的標(biāo)定比例系數(shù)為2.5。傳感器和薄壁件的初始間距設(shè)置為1mm，所以控制器的目標(biāo)值v0設(shè)置為2.5。一切準(zhǔn)備就緒后，開(kāi)始銑削試驗(yàn)。銑削試驗(yàn)分為兩組，一組是在容器中倒入150ML的磁流變液但是不進(jìn)行磁流變阻尼控制，另一組是在容器中倒入150ML的磁流變液且加工時(shí)施加磁流變阻尼控制。兩組試驗(yàn)切削參數(shù)均選用主軸轉(zhuǎn)速3000rpm，軸向切深2.5mm，徑向切深0.5mm。薄壁件的材料選用鋁7075，厚度5mm。銑刀選用三刃硬質(zhì)合金立銑刀，直徑10mm。

圖：電渦流傳感器模型圖

電渦流傳感器被支架固定在工件的非切削側(cè)并且距離工件表面1mm處，另一端連接著數(shù)據(jù)采集卡，采樣頻率為19200Hz。振動(dòng)狀態(tài)被傳輸?shù)娇刂破鳎?jīng)過(guò)解算的控制量經(jīng)過(guò)采集卡的輸出端傳輸?shù)焦β史糯笃?，被放大之后反饋到磁流變阻尼抑振設(shè)備，抑制工件的振動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果:

薄壁件切削試驗(yàn)分為兩組，第一組試驗(yàn)切削參數(shù)設(shè)置為主軸轉(zhuǎn)速3000r/min，軸向切削深度2.5mm，徑向切削深0.5mm，進(jìn)給速度為300mm/min。第一組切削實(shí)驗(yàn)不受磁流變阻尼控制。第二組切削試驗(yàn)參數(shù)選取與第一組完全相同，開(kāi)啟S-ADRC控制器，根據(jù)采集的振動(dòng)信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整電壓輸出改變磁流變和工藝系統(tǒng)的阻尼特性。兩組切削試驗(yàn)薄壁件振動(dòng)曲線如下圖所示。

圖：切削過(guò)程振動(dòng)信號(hào)(a)未施加控制(b)施加磁流變阻尼控制

把兩組試驗(yàn)振動(dòng)信號(hào)通過(guò)傅里葉變化，觀察兩組信號(hào)中顫振頻率的區(qū)別。圖4顯示了未施加磁流變阻尼控制和施加磁流變阻尼控制兩種銑削試驗(yàn)條件下的傅里葉頻譜，此外，不同銑削試驗(yàn)條件下加工工件的表面振紋與3D表面形貌圖像如下圖5所示。

圖：頻譜圖(a)未施加控制(b)施加磁流變阻尼控制

從第一組試驗(yàn)結(jié)果可以分析出，在沒(méi)有施加磁流變阻尼控制的情況下，銑削加工中工件的振動(dòng)幅度達(dá)到0.15mm，頻譜圖除了有軸頻50Hz、刀齒通過(guò)頻率也就是基頻的倍數(shù)之外，還出現(xiàn)了257Hz和768Hz的顫振頻率。這說(shuō)明了選擇不穩(wěn)定切削域內(nèi)的加工參數(shù)，并且在不施加磁流變阻尼控制時(shí)進(jìn)行銑削試驗(yàn)引發(fā)了顫振現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)也驗(yàn)證了銑削穩(wěn)定性葉瓣圖的準(zhǔn)確性。

在第二組實(shí)驗(yàn)中，施加磁流變阻尼控制之后的試驗(yàn)結(jié)果表明，銑削加工中工件的時(shí)域振動(dòng)幅度衰減至0.08mm，與未控制的幅度相比降低至其二分之一。從頻域上觀察，頻譜圖上257Hz和768Hz處的顫振頻率完全消失。這說(shuō)明施加了磁流變阻尼控制后，系統(tǒng)的穩(wěn)定域有所提高，加工參數(shù)落入了穩(wěn)定加工域內(nèi)。

圖：不同銑削試驗(yàn)條件下加工工件的表面振紋與3D表面形貌圖像

從ZYGO測(cè)量的三維形貌圖上可以看出，施加控制時(shí)銑削后的薄壁件表面粗糙度平均值為0.130μm，表面粗糙度的峰峰值為2.301μm，相比于不施加控制的表面粗糙度結(jié)果顯著降低。并且工件的已加工表面相比于未施加控制的工件表面更為平整光滑。兩組對(duì)比試驗(yàn)的結(jié)果表明該控制器通過(guò)增強(qiáng)磁流變液的阻尼作用，增強(qiáng)了薄壁零件的動(dòng)態(tài)特性，抑制了懸臂式薄壁件銑削加工中的振動(dòng)，提高了薄壁件的加工穩(wěn)定性。