铣削加工中的刀具振动主动控制仿真研究

赵文举，龚 俊，刘 洋

(兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730050)

作者简介：赵文举（1997—），男，硕士研究生，主要研究方向为立式铣削主动控制技术，2942449241@qq.com.

通讯作者：龚俊，男，研究员，gongjjdxy@163.com.

摘要：通过对立式铣削加工系统进行动力学分析，建立相互垂直方向上的两自由度立式铣削动力学模型。在此基础之上，针对加工过程中刀具的振动，采用鲁棒混合灵敏度方法，选择符合模型的加权函数，设计了用于振动控制的鲁棒控制器。将该控制器加入铣削模型进行仿真实验，结果证明此方法在刀具振动的主动控制上具有良好的控制效果，能够提高立式铣削的质量。

关键词：铣削；刀具振动；H∞；鲁棒控制

中图分类号：TH113.1   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2021)02-0011-05

机械加工过程普遍存在振动现象。振动会影响被加工件的表面质量，加剧刀具的磨损，剧烈的振动会使切削加工不能继续进行，从而降低生产率，对机床和夹具不利。在动态的铣削加工过程中，再生型颤振是影响铣削加工精度的重要因素。由于铣削是不连续的切削加工过程，其产生的周期性动态切削力会导致刀具与工件之间发生振动，在一定条件下，便会发生颤振。目前，主要有主动和被动两种铣削颤振控制方法。被动控制方法主要通过改变切削参数来扩大稳定性区域，但这样并不能真正地提高加工效率^［1］；主动控制方法通过实时改变系统阻尼或刚度来减小系统的振动，又或者设计主动控制器来控制作动器的输出，直接抵消刀具或工件的位移，从而达到控制目的。随着作动器和控制理论的发展，颤振主动控制研究已然成为颤振控制的主要研究方向。江浩等^［2］设计了用于减小铣削振动的主动减振平台，通过控制干扰信号的频率达到抑制铣削振动的目的，取得了良好的效果，但要预先知道干扰信号的频率，有一定的局限性。Denkena等^［3］为了抑制加工系统的振动，将电磁作动器和机床主轴结合在一起，增大加工系统的阻尼，该主动控制方法结合铣削加工颤振系统和作动器产生的力来建立闭环动力学模型，并采用数值分析方法验证了所提方法的有效性。郑平旭等^［4］针对刀具和工件的相对振动，提出了一种基于H∞的铣削加工主动控制方法，抑制了铣削振动。乔晓利等^［5］将主动磁轴承力学模型和铣削加工颤振动力学模型相结合，在建立的铣削加工闭环控制系统动力学模型的基础上，采用目前成熟的PID控制方法，达到了控制振动的目的。刘晓丽^［6］基于压电驱动器，采用模糊神经网络算法主动控制立铣刀的振动。本文在立式铣削动力学模型的基础上，提出一种针对立式铣削加工中刀具振动的控制方法，并对该方法的控制效果进行了MATLAB/Simulink环境下的时域数值仿真验证。