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机床切削颤振控制探究现状研究【摘　要】机床切削颤振是机床加工中一种常见的不稳定现象。本文从切削颤振的产生机理出发，研究了摩擦型、再生型、振型耦合型这三种目前公认的颤振类型。分别从主动、半主动和被动方面归纳总结了颤振控制的控制方法，并就其现存的问题进行了分析。最后对切削颤振控制的发展进行了展望，突出了智能控制的应用前景。 【关键词】切削颤振；产生机理；摩擦型；再生型；振型耦合型；颤振控制；智能控制 0.前言 机床振动是生产率和刀具使用寿命的主要影响因素,而在所有的这些振动中，颤振扮演着及其重要的角色。因此，如何有效地预防和控制颤振成了工程技术领域的一个重要课题。如今，工业程度不断提高，传统的控制理论越来越暴露出它的局限性。同时随着智能材料和智能结构的兴起[1,2,3]，对结构振动进行主动控制在技术实现上提供了发展空间。 1.切削颤振的分类与产生机理 切削颤振是机械加工过程中机床、工件和刀具之间发生的是一种复杂的动态不稳定现象。要消除或抑制颤振就必须研究它的产生机理和特性，进而提出防治的相应措施。颤振有许多类型，根据颤振形成的物理原因，目前公认的有摩擦型颤振、再生型颤振与振型耦合型颤振。 振型耦合型颤振是指由于振动系统在2个方向上的刚度相近,导致2个固有振型相接近时而引起的颤振。由J.Tlusty首次提出[4],后来有不少学者进行这方面的研究。Gasparetto建立了耦合模型对刀具的稳定及不稳定轨迹进行了研究并得到了切削稳定性条件[5]。 摩擦型颤振是指在切削速度方向上刀具与工件之间的相互摩擦所引起的颤振, 从1946年K.N.Arnold提出其产生机理以来,这方面有不少的研究与讨论。Neter Stelter建立了以简化悬臂梁在干摩擦作用下的摩擦型颤振模型，讨论了摩擦力识别和梁系统的时域特性问题[6]。 再生型颤振是指由于上次切削所形成的振纹与本次切削的振动位移之间的相位差导致刀具的切削厚度的不同而引起的颤振, 1954年由R.S.Hahn首次提出。此后，以S.A.Tobias，J.Tlusty和星铁太郎为代表的一大批研究者对再生颤振理论进行了大量的研究。目前，国内外对这种颤振机理研究的最多[7-11]，也由此提出了许多相关的诊断方法。 2.机床切削颤振控制的研究现状 控制颤振是研究颤振的最后环节,从 80年代开始, 国内外的研究人员在这方面已进行了大量的工作, 颤振控制总的来说可分为两大类：振动控制方法和调整切削参数的控制方法。振动控制方法中, 又根据控制执行装置性质的不同分为主动控制方法、半主动控制方法和被动控制方法。 2.1主动控制 主动控制就是采用反馈控制的原理, 检测出系统的某一状态量(切削力或位移 )的变动, 然后把与状态量同频率和幅度但反相的控制量加到这个状态量本身或作相应变动后加在其它状态量上去。例如, 王先上[12]在外圆车削中直接将动态切削力信号放大并反相后作为电磁激振器的输入信号, 这样可使施加给工件的激励力始终跟踪动态切削力并反相。主动控制技术发展到今天，已经产生了许多比较成熟的控制方法，主要分为两大类:传统的主动控制方法与智能控制方法。传统的控制方法主要有:最优控制法、极点配置法、模态控制方法、直接输出反馈方法、预测控制方法等[13]。智能控制是人工智能、自动控制和运筹学三个主要学科相结合的产物，是自动控制的必威体育精装版发展阶段。主要有基于专家系统的专家控制、基于模糊推理和计算的模糊控制、基于人工神经网络的神经网络控制以上三种方法的集成型智能控制。专家控制[14]是将专家系统的理论与技术同控制理论方法与技术相结合，在未知环境下，仿效专家的智能，实现对系统的控制。模糊控制[14]是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。神经网络控制[14]是在控制系统中采用神经网络这一工具，对难以精确描述的复杂的非线性对象进行建模，或充当控制器、或优化计算、或进行推理、或故障诊断等，以及同时兼有上述某些功能的适当组合。 2.2被动控制 被动型颤振控制方法主要是通过在系统中加入吸振部件来达到减振抑振的效果, 但它也有消极控制和积极控制两类。前者不需要附加能源, 减振器的工作完全取决于主振动系统, 其结构简单、工作可靠,主要缺点是一经设计加工后, 它的各项性能参数就已固定。后者需附加能源, 其主要优点是减振器的某一项或多项性能参数可以根据实际振动情况进行调节。 2.3半主动控制 半主动控制既具有主动控制的控制范围宽、 适应性强的优点, 又具有被动控制的高可靠性, 因此在振动控制中得到了广泛的应用, 但在金属切削加工中还没有得到成功的应用。半主动控制在切削颤振中得到成功应用的关键就是找到一种响应速度高、 控制方便的控制调节执行介质, 目前智能