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基于积极工具与嵌入压电陶瓷驱动器的电脑数控车床振动的主动控制 摘要 在车削加工过程中振动和颤动频繁影响了加工结果，特别是在表面加工时。振动同时影响刀具寿命。道具和工件发生相当运动时经常引起工作环境中的噪音，这些问题可以靠控制机床振动来减少。 但是，机床振动控制系统通常并不适应于普通车床和车削操作。机械结构的物理特性或解决方案中涉及的关于引进非缓冲质量的振动通常会限制它们的适应性。 一个普通车床主动控制应用解决方案已经制定，它是基于行业标准的刀柄带有嵌入式压电陶瓷驱动器和自适应反馈控制器。自适应控制器是基于众所周知的filtered-x LMS 算法，它使振动大大降低到最高达40分贝在3.4千赫磁条件下。 引言 在车削过程中，刀具和刀柄受动态的激励由于工件材料在切削过程中的变形。随着切削成形过程通常诱导机床系统振动。切削形成产生的能量刺激了机床系统的机械模式，工件的模式也影响刀具的振动，刀具和工件之间的相对运动会影响加工的结果。尤其是表面加工同时产生了严重噪音。机器操作人员有时几乎无法忍受。刀具寿命也与振动量有关，众所周知，振动问题与机械机构和工件材料刚性有关。振动问题可以通过加强机械结构得到部分解决，为了得到进一步改善，刀柄的刚性可以增加更多的选择。 机床的主动控制是解决这些问题的方法，一般来说，机床系统被列为窄带系统，因此，刀柄振动通常可以描述为窄带随机过程中各种形式的频率的叠加[1]。这些加在一起形成了一个更宽的频段随机过程。在车削过程中，刀具的振动包括两个方面的振动，切削运动方向和进给运动方向[1]。通常，切削方向的振动和进给方向的振动无线性关系，除了一些特征频率外[1]。因此，控制问题涉及的反振动所产生的这些来源，将引起刀具的振动，然而，在外部纵向切削，绝大多数振动是由切削方向引起，因此，控制切削方向的振动是一个解决振动的适当方法[2]。为了控制刀具的振动模式，必须选择一个驱动器，能够把次要振动引入到这些模式。不过，定位器的安装必须仔细挑选，以避免不必要的重建及车床性能的下降，通过在标准刀柄中嵌入压电陶瓷驱动器，普通车床也能实现主动控制。 本文探讨了切削速度方向的刀具振动单通道反馈控制。单通道控制系统图如下图 1 a 所示。该刀柄在此应用程序中使用了一个嵌入式的压电陶瓷驱动器，也就是次级来源，并且是在电信和信号部门制定刀柄结构，如图 1 b所示。 2 材料和方法 2.1实验装置 切削实验是在Mazak SUPER QUICK TURN -250M CNC车削中心中完成，它的主轴功率为18.5kw。最大加工直径为300mm，最大加工长度为1007mm，刀柄的设计基于嵌入式设计。 图 1： a）机床反馈控制系统[2]， b）刀柄与嵌入式压电陶瓷控制器 石英陶瓷堆栈器和加速度计安装在刀具以使人们有可能衡量切削速度方向的振动。为了操控石英压电堆栈器，采用了自定义设计的放大器，一个数字信号处理器也被使用。测量结果通过双通道信号分析仪进行分析。此外，双通滤波器是采用调节输入电平的A/D转换和D/A转换器输出水平。 2.1.1 工件切削材料和刀具几何参数 实验使用工件材料为ss 2541-03,镍鉻钼钢[1]，经过实验，初步确定切削过程中窄带宽的机床系统和该种材料，切削材料和几何参数得合适组合。见表1. 被选中的祝贺造成刀具的剧烈振动，造成了工件表面质量的明显恶化及产生了严重的噪音。工件的直径故意选择很大（超过100mm），是为使工件的振动可以忽略不计。 2.2 主动控制刀柄 为了控制刀柄的振动模式，必须选择一个驱动器使次级振动引入这些模式。不过，定位器的安装必须仔细挑选，以避免不必要的重建或车床性能的降低。刀具振动和刀柄的弯曲趋势，由随机芯片测量，形成过程可能会削弱引进的刀柄相反的弯矩，通过安装在高峰期的模态应变区执行器和优化驱动器与刀柄中心轴的偏移距离，合适的控制力度可由感应压电控制器引入。因此，刀柄弯曲变形引入执行器的轴向变形通过方向相反的力量控制平衡，以减少刀具的振动。该驱动器与嵌入式原则的主动刀柄如图1b所示。 2.3 自适应控制刀具振动 刀具的振动的激发源，材料的变形过程，不能直接观察到。因此，机床振动控制器的控制原理是基于反馈的方法。刀柄的反应可以用传感器测量，执行器安装在机床上以引入次级反振动，刀柄的反应可以被修改[2]。执行器是由一个指挥器、加速度感应器和刀柄振动信号反馈控制器组成，反馈控制系统的框图如图2所示。 该控件的目的是最大限度地减少均方误差，作为输入信号的自适应FIR滤波器，控制装置误差信号的使用将使自适应FIR滤波器充当反馈控制器，这将使均方误差和滤波器系数之间的关系变得复杂，