基于弯曲型致动器的薄壁件加工振动抑制装置及方法

摘要

本发明公开了一种薄壁件铣削颤振主动控制装置包括振动检测单元、信号采集单元、功率放大单元、控制计算机、可编程信号发生器、弯曲型致动器；所述弯曲型致动器用于对薄壁工件施加反向抑振力，对铣削过程的再生颤振进行主动控制；本发明还公开了针对于该抑振装置的振动主动控制方法。本发明能够以较高的精度实现薄壁件铣削过程中的振动的实时检测和反馈控制，响应速度快，输出力大并且准确，还具备体积小、功耗小、单位体积应变能大等优点，能适应复杂形状薄壁件狭小的加工空间以及复杂形状薄壁件加工过程刀具‑工件系统动态特性的复杂性和时变性。

权利要求

1.一种基于弯曲型致动器的薄壁件加工振动抑制装置，其特征在于：包括振动检测单元、数字信号采集器、功率放大单元、控制计算机、可编程信号发生器、弯曲型致动器和夹具；

所述振动检测单元与薄壁工件连接，用于监测工件在铣削加工过程中产生的振动信号，并获得相应的监测电压信号；将监测电压信号通过所述数字信号采集器传输给所述控制计算机；所述可编程信号发生器由所述控制计算机控制输出实时变化的驱动信号，用于驱动所述弯曲型致动器，通过改变驱动电压改变弯曲型致动器的弯曲程度，进一步对薄壁工件施加相应的抑振力；所述功率放大器与可编程信号发生器连接，用于放大驱动所述弯曲型致动器的电压；

所述夹具用于薄壁工件和所述弯曲型致动器的定位安装，通过所述夹具将弯曲型致动器贴附固定于薄壁工件非加工侧表面，保证弯曲型致动器自由端的作用力施加在薄壁工件振动幅值最大处。

2.根据权利要求1所述基于弯曲型致动器的薄壁件加工振动抑制装置，其特征在于：所述弯曲型致动器为压电陶瓷双晶片，通过对所述压电陶瓷双晶片施加电压，其自由端能够弯曲产生位移。

3.根据权利要求1所述基于弯曲型致动器的薄壁件加工振动抑制装置，其特征在于：所述夹具包括U形底座、夹块和定位螺栓；所述夹块设置于所述U形底座的两端侧壁之间，所述定位螺栓穿过所述U形底座的一端侧壁与夹块接触，通过拧紧所述定位螺栓将薄壁工件和所述弯曲型致动器固定于所述U形底座和夹块之间。

4.根据权利要求1所述基于弯曲型致动器的薄壁件加工振动抑制装置，其特征在于：所述振动检测单元的振动传感器贴附于薄壁工件表面。

5.权利要求1所述基于弯曲型致动器的薄壁件加工振动抑制装置的控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤一：在加工之前，通过有限元分析或模态实验确定薄壁工件的振型；通过所述夹具装夹薄壁工件和所述弯曲型致动器，使弯曲型致动器贴附固定于薄壁工件非加工侧表面，保证所述弯曲型致动器的自由端作用力施加在薄壁工件振动幅值达到极值处；将振动检测单元的振动传感器贴附于薄壁工件表面用于采集振动信号；

步骤二：切削加工开始后，通过所述数字信号采集器采集所述振动传感器所获得的电压信号，并传输至所述控制计算机；应用控制算法计算出输出的驱动电压；

步骤三：由所述控制计算机控制所述可编程信号发生器输出驱动信号，然后由所述功率放大器将驱动信号放大为驱动电压，驱动所述弯曲型致动器弯曲变形，在弯曲制动器自由端对薄壁工件施以反向抑振力，从而实现薄壁工件铣削的振动控制。

6.根据权利要求5所述控制方法，其特征在于：所述控制算法为振动控制中的PID比例-积分-微分控制、PPF正位置反馈控制、LQG线性二次高斯控制控制算法。

说明书

基于弯曲型致动器的薄壁件加工振动抑制装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于机加工领域，具体涉及一种基于弯曲型致动器的薄壁件加工振动抑制装置及方法。

背景技术

[0002] 薄壁零件具有质量轻、比强度高等优点，目前已广泛应用于航空航天、汽车、能源等众多的领域。特别是在航空航天领域，减轻结构质量将降低能耗并提升飞行器整体性能。
因此设计并制造满足性能需求的高质量薄壁件具有非常重要的意义。典型的航空薄壁零部
件主要有整体叶盘、组装叶盘、机匣、翼肋、襟翼滑轨、大梁、壁板等。

[0003] 薄壁零件属于弱刚性部件，其加工难点主要在于切削力作用下极易发生振动，特别是在大切削参数下振动现象更为明显、甚至发生颤振。振动现象的存在不仅损害了机床
和刀具寿命、限制了加工效率，还降低了工件表面加工质量，这将严重降低生产效率，降低
成品的精度，提高生产成本。因此，通过一定方法对薄壁件加工过程中的振动进行主动控制
具有十分重要的意义。

[0004] 目前为止有两种主要的方法解决薄壁件加工振动控制问题，即被动和主动控制方法。被动控制将被动材料安装在结构上以改变刚度和阻尼系数等零件动态特性，可是它增
加结构的复杂程度，并且减振性能较差，灵活度低，无法满足复杂多变的加工要求。近些年
随着智能材料的迅速发展，电流变液、压电陶瓷、电磁致动器等被应用于振动主动控制当
中，取得了较好的效果。例如，李小虎等人(参见专利“基于预测-自适应控制的铣削电主轴
振动抑制系统及方法-201810092078.9”)使用电磁致动器对铣削主轴振动进行主动控制，
该方法输出作用力和位移大，但是控制精度不高，难以适应航空用零件高精度要求；Pan.G
等人将磁致伸缩致动器应用于车削延伸杆振动控制(参见“Modeling and intellligent 
chatter control strategies for a lathe machine.Control Engineering Practice,
1996,4(12):1647～1658”)，这种主动控制方法响应速度快，位移、力较大，脆性材料易折
断，仅能单向受力。

[0005] 陈浦炜等人使用音圈电机对航空薄壁件铣削颤振进行主动控制(参见“Research on Active Vibration Control of Thin-walled Workpiece in Milling Based on 
Voice Coil Motor”)，这种控制方法响应速度快，精度高，可靠性强，但是致动器体积大，灵
活性差，难以适应复杂核心航空薄壁零件(如涡轮整体叶盘、叶轮)狭小的加工空间，很难应
用于实际生产当中。因此，寻求一种响应速度快、精度高、可靠性好、能适应复杂核心航空薄
壁零件狭小加工空间的振动主动控制方法是亟需的。

[0006] 主动控制根据系统响应并结合适当的控制算法抑制加工振动，主要过程是根据在线测得刀具与工件间的相对振动或切削力大小，应用智能致动器来产生补偿或抵消振动的
力。传感器和智能致动器形成一个闭环方便控制器设计，通过合理改变系统动态特性，主动
控制方法可以提高薄壁件铣削加工系统的稳定性，从而提高加工效率。

发明内容

[0007] 要解决的技术问题：

[0008] 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于弯曲型致动器的薄壁件加工振动抑制装置及方法，以弯曲型致动器为执行器，通过改变致动器两端电压，对工件施加反
向作用力，以此抑制薄壁工件颤振。本装置具有响应速度快、输出力准确、体积小等优点，能
够适应典型航空薄壁件(整体叶盘、叶轮)加工空间狭小的加工特点。

[0009] 本发明的技术方案是：一种基于弯曲型致动器的薄壁件加工振动抑制装置，其特征在于：包括振动检测单元、数字信号采集器、功率放大单元、控制计算机、可编程信号发生
器、弯曲型致动器和夹具；

[0010] 所述振动检测单元与薄壁工件连接，用于监测工件在铣削加工过程中产生的振动信号，并获得相应的监测电压信号；将检测电压信号通过所述数字信号采集器传输给所述
控制计算机；所述可编程信号发生器由所述控制计算机控制输出实时变化的驱动信号，用
于驱动所述弯曲型致动器，通过改变驱动电压改变弯曲型致动器的弯曲程度，进一步对薄
壁工件施加相应的抑振力；所述功率放大器与可编程信号发生器连接，用于放大驱动所述
弯曲型致动器的电压；

[0011] 所述夹具用于薄壁工件和所述弯曲型致动器的定位安装，通过所述夹具将弯曲型致动器贴附固定于薄壁工件非加工侧表面，保证弯曲型致动器自由端的作用力施加在薄壁
工件振动幅值最大处。

[0012] 本发明的进一步技术方案是：所述弯曲型致动器为压电陶瓷双晶片，通过对所述压电陶瓷双晶片施加电压，其自由端能够弯曲产生位移。

[0013] 本发明的进一步技术方案是：所述夹具包括U形底座、夹块和定位螺栓；所述夹块设置于所述U形底座的两端侧壁之间，所述定位螺栓穿过所述U形底座的一端侧壁与夹块接
触，通过拧紧所述定位螺栓将薄壁工件和所述弯曲型致动器固定于所述U形底座和夹块之
间。

[0014] 本发明的进一步技术方案是：所述振动检测单元的振动传感器贴附于薄壁工件表面。

[0015] 针对所述基于弯曲型致动器的薄壁件加工振动抑制装置提供一种薄壁件铣削振动主动控制方法，其特征在于步骤如下：

[0016] 步骤一：在加工之前，通过有限元分析或模态实验确定薄壁工件的振型；通过所述夹具装夹薄壁工件和所述弯曲致动器，使弯曲致动器贴附固定于薄壁工件非加工侧表面，
保证所述弯曲致动器的自由端作用力施加在薄壁工件振动幅值达到极值处；将振动检测单
元的振动传感器贴附于薄壁工件表面用于采集振动信号；

[0017] 步骤二：切削加工开始后，通过所述数字信号采集器采集所述振动传感器所获得的电压信号，并传输至所述控制计算机；应用控制算法计算出输出的驱动电压；

[0018] 步骤三：由所述控制计算机控制所述可编程信号发生器输出驱动信号，然后由所述功率放大器将驱动信放大为驱动电压，驱动所述弯曲致动器弯曲变形，在弯曲制动器自
由端对薄壁工件施以反向抑振力，从而实现薄壁工件铣削的振动控制。

[0019] 本发明的进一步技术方案是：所述控制算法为振动控制中的PID比例-积分-微分控制、PPF正位置反馈控制、LQG线性二次高斯控制控制算法。

[0020] 有益效果

[0021] 本发明的有益效果在于：

[0022] 1、采用弯曲型致动器作为抑振装置的执行器，易于精确控制，响应速度快，输出力准确。

[0023] 2、弯曲型致动器体积小，单位体积应变能大，尤其适应复杂形状薄壁件狭小的加工空间。

[0024] 3、弯曲型致动器的使用功耗小，且价格低廉，带来的额外生产成本小。

[0025] 4、弯曲型致动器安装方便，适应于实际加工，不会带来额外的装夹困难和夹具成本。

[0026] 5、按照本发明的方法使用本发明的装置，能够实现振动的实时检测和反馈控制，控制精度高，尤其适应复杂形状薄壁件加工过程刀具-工件系统动态特性的复杂性和时变
性。

[0027] 6、按照本发明的方法使用本发明的装置，能够实现薄壁工件铣削过程颤振的有效控制，从而提高产品的精度与表面质量，同时减少刀具和机床磨损，降低成本。

附图说明

[0028] 图1是本发明基于弯曲致动器的薄壁件加工振动抑制装置的工作示意图；

[0029] 图2是基于该薄壁件加工振动抑制装置的使用步骤示意图；

[0030] 图3是该实时闭环反馈控制系统结构示意图；

[0031] 附图标记说明：1-夹具；2-功率放大器；3-可编程信号发生器；4-控制计算机；5-数字信号采集器；6-振动检测单元；7-机床主轴；8-铣刀；9-薄壁工件；10-弯曲致动器；a-薄壁
零件加工侧表面；b-薄壁零件非加工侧表面。

具体实施方式

[0032] 下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0033] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特
定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0034] 本发明以3mm厚铝合金薄壁零件为例，以五轴数控铣床为加工设备，以压电陶瓷弯曲致动器为执行器，以加速度传感器为振动检测单元，来说明该基于弯曲致动器薄壁件加
工振动抑制装置及使用方法的步骤。

[0035] 第一步：将待加工铝合金薄壁零件通过夹具1装夹在数控机床工作台上，完成加工前的校准、对刀等工作；

[0036] 第二步：首次按通过有限元仿真或模态实验确定薄壁零件的动态特性。

[0037] 然后通过夹具1装夹压电陶瓷弯曲致动器10，使弯曲致动器10贴附于薄壁工件非加工侧表面，保证致动器自由端作用力施加在工件振动幅值达到极值处。将振动检测单元6
安装在薄壁工件表面非加工侧面b的相应位置，用于监测工件在铣削加工过程中产生的振
动信号，并获得相应的监测电压信号；振动检测单元6通过数字信号采集器5与控制计算机4
连接；可编程信号发生器3与控制计算机4连接，并通过功率放大器2与弯曲致动器10连接，
用于放大驱动所述弯曲型致动器的电压；

[0038] 最后进行检测单元的校准：在加工未开始前，对振动传感器进行调节，保证此时振动传感器初始检测值为零。对弯曲型致动器10进行标定，获得其输出力与电压之间的确定
关系。

[0039] 第三步：开始进行切削加工，通过振动传感器对铣削过程中的颤振进行实时监测，所检测的电压信号经信号采集器采集传输至控制计算机，控制可编程信号发生器产生相应
的驱动信号。

[0040] 第四步：可编程信号发生器产生的驱动信号经功率放大器放大为驱动电压，驱动电压作用于弯曲型致动器使其产生弯曲变形，在致动器末端对工件施加反向抑振力，对薄
壁件加工过程产生的颤振进行主动控制。

[0041] 测试结果表明，该基于弯曲致动器的薄壁件加工振动抑制装置能够有效抑制薄壁件加工过程产生的颤振，最终加工出的零件的表面质量有明显提高。

[0042] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨
的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。