主轴与刀具回转精度的主动控制

【摘要】主轴-刀具系统的回转精度是评价机床性能的一个非常重要的指标,历来受到广泛的重视。国内外许多学者对其进行了大量的研究和探讨。传统的研究中主要着眼于对主轴的回转精度的测量和评价方面,这是主轴-刀具系统回转精度作为一个综合的评价指标的复杂性和不确定性所决定的。虽然传统的宏观加工在当今技术条件下,对于普通精度的加工完全可以忽略回转精度的影响,但是在微细加工领域,主轴回转精度就会成为阻碍微细切削加工性能提升的最大障碍,因为主轴回转精度同切削深度在同一数量级。最直接的提高主轴-刀具系统回转精度的方法就是改进主轴、轴承、刀柄和刀具的制造和装配误差,甚至改进或者简化微细加工用主轴、刀柄和刀具的结构来满足回转精度要求,克服装配和加工精度不足的缺陷,但是更高的精度也意味着更高的成本。本文从微细加工的实际需要出发,开展了主轴与刀具回转精度的主动控制研究,论文工作主要成果包括：(1)探讨了主轴-刀具系统回转精度的主动控制的可行性。针对回转精度的复杂性,提出了主轴-刀具系统回转精度主动控制思路,从主轴-刀具系统回转误差的最大位置和回转精度对加工影响最大的位置,即刀具上进行径向偏差的控制和抑制。为了探讨该方案的合理性,作者讨论了主轴-刀具系统的动力学模型的建立方法,主要是主轴-刀具系统的转子动力学有限元模型的建立,即单元模型建立及其组装成为系统模型的方法,并利用该模型计算和探讨了主轴-刀具系统的动力学特性。(2)在主轴-刀具系统动力学模型建立的基础上,探讨了回转精度主动控制的方法以及LQR控制器的特点,在将主轴-刀具系统的动力学模型转化为状态方程之后,对该模型进行了求解,同时利用LQR控制器对主轴-刀具系统的偏差进行了控制仿真实验,对LQR控制器的控制效果进行了探讨。(3)探讨了LQR控制器的Q和R矩阵选取问题,针对Q和R矩阵选取的困难,又提出了采用遗传算法对对Q和R矩阵进行了优化,给出了遗传算法设计的过程及详细参数,并给出了优化前后控制效果的分析。(4)讨论了主轴-刀具系统回转精度的影响因素及其测量方法,并采用两种不同的测量方法,即波龙激光传感器检测和LMS系统加电涡流传感器检测,对主轴-刀具系统的回转精度进行了测试和分析,绘制的同步轴心轨迹图以及回转误差随速度的变化曲线图,表明主轴-刀具系统的回转误差形状多为三棱柱状,回转误差同速度的相关性比较大,最后比较了两种测量方法。
【作者】乔鑫涛；
【导师】李蓓智；
【作者基本信息】东华大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】主轴-刀具系统回转精度；转子动力学；有限元；回转误差主动控制；LQR控制；遗传算法；

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