一种基于S-ADRC控制器的薄壁件磁流变抑振方法技术

本发明专利技术提供了一种基于S

A magnetorheological vibration suppression method for thin-walled parts based on s-adrc controller

【技术实现步骤摘要】
一种基于S
‑
ADRC控制器的薄壁件磁流变抑振方法


[0001]本专利技术属于机械加工
，特别涉及一种基于S
‑
ADRC控制器的薄壁件磁流变抑振方法。

技术介绍

[0002]随着航空航天、军工和汽车等领域的高速发展，行业内对于重量轻、强度大、结构复杂的薄壁件有广泛的需求。但由于薄壁件的弱刚性特性，以及在其加工过程中存在动力学特性时变的特点，在薄壁件铣削过程中会出现颤振问题，导致零件精度降低、刀具寿命缩短、加工效率降低和工艺流程复杂等问题。因此针对薄壁件加工中的颤振问题，找到一种能适应薄壁件动力学特性变化的抑振方法是非常重要的。
[0003]振动控制方法包括被动抑振、主动或半主动抑振。其中被动抑振方法的局限性大、不能通过输入能量调整控制量，所以被动方法不适用于薄壁件的切削振动抑制。主动和半主动抑振方法是通过输入能量耗散掉切削振动能量，且控制力可变，更适用于薄壁件的抑振中。主动或半主动抑振方法的关键是找到一种能快速改变控制力的抑振介质。
[0004]磁流变液是一种常温下即可发生可逆相变的智能材料，没有磁场时，磁流变液是牛顿流体；施加磁场后，磁流变液迅速转变为粘弹性半固体状态。磁流变液多是以磁流变阻尼器的形式实现抑振。
[0005]专利文件CN112460185A所公开的单出杆磁流变阻尼器，通过在活塞组件内形成孔道，并通过隔离件、弹簧和孔道的配合补偿缸体内腔体积变化。该技术方案中，由于弹簧的弹性能容易发生变化，无法长期提供一致的弹力，因此无法保证阻尼器的补偿能力保持长期一致。此外，在该技术方案中，导向块的设置虽然解决了活塞发生晃动的问题，但导向块本身就会对磁流变液在过流通道内的流动造成难以测量的阻力，因此难以精确控制和调节阻尼器的阻尼大小。
[0006]美国专利US6471018B1专利技术了一种新型的磁流变减振器，其阻尼通道位于活塞的外表面，呈不规则的S型，由此增加了受磁场强度作用的阻尼通道长度，提升可调阻尼范围。但没有考虑稳定性因素，以及非线性力的干扰，且没有反馈机制。
[0007]上述研究均未提及使用控制器实时改变磁流变阻尼效应及吸振能力，从而适应薄壁件加工中的模态特性变化的主动抑振方法。

技术实现思路

[0008]本专利技术主要解决的技术问题是克服上述方法的不足，针对薄壁件铣削颤振问题，通过使用控制器调节磁流变的阻尼效应，提供了一种基于控制器调节磁流变阻尼效应改善薄壁件动态特性从而实现薄壁件颤振抑制的方法。该方法中，将磁流变阻尼颤振抑制装置作为装夹装置与驱动器，将磁流变液注满薄壁件与夹具间隙，通过控制器改变磁场强度来改变磁流变液的励磁固化状态，进而改变工件动力学特性，实现薄壁件加工抑振。在薄壁件加工的过程中，通过实时采集薄壁件的位移振动信号并通过数据采集卡输送到史密斯—自
抗扰(S
‑
ADRC)控制器中，计算得到的控制量从数据采集卡输出至功率放大器后再输入到磁流变阻尼颤振抑制装置中，改变磁流变阻尼颤振抑制装置的输入电压，从而改变磁流变阻尼效应以适应薄壁件的动态特性变化，最终实现基于S
‑
ADRC控制器的磁流变薄壁件自适应抑振调控。
[0009]本专利技术采用的技术方案是：
[0010]一种基于S
‑
ADRC控制器的薄壁件磁流变抑振方法，薄壁件的振动位移信号由电涡流传感器监测并通过数据采集卡传输到电脑中作为S
‑
ADRC控制器的输入；S
‑
ADRC控制器实时计算位移信号并将计算结果通过数据采集卡模拟端输出；输出信号再经功率放大器放大后输出到磁流变阻尼颤振抑制装置来改变磁场，进而改变磁流变液的阻尼状态来改善薄壁件的动态特性，最终实现薄壁件颤振的主动抑制。具体步骤如下：
[0011]第一步，磁流变抑振控制系统设计
[0012]磁流变抑振控制系统的硬件部分包括磁流变阻尼颤振抑制装置Ⅰ、电涡流传感器2、数据采集卡8、功率放大器7和计算机9。
[0013]所述磁流变阻尼颤振抑制装置Ⅰ采用对极磁轭结构，由底座6、磁轭5、电磁线圈4和容器3四个部分组成。其中，容器3和磁轭5均安装在底座6上，且容器3位于两磁轭5之间；电磁线圈4通过磁轭5安装在容器3两侧。容器3底部加工螺栓孔用于安装工件1，容器3中填充磁流变液；容器3两侧的电磁线圈4通电后形成磁场，增强容器3内磁流变液的阻尼效果，提高工件1的加工稳定性。
[0014]加工过程中，振动位移信号由电涡流传感器2实时采集，并经数据采集卡8传输至计算机9中进行解算；控制量通过数据采集卡8传输至功率放大器7中进行放大后输出到磁流变阻尼颤振抑制装置Ⅰ，改变电磁线圈4的励磁磁场，从而调控磁流变液阻尼状态，达到抑制加工振动的目的。
[0015]第二步，磁流变抑振控制系统的动力学建模
[0016]工件1加工时的振动是由工件1与铣刀之间的碰撞引起的。当只考虑工件1在垂直于刀具进给方向的振动时，铣削系统的单自由度铣削动力学模型可写为
[0017][0018]式中，m、c和k分别表示铣削系统的质量、线性阻尼和刚度。当工件1浸入磁流变液中进行铣削时，磁流变液的粘性阻尼会增加系统的阻尼系数。本专利技术利用磁流变阻尼器的非线性阻尼力代替原来的线性阻尼，通过实时改变输入电压来调整磁流变液的阻尼效果，以吸收工件1铣削产生的能量，保持加工稳定。磁流变阻尼器的非线性阻尼力用Bouc
‑
Wen模型表示，可以准确描述磁流变阻尼器的滞后性能，描述如下
[0019][0020]式中，x(t)是磁流变阻尼器的位移，c0是磁流变阻尼器的粘性阻尼，k0是磁流变液阻尼器刚度，α是磁滞系数，z为磁流变阻尼器的磁滞位移，v是一阶滤波器输出，α
a
、α
b
、c
0a
、
c
0b
、η为磁流变阻尼器中与v相关的系数，n是与磁滞位移z相关的指数系数，u(t
‑
τ)是输入到磁流变阻尼器的控制电压，用于调整磁滞的参数由γ、β和A表示，τ是磁流变阻尼器输出的时滞量。
[0021]将式(2)带入式(1)，用磁流变阻尼器的非线性阻尼力代替公式(1)中的线性阻尼。新的动力学模型可以表示为，
[0022][0023]式中，是磁流变抑振控制系统的干扰。
[0024]第三步，设计S
‑
ADRC控制器
[0025]S
‑
ADRC控制器主体由自抗扰控制器(ADRC)和Smith预估器组成。Smith预估器用来消除式(3)所示动力学模型中的时滞量τ。经过Smith预估器补偿时滞后，引入状态变量x1(t)和x2(t)，并定义一个新的状态变量x3(t)作为扩张状态，x3(t)＝f(x1,x2,w(t))，且是有界的。可以将式(3)所示的磁流变抑振控制系统的动力学模型改写为状态空间方程：
[0026][0027]式中，d是磁流变抑振控制系统稳定时某时刻的电压输出量。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于S
‑
ADRC控制器的薄壁件磁流变抑振方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：第一步，磁流变抑振控制系统设计磁流变抑振控制系统的硬件部分包括磁流变阻尼颤振抑制装置(Ⅰ)、电涡流传感器(2)、数据采集卡(8)、功率放大器(7)和计算机(9)；所述磁流变阻尼颤振抑制装置(Ⅰ)采用对极磁轭结构，由底座(6)、磁轭(5)、电磁线圈(4)和容器(3)组成；其中，容器(3)和磁轭(5)均安装在底座(6)上，且容器(3)位于两磁轭(5)之间；电磁线圈(4)通过磁轭(5)安装在容器(3)两侧；所述容器(3)中安装工件(1)，容器(3)中填充磁流变液；容器(3)两侧的电磁线圈(4)通电后形成磁场，增强容器内磁流变液的阻尼效果，提高工件的加工稳定性；加工过程中，振动位移信号由电涡流传感器(2)实时采集，并经数据采集卡(8)传输至计算机(9)中进行解算；控制量通过数据采集卡(8)传输至功率放大器(7)中进行放大后输出到磁流变阻尼颤振抑制装置(Ⅰ)，改变电磁线圈(4)的励磁磁场，从而调控磁流变液阻尼状态，实现抑制加工振动；第二步，磁流变抑振控制系统的动力学建模工件(1)加工时的振动是由工件(1)与铣刀之间的碰撞引起的；当只考虑工件(1)在垂直于刀具进给方向的振动时，铣削系统的单自由度铣削动力学模型为式中，m、c和k分别表示铣削系统的质量、线性阻尼和刚度；当工件(1)浸入磁流变液中进行铣削时，磁流变液的粘性阻尼会增加系统的阻尼系数；磁流变阻尼器的非线性阻尼力用Bouc
‑
Wen模型表示，可以准确描述磁流变阻尼器的滞后性能，描述如下式中，x(t)是磁流变阻尼器的位移，c0是磁流变阻尼器的粘性阻尼，k0是磁流变液阻尼器刚度，α是磁滞系数，z为磁流变阻尼器的磁滞位移，v是一阶滤波器输出，α
a
、α
b
、c
0a
、c
0b
、η为磁流变阻尼器中与v相关的系数，n是与磁滞位移z相关的指数系数，u(t
‑
τ)是输入到磁流变阻尼器的控制电压，用于调整磁滞的参数由γ、β和A表示，τ是磁流变阻尼器输...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海波，高政，李旭，王俊鹏，苗欢欢，程奕舜，李特，王永青，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：