專利名稱：彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機械技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種抑制切削加工顫振的阻尼器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方
法。
背景技術(shù)：
金屬切削顫振(Machining chatter)屬于自激振動，是金屬切削機床在切削過程 中產(chǎn)生的刀具和工件之間十分強烈的相對振動。切削顫振降低產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、刀具和 機床使用壽命，同時造成噪聲污染，影響操作者身心健康。隨著工廠自動化發(fā)展，操作者日 益遠離加工現(xiàn)場，通過顫振預(yù)防控制的方法往往不能從根本上杜絕顫振現(xiàn)象的出現(xiàn)，所以 對切削顫振進行在線監(jiān)視和控制的任務(wù)變得越來越迫切，越來越有意義。調(diào)諧質(zhì)量阻尼器是一種最常用的阻尼器結(jié)構(gòu)，是目前比較成熟的切削顫振控制裝 置，它一般被模型化用阻尼器固有頻率、等效質(zhì)量和阻阻尼比表示的一個二階動力學(xué)系統(tǒng)。 為了使之達到最佳抑振效果，目前比較廣泛采用的優(yōu)化準(zhǔn)則有H⑴(主結(jié)構(gòu)受簡諧激勵) 或H2 (主結(jié)構(gòu)受隨機激勵)，即最小化主結(jié)構(gòu)振動幅值的最大值或有效值，相關(guān)的解析或數(shù) 值優(yōu)化方法可見諸于眾多文獻。然而，顫振發(fā)生的特殊性使其不同于強迫振動，根據(jù)再生型 切削顫振穩(wěn)定性理論，無顫振的臨界切深由切削刀尖與工件相對頻響函數(shù)的負(fù)實部決定， 因此，Neil D.Sims提出針對切削顫振的控制，阻尼器的優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)以附加了阻尼器的切削 機械系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)最大負(fù)實部最小化為優(yōu)化目標(biāo)。摩擦阻尼器也是目前廣泛使用一種機械振動阻尼控制方法，摩擦阻尼耗能的最佳 效果在于通過控制摩擦面間正壓力大小使摩擦面間通過充分相對滑動摩擦達到最大摩擦 耗能的效果。為了進一步提高阻尼器的顫振抑制效果，設(shè)計一種含有彈性支承干摩擦部件的調(diào) 諧質(zhì)量阻尼器，與普通調(diào)諧質(zhì)量阻尼器相比，其特征在于采用一個彈性支承串聯(lián)干摩擦阻 尼裝置作為阻尼器的阻尼部件，以替代普通調(diào)諧質(zhì)量阻尼器中的粘性阻尼部件。當(dāng)阻尼器 安裝在切削振動系統(tǒng)中，能夠同時發(fā)揮阻尼器振子阻尼振動和滑動摩擦兩種方式的振動耗 能能力，最大限度地提高切削穩(wěn)定性，避免切削顫振的發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
針對上面介紹的含有彈性支承干摩擦部件的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，本發(fā)明提出一種切 削顫振優(yōu)化方法，使阻尼器安裝在切削振動系統(tǒng)中，能夠同時發(fā)揮阻尼器振子阻尼振動和 滑動摩擦兩種方式的振動耗能能力，最大限度地提高切削穩(wěn)定性，避免切削顫振的發(fā)生。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下設(shè)計方案彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的優(yōu)化方法，針對用于切削工藝系統(tǒng)中的同時包 含調(diào)諧質(zhì)量阻尼和摩擦阻尼的彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，提出一種切削顫振優(yōu)化方 法。步驟1 通過模態(tài)試驗測定被控切削工藝系統(tǒng)主模態(tài)固有頻率(fs)、質(zhì)量(ms)、剛度(ks)、阻尼比(ls)；通過切削試驗測定切削力動態(tài)部分幅值(F。)；步驟2 將彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器模型化為振子質(zhì)量(md)，固有頻率 (fd)，阻尼比(“)，彈性支承剛度(kf)和摩擦阻尼器摩擦力(Ff)；步驟3 根據(jù)切削工藝系統(tǒng)條件，確定阻尼器振子最大質(zhì)量；步驟4 建立含有彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的切削系統(tǒng)動力學(xué)模型，采用 諧波平衡法(HBM)獲得切削系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性實部的數(shù)值解；步驟5 以切削系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性實部的最小值(即最大負(fù)實部)最大(即最大 負(fù)實部最小)為優(yōu)化目標(biāo)，以阻尼器固有頻率(fd)與被控切削系統(tǒng)固有頻率(fs)之比rw， 彈性支承剛度(kf)與剛度ks之比rk、切削力動態(tài)部分幅值(F。)與摩擦阻尼器摩擦力(Ff) 之比&和阻尼器阻尼比(“)為阻尼器無量綱優(yōu)化變量，采用最小化最大(Minimax)數(shù)值 優(yōu)化方法得到rw、rk、rf和I d最佳值；步驟6 根據(jù)優(yōu)化得到的rw、rk和rf最佳值和模態(tài)試驗測得的切削工藝系統(tǒng)主模 態(tài)固有頻率(fs)、剛度GO以及切削試驗測得的動態(tài)切削力幅值(F。)，計算得到阻尼器的 固有頻率(fd)、彈性支承剛度(kd)和摩擦阻尼器摩擦力(Ff)；步驟7 根據(jù)實際切削工藝系統(tǒng)設(shè)計彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器結(jié)構(gòu)，根據(jù) 優(yōu)化得到的最優(yōu)參數(shù)設(shè)計彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器各部件結(jié)構(gòu)尺寸，使其切削顫振 抑制效果達到最佳。所述彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器為含有一個彈性支承串聯(lián)干摩擦阻尼裝置 的調(diào)諧質(zhì)量阻尼部件，該阻尼部件在數(shù)值優(yōu)化方法中被模型化為振子質(zhì)量(md)，剛度(kd)， 阻尼系數(shù)(cd)，彈性支承剛度(kf)和摩擦阻尼器摩擦力(Ff)，阻尼器固有頻率fd= (kd/ mdr°_5，阻尼比(U =cd/2/(mdkdr0.5。本發(fā)明具有的有益作用是本發(fā)明通過最優(yōu)化設(shè)計彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼 器結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)——阻尼器固有頻率fd、彈性支承剛度kf、摩擦阻尼器摩擦力Ff和阻尼器 阻尼比I d，使附加了彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的切削系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性實部的最 小值最大(即最大負(fù)實部最小)，達到摩擦阻尼和振子振動兩種阻尼減振方式在切削顫振 控制中同時發(fā)揮最大限度的耗能效果，使切削穩(wěn)定性達到最佳。該方法尤其適用于切削工 藝系統(tǒng)存在明顯薄弱環(huán)節(jié)，可簡化為單模態(tài)的切削工藝系統(tǒng)的切削穩(wěn)定性控制中。


圖1含有彈性支承串聯(lián)干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的切削系統(tǒng)動力學(xué)模型。圖2含有優(yōu)化后彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、含有普通調(diào)諧質(zhì)量阻尼器和無 阻尼器的三種切削系統(tǒng)動態(tài)特性頻率特性幅頻和實頻圖。(a)為頻率響應(yīng)函數(shù)幅頻圖，(b) 為頻率響應(yīng)函數(shù)實頻圖。圖3含有優(yōu)化后彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器、含有普通調(diào)諧質(zhì)量阻尼器和無 阻尼器的三種切削系統(tǒng)切削穩(wěn)定性圖。
具體實施例方式下面結(jié)合圖1 圖3介紹彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器為含有一個彈性支承串 聯(lián)干摩擦阻尼裝置的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的優(yōu)化方法。
首先如圖1所示，建立含有彈性支承串聯(lián)干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的切削系統(tǒng)動力學(xué)模型，切削工藝系統(tǒng)被模型化為一個單自由度動力系統(tǒng)，F(xiàn)d為動態(tài)切削力，xs為被控切削 系統(tǒng)振動位移，xd為阻尼器振子振動位移。圖中，阻尼器的主要動力學(xué)參數(shù)為振子質(zhì)量(md)，剛度(kd)，阻尼系數(shù)(cd)，彈性 支承剛度(kf)和摩擦阻尼器摩擦力(Ff)，阻尼器固有頻率fd= (kd/md)~°_5，阻尼比(“)= cd/2/(mdkdr0.5。圖中，切削系統(tǒng)主要動力學(xué)參數(shù)是通過模態(tài)試驗測定的系統(tǒng)主模態(tài)質(zhì)量(ms)、剛
-0. 5
度00、阻尼系數(shù)(cs)，切削系統(tǒng)固有頻率fs= (ks/msr°_5，阻尼比(、)=cs/2/(msks)然后，建立含有彈支干摩擦阻尼器的切削系統(tǒng)動力學(xué)方程，并采用諧波平衡法 (HBM)獲得切削系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性實部的數(shù)值解，該數(shù)值解由下列方程組通過數(shù)值計算得 到<formula>formula see original document page 5</formula>
氏⑷=x又(A) cos[札⑷]
(2)其中A = f/fs無量綱激勵頻率，f為外界激勵頻率；xg(A) = xSffl/ 6 st切削系統(tǒng)頻率響應(yīng)無量綱幅值解，xSffl為切削系統(tǒng)振動響應(yīng)xs的 幅值Rg(A)切削系統(tǒng)頻率響應(yīng)無量綱實部解yg(A) =yffl/6st阻尼器振子和切削系統(tǒng)相對振動位移的無量綱幅值解，ym為阻尼 器振子和切削系統(tǒng)相對振動位移y(y = xd-xs)的幅值。(px,辦為y的振動相位角。
rk = kf/ks剛度比； rw = fd/fs固有頻率比； rf = Ff/Fc 力比；
U =md/ms阻尼器振子質(zhì)量與被控切削系統(tǒng)質(zhì)量比； 6 st = F。/ks為切削系統(tǒng)靜態(tài)變形量
aE和bs為經(jīng)過傅立葉變換近似得到的無量綱干摩擦力系數(shù)，由下式?jīng)Q定<formula>formula see original document page 5</formula> 基于上述的切削系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)的實部數(shù)值解，采用最小最大優(yōu)化算法，以rk，rf* I&為優(yōu)化變量，以切削系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性實部RgU)的最小值最大(也即最大負(fù) 實部最小)為優(yōu)化目標(biāo)，獲得rw，rk，i^n “為優(yōu)化變量的最優(yōu)化數(shù)值。優(yōu)化結(jié)果如圖2所 示。圖中分別給出了無阻尼器、含有普通調(diào)諧質(zhì)量阻尼器和含有彈支干摩擦阻尼器的切削 系統(tǒng)頻率響應(yīng)幅頻圖和實頻圖。 圖3是基于優(yōu)化結(jié)果，分別根據(jù)切削穩(wěn)定性優(yōu)化理論繪制的三種不同情況下切削 系統(tǒng)的穩(wěn)定性圖，由圖可以看出，優(yōu)化后的彈支干摩擦阻尼器對于切削穩(wěn)定性的改進效果， 與無阻尼器相比提高近200 %，與普通調(diào)諧質(zhì)量阻尼器相比提高近30 %。
權(quán)利要求
彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的優(yōu)化方法，針對用于切削工藝系統(tǒng)中的同時包含調(diào)諧質(zhì)量阻尼和摩擦阻尼的彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，提出一種切削顫振優(yōu)化方法，其特征在于步驟1通過模態(tài)試驗測定被控切削工藝系統(tǒng)主模態(tài)固有頻率(fs)、質(zhì)量(ms)、剛度(ks)、阻尼比(ξs)；通過切削試驗測定切削力動態(tài)部分幅值(Fc)；步驟2將彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器模型化為振子質(zhì)量(md)，固有頻率(fd)，阻尼比(ξd)，彈性支承剛度(kf)和摩擦阻尼器摩擦力(Ff)；步驟3根據(jù)切削工藝系統(tǒng)條件，確定阻尼器振子最大質(zhì)量；步驟4建立含有彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的切削系統(tǒng)動力學(xué)模型，采用諧波平衡法(HBM)獲得切削系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性實部的數(shù)值解；步驟5以切削系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性實部的最小值(即最大負(fù)實部)最大(即最大負(fù)實部最小)為優(yōu)化目標(biāo)，以阻尼器固有頻率(fd)與被控切削系統(tǒng)固有頻率(fs)之比rw，彈性支承剛度(kf)與剛度ks之比rk、切削力動態(tài)部分幅值(Fc)與摩擦阻尼器摩擦力(Ff)之比rf和阻尼器阻尼比(ξd)為阻尼器無量綱優(yōu)化變量，采用最小化最大(Minimax)數(shù)值優(yōu)化方法得到rw、rk、rf和ξd最佳值；步驟6根據(jù)優(yōu)化得到的rw、rk和rf最佳值和模態(tài)試驗測得的切削工藝系統(tǒng)主模態(tài)固有頻率(fs)、剛度(Ks)以及切削試驗測得的動態(tài)切削力幅值(Fc)，計算得到阻尼器的固有頻率(fd)、彈性支承剛度(kd)和摩擦阻尼器摩擦力(Ff)；步驟7根據(jù)實際切削工藝系統(tǒng)設(shè)計彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器結(jié)構(gòu)，根據(jù)優(yōu)化得到的最優(yōu)參數(shù)設(shè)計彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器各部件結(jié)構(gòu)尺寸，使其切削顫振抑制效果達到最佳。
2.如權(quán)利要求1所述的彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的優(yōu)化方法，其特征在于所 述彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器為含有一個彈性支承串聯(lián)干摩擦阻尼裝置的調(diào)諧質(zhì)量 阻尼部件，該阻尼部件在數(shù)值優(yōu)化方法中被模型化為振子質(zhì)量(md)，剛度(kd)，阻尼系數(shù) (cd)，彈性支承剛度(kf)和摩擦阻尼器摩擦力(Ff)，阻尼器固有頻率fd= (kd/md)~°_5，阻尼 比(U = cd/2/(mdkdr0.5。
全文摘要
用于切削顫振控制的彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器最優(yōu)化設(shè)計方法，涉及一種抑制切削加工顫振阻尼器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法。針對一種彈性支承串聯(lián)干摩擦阻尼裝置，提出其結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化方法首先通過模態(tài)測試技術(shù)獲取被控切削系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的主模態(tài)質(zhì)量、剛度和阻尼系數(shù)。然后對附加了彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的切削系統(tǒng)進行動力學(xué)建模，通過數(shù)值計算方法獲取被控切削系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)。最后以被控切削系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)最大負(fù)實部最小化為優(yōu)化目標(biāo)，以彈性支承干摩擦調(diào)諧質(zhì)量阻尼器的固有頻率、彈性支承剛度和摩擦力為阻尼器優(yōu)化參數(shù)，采用數(shù)值優(yōu)化方法進行優(yōu)化設(shè)計。此種優(yōu)化設(shè)計可以最大限度地同時發(fā)揮摩擦阻尼和振子振動兩種耗能能力，使切削穩(wěn)定性達到最佳。
文檔編號F16F15/02GK101832359SQ20101018627
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月21日
發(fā)明者昝濤, 王民 申請人:北京工業(yè)大學(xué)