 Mechanical Engineering and Technology 机械工程与技术, 2012, 1, 19-23 http://dx.doi.org/10.12677/met.2012.13004 Published Online September 2012 (http://www.hanspub.org/journal/met.html) Fundamental Philosophy and Status of Boring Chatter Active Control* Dazhong Wang, Shujing Wu College of Mechanical Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai Email: wdzh168@hotmail.com Received: Mar. 28th, 2012; revised: May 6th, 2012; accepted: May 18th, 2012 Abstract: Boring chatter instability in the metal cutting process turn out to be the main factor affecting which con- strains the surface quality and processing efficiency. Studying cutting chatter mechanism and its variation in flutter is one of the theoretical core of cutting chatter suppression with an important theoretical value. In this paper, the funda- mental philosophy in the study on cutting chatter mechanism and active control is summarized. The main theoretical works on boring chatter active control with guaranteed stability and performance are reviewed. From the trend of recent study, we point out that the high efficient active control will be the focus of the afterward study in this area. Keywords: Boring; Chatter Mechanism; Active Control 镗削颤振主动控制的研究现状* 王大中，吴淑晶 上海工程技术大学机械工程学院，上海 Email: wdzh168@hotmail.com 收稿日期：2012 年3月28 日；修回日期：2012 年5月6日；录用日期：2012年5月18 日 摘 要：镗削颤振是金属切削过程中产生的不稳定现象，成为影响和制约零件加工表面质量及加工效率提高的 主要因素。深入开展切削颤振形成的机理研究，是实现切削颤振抑制的理论核心之一，具有重要的理论价值。 本文总结了颤振形成的机理和主动控制的基本思路，回顾了近年关于镗削颤振及保证稳定性的主要研究成果， 并根据近年来预测控制研究的发展趋势，指出高效主动控制逐渐成为这一领域研究的热点。 关键词：镗削；颤振机理；主动控制 1. 引言 金属切削颤振的本质是指发生在切削刀具与工 件之间的机床闭环切削系统的动态不稳定现象。由于 颤振的影响，工件表面的加工精度降低，刀具磨损和 破损加剧，产生的噪声过大。为了满足工件加工的自 动化、高效率以及高精度的要求，国内外高度重视切 削过程中的颤振控制。 纵观切削颤振控制理论的研究进程，不难发现针 对镗削颤振机理和主动控制的研究取得了丰硕的成 果，极大地推动了该领域理论与实践的发展，但在镗 削颤振机理与主动控制方面还有很多问题需要解决。 本文将回顾国内外镗削颤振相关理论的发展，综述其 研究的主要问题和解决问题的主要思想，并分析研究 中的主要难点及有待解决的问题。 纵观切削颤振控制理论的研究进程，不难发现针 对镗削颤振机理和主动控制的研究取得了丰硕的成 果，极大地推动了该领域理论与实践的发展，但在镗 *资助信息：教育部留学回国人员科研启动基金(1568)，上海市教育 委员会科研创新项目(12YZ148)。 Copyright © 2012 Hanspub 19  镗削颤振主动控制的研究现状 削颤振机理与主动控制方面还有很多问题需要解决。 本文将回顾国内外镗削颤振相关理论的发展，综述其 研究的主要问题和解决问题的主要思想，并分析研究 中的主要难点及有待解决的问题。 2. 镗杆颤振抑制问题 因镗杆细长容易引起切削颤振，所以刀具振动控 制研究始于镗杆精密镗孔方面[1]，后来扩展至车削领 域。为简化研究常假设工件刚度足够大而忽略其振 动，刀尖处振动衰减程度和工件表面精度成为判断控 制效果的主要依据。近年国际上在振动控制理论及执 行器研究方面成果卓著[2-6]，促进了刀具振动特别是镗 杆颤振主动控制理论的发展。 瑞典科学家M. N. Cornel等人采取振动控制方法 [7]，设计了较强阻尼能力的复合材料阻尼器，这种阻 尼器提高了被控对象的静态刚度。切削系统的动力学 建模实验可分为模态实验和切削实验，前者靠激振器 作为激励源(称静态方法)，后者用动态切削力作为激 励源(称动态方法)。日本科学家 M. Yoshitaka[8]提出一 种利用矩阵逆估计三维动态切削力–振动传递函数 矩阵的方法。M. Yoshitaka通过切削实验获得数据并 按该方法求出了传递函数矩阵，与机床静止时使用锤 击法获得的结果进行比较，结果表明机床在静止时和 动态切削时的动力学特性具有显著不同。由于切削点 处刀具和工件的相对加速度无法测量，分别测量主轴 和工件三个方向的加速度并认为其差值就是切削点 处相对加速度，动态切削力则由置于工件下方的动态 测力仪获得。在对数据进行处理获得三维动态切削力 –振动传递函数矩阵后，将该矩阵预测的动态切削力 与实验结果比较，结果十分吻合。 英国学者 A. Madkour等[9]阐述了主动控制的智能 学习算法，对切削过程中的振动控制有指导意义。该 文综合了最小二乘法(RLS)、进化遗传算法(GAS)提出 振动主动控制。文献[10]提出了一种刀具的监测方法， 利用通信过程估算刀尖伺服控制切削力，该项基于外 扰的切削力测量技术已经在镗削加工上得到了应用。 文献[11]提取不同条件下的振动信号的特性，以磁流 变液为介质，通过人工神经网络的回归模型，建立抑 制镗削振动的在线监测和控制。 文献[12]提出在镗杆内设置减振器，利用涡流和 永久磁场间的相互作用控制镗杆的振动状态，该方案 可以使模态衰减至 38 分贝和 60 赫兹带宽。E. Budak 等人[13]认为，车削和镗削包含了一个多维度的动态系 统，并对刀尖的几何模型与其稳定性进行研究，获得 了刀尖半径区域极限稳定条件。该研究解决了动态系 统的极限稳定性问题，其模拟试验的结果如图 1和图 2所示。 Figure 1. The chatter sound and a finish surface (━: analytical, ■: stable cut, ●: chatter) 图1. 颤振声音与表面光洁度 (━：图线分析，■：稳定状态，●：颤振状态) Figure 2. Experimental results and the analytical solutions (━: analytical, ■: stable cut, ●: chatter) 图2. 实验结果和解决方案分析 (━：图线分析，■：稳定状态，●：颤振状态) Copyright © 2012 Hanspub 20  镗削颤振主动控制的研究现状 3. 颤振主动预测控制 针对镗杆细长容易颤振，伊朗B. M. Imani 等[14-16] 给出了一个动态镗削过程模拟模型，预测镗削过程中 某一切削条件下刀具与工件的振动状况。同传统方法 比较，不仅能够预测稳定区域，还能预测切削力及振 幅和稳定频率，该文献提出的动态模型对切削力和振 动频率的预测误差在±15%以内，其刀具的几何路径使 用B-样条参数曲线进行描述(图3)，该法可以模拟不 同刀具几何路径，其模型可以为切削刀具制定相关参 数。 J. R. Pratt 等[17]针对镗杆受力选取两个正交方向， 实施阻尼模式的主动控制。该文献对切削力、切削厚 度的多项式函数进行描述，使用摄动法确定线性不稳 定区域，实施从亚临界到超临界的主动控制技术，采 用单自由度模型对镗杆颤振稳定性进行分析，该方法 对抑制颤振效果明显。针对主动控制的自适应数字控 制器，在解决镗杆振动问题上存在局限性，文献[18] 提出模拟控制器方案，并同基于反馈滤波算法的自适 应数字控制器进行比较研究，该项成果可使镗杆的振 动保持在约 50 分贝的水平。 国际上普遍对切削主动控制，特别是镗杆颤振的 主动控制研究高度重视，已经由传统的被动控制思想 向主动控制思想转变，理论上有所突破。但各国对镗 杆的主动控制研究都停留在仿真和实验室阶段，所用 的介质都停留在液压或磁流变液上，由于密封等原因 致使镗杆的结构复杂、外形庞大，其发展趋势仍都集 中在如何设计合理的控制执行装置和控制方法上。 Figure 3. Regenerative chatter mechanism in boring operation 图3. 镗削再生颤振机理 4. 镗杆颤振主动控制研究的进展 镗削振动主动控制与普通的振动控制相比，无论 是理论方面还是实验科学方面都有很大差别。近年， 国内学者对镗削颤振主动控制进行了大量研究，在 《机械工程学报》、《中国机械工程》、《振动与冲击》、 《振动工程学报》等杂志上发表了许多理论计算、实 验技术方面的研究成果。 王民等在文献[19]中系统地介绍了镗杆颤振控制 方法及国内外的发展现状，分析了镗杆各种抑振手段 的技术特点，并展望了镗杆在颤振抑制方法上的发展 方向。王民、胡李波等[20,21]在理论基础上通过实验分 析动力减振镗杆的减振效果和动态性能，并测定其最 佳状态下的性能参数。在频率 121 Hz 左右对应模态参 数分别为：阻尼比 5.15，模态质量 1.16 kg，模态阻尼 130 N-s/m，模态刚度 1,180,000 N/m。在频率 336 Hz 左右对应的模态参数分别为：阻尼比 4.82，模态质量 3.37 kg，模态阻尼 362 N-s/m，模态刚度 4,180,000 N/m。梅德庆 、孔天荣[22,23]和张春良[24,25]等多年致力于 微制造平台和镗削系统颤振主动控制的研究。综合 PID 控制、LQC 控制、H∞控制、模糊控制、神经网络 控制等振动主动控制算法，提出了磁流变自抑智能镗杆 的控制策略，该磁流变液在线圈作用下相当于在镗杆 末端增加了一个刚度和阻尼系数可由外加磁场强度调 控的粘弹性弹簧，以实现改变镗杆动态特性的目的。 高峰、孟光等[26-29]依托机械系统与振动国家重点 实验室，提出基于铣削过程的主动控制理论。通过对 铣刀和机床分别进行振动控制，实现铣削过程振动减 低的目的。在此基础上设计了一种新型的减振调节装 置，并对该装置进行了仿真研究，为进一步研制切削 振动主动控制装置提供了理论依据。刘强等[30]对颤振 稳定性临界点进行了研究，通过阻尼优化进一步提高 颤振抑制的效果，可以消减 37%的振动。邓志党等[31] 对文献[25]中智能镗杆所使用的磁流变阻尼器力学模 型的研究现状进行了调查，并对各种模型进行对比分 析，讨论了目前磁流变阻尼器研究中几个亟待解决的 问题。刘鹏、孔繁森等利用压电执行器，构造了切削 振动主动控制实验系统，并分析了该系统的控制机理 [32]，依据以振抑振的思想，采用位移反馈策略对切削 过程的振动行为进行干预，进而实施对振动的主动控 制，达到了明显的减振效果，为将来制作更具商业前 Copyright © 2012 Hanspub 21  镗削颤振主动控制的研究现状 景的智能刀杆奠定了基础。孔繁森、刘春颖等[33]以压 电陶瓷作为控制元件，采用遗传算法对压电片的贴放 位置进行了优化，对镗杆再生型颤振进行主动控制仿 真研究，通过在镗杆中内置压电叠堆并在镗杆外粘贴 压电片两种途径，有效控制了镗削过程的颤振幅度。 此外，国内众多学者[34-41]均在镗杆控制执行器或主动 控制算法方面有所建树。在镗削主动控制理论方面， 建立满足实际要求的切削加工过程闭环控制模型是 很困难的，所以现今多数停留在实验室阶段。 5. 镗杆颤振的模型跟踪主动控制 目前镗削颤振主动控制方法，均将镗杆视为一个 单模态动力学系统，以模态参数固定不变为前提，建 立整个系统的控制模型。而实际的镗削系统则是包含 无限振动模态的连续系统，在抑制目标模态振动的同 时，可能激发其他模态振动。另外，准确获取目标振 动模态的动力学参数也是困难的，因为整个镗杆–工 件–夹具系统整体动态特性是随着金属去除过程和 机床运动部件的运动在发生变化。这些都为准确制订 主动反馈控制系统的控制算法设置了障碍。现代智能 控制方法虽然存在一定缺陷，但它为复杂系统的控制 提出了新的途径，为了避免采用智能控制的盲目性， 还需要采用非线性系统动态分析和数值模拟技术，全 面解析系统的动力学行为。 解决上述存在问题的可行方案就是引入模型跟 踪控制方法[42-49]。模型跟踪控制在执行实际切削系统 与参照模型之间的跟踪时，重心是如何保证系统的稳 定性。模型跟踪控制方法，与传统的基于模态的主动 振动控制方法相比，该方法不是基于简化的集中质量 单模态切削系统模型，而是基于实际的分布式切削系 统模型，增强了对系统模型不确定性的鲁棒性。未来 镗杆模型跟踪主动控制系统，在结构形式上应该是柔 性的。镗杆的工作参数可以在线自动调节，对工作对 象及环境的适应性具有柔性，也就具有智能性。镗削 振动主动控制是当前机械设计及制造领域受到广泛 关注的前沿课题之一，具有重要的理论和应用价值。 通过设计模型跟踪主动控制算法和控制器，有望在切 削振动主动控制技术方面形成突破。 6. 结束语 过去十几年中，半主动控制、主动控制研究成为 镗削稳定性分析研究的主流，取得了长足的进展，新 理论与新方法相继提出，为镗削颤振主动控制的实际 应用提供了理论基础。本文认为，控制法则的确立是 切削振动主动控制系统的理论核心，它直接决定了控 制的效果，解决切削振动主动控制存在问题的可行方 案是引入先进主动控制方法。 参考文献 (References) [1] M. 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