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湖 南 科 技 大 學 英文文獻翻譯 學 生 姓 名： 許 勝 學 院： 機電工程學院 專業(yè)及班級： 機械設計制造及其自動化6班 學 號： 1103010623 指導教師： 楊 國 慶 二0一五 年 5 月 30 日 一種新的抑制柔性工件夾具加工振動的設計方法 文章信息 文章歷史：2011年9月收到 2012年2月20日收到修訂的形式 2012年3月3日在線提供 摘要 該柔性工件在加工過程中的振動是影響最后部分的精度加工的主要因素。夾具布局不當容易產生切削振動，這將嚴重影響表面加工質量，特別是對柔性工件。本文是關心通過設計適當?shù)囊种迫嵝怨ぜ诩庸み^程中的振動夾具布局方案。建立了一種對工件夾具––刀具系統(tǒng)的動態(tài)模型，其中切削力作為干擾輸入，和夾具元件作為控制輸入。在該模型的基礎上，對夾具設計的建議和方法，為第一次，以抑制從切削力柔性工件在加工過程中的振動。這是值得注意的是，位置，所施加的力和夾具元件的數(shù)量可以同時優(yōu)化。通過加工的例子驗證了有效性的方法。 關鍵詞： 夾具設計、抑制加工過程中的振動、工具—夾具—刀具、柔性工件、加工精度。 example. 源語言可能是:德語 1. Introduction 第一章 簡介 在過去的幾十年中，夾具的設計分析及加工應用，特別適合加工柔性工件，已經獲得了特別的關注，由于對其最后部分的質量和生產成本的影響。銑削加工的柔性工件在航空航天制造一個共同的過程工業(yè)。由于它的低剛度，振動和表面柔性工件加工過程中有明顯的錯誤過程。夾具設計是機械加工中特別重要柔性的工件，用于抑制振動的能力工件。已作出許多努力，建模，分析，并對加工的夾具設計中的應用。的之前的作品多數(shù)處理工件–夾具系統(tǒng)作為靜態(tài)和忽略系統(tǒng)動力學。由于加工的特點往往是由周期性的切削力和振動，以動態(tài)的影響考慮在夾具設計是非常重要的。針對柔性工件，動態(tài)響應–工件的夾具系統(tǒng)是一個重要的因素，大大影響加工的精度和效率。這是因為從最初的工件-刀具系統(tǒng)的變化的影響，對剛柔耦合系統(tǒng)剛柔混合系統(tǒng)材料去除，并成為一個剛性差的工件成分的影響下容易產生振動高速切削力。準確的夾具布局設計是尤其必要的柔性工件的加工。 1.1 對控制柔性工件振動的相關研究綜述 振動是精加工的一種常見現(xiàn)象由于其低剛度的柔性的工件，具有在已加工表面質量的影響工件的加工過程。比爾曼等人。1，提出了一種計算再生加工仿真系統(tǒng)振動的五軸銑削加工過程中，渦輪葉片提出了一種建模的可視化方法產生的表面。布拉沃等人。2，提出了一種三維方法葉圖通過考慮動態(tài)該機的結構性能和加工工件的。該方法是由一系列加工薄的驗證墻?？才晾热?3，提出了一種基于方法論的部分模態(tài)參數(shù)估計和相應的喋喋不休避免在柔性薄銑削穩(wěn)定性裂片地板。一種銑削柔性系統(tǒng)穩(wěn)定性模型圓頭端銑刀在刀軸方向構造,4，考慮彈性非線性工件在加工時的穩(wěn)定區(qū)域動態(tài)預測采用有限元分析和傅里葉變換方法,5，對銑削加工的壓電主動振動控制的可行性采用正位置反饋控制的柔性工件策略?？怂雇『捅葼柭?，提出的反演方法預測再生柔性工件振動的概念五軸銑削過程中這一概念結合。精確的五軸加工過程仿真和快速包括材料去除和力的計算。一個有限的元模型是用于計算工件位移—額。阿爾諾等人。7，提出了一種柔性的工件模型研究了切削過程的穩(wěn)定性評價工件的加工振動。8，分析了主軸的工具集和一個靈活的動態(tài)相互作用通過有限元方法的工件.在精確穩(wěn)定所以詳細說明贊美圖由耦合動態(tài)機和處理的行為。實驗結果表明，主軸轉速調節(jié)是必要的約束保證最佳的穩(wěn)定性在機—在柔性結構。所有這些研究都集中在工件柔性振動控制通過選擇工藝參數(shù)合理的。然而，重要的是有一個夾具在機的靈活處理，因為它有能力取消在過度振動的平衡處理和加工剪輯的力量。通過設計適當?shù)膴A具，的柔性工件的動剛度可以被添加到。 review of researches related to fixture layout for machining 1.2 加工應用的夾具布局相關研究綜述 一般來說，加工夾具被用于嚴格、準確地把握和支持用夾具和定位工件，從而使工件相對于刀具的配置可以在加工過程中保持。3-2-1定位原理是常用的工件位置正確。許多研究人員專注于夾具幾何親編程設計與優(yōu)化。這些研究工作是基于這樣的假設工件是完全剛性下的形封閉和力封閉條件或存在局部接觸變形。然而，對于柔性的工件，不僅有局部接觸變形也在夾緊和加工過程中發(fā)生整體變形。此外，對夾具元件的夾具和定位不僅影響工件的形封閉、力封閉數(shù)的布局，也影響工件的加工穩(wěn)定性。參考文獻。利用有限元軟件分析接觸剛度之間的夾具元件與工件之間的接觸變形以及刀具與工件。無論是切削力和工件的位移預測。然而，有限元軟件可以預測在給定的夾具布局和切割工藝參數(shù)下的一些參數(shù)。它不能直接應用于優(yōu)化夾具布局。劉等人。提出了一種優(yōu)化處理的數(shù)量和位置的定位器在輔助定位面在低剛度工件的銑削方法。這種方法只考慮靜態(tài)變形柔性工件在夾緊過程，但沒有考慮兩者的夾具布局和對加工過程的動態(tài)夾具元件數(shù)的影響。秦等人。提出了一種新的方法考慮到不同的接觸力和摩擦力在夾緊。Raghu和melkote考慮夾具的幾何誤差和夾具，由于夾緊力的部分裝在夾具夾緊工件彈性變形過程建模。這種方法只考慮了靜態(tài)夾緊變形及工件的整個剛體位移，但沒有考慮工件的動態(tài)位移和動態(tài)對工件的夾具布局的影響。陳等人。建立了多目標模型以減少夾緊變形的程度和增加分布結合均勻變形的有限元法和遺傳算法。雖然這種方法是最小化和均勻變形的信息比傳統(tǒng)的夾具設計方法更有效，它不考慮工件的夾具布局的動態(tài)效果。這些方法都是基于靜態(tài)分析。夾緊變形控制主要考慮夾具元件的布局和夾緊力。然而，上的切削力的夾具布局優(yōu)化和夾緊變形控制都沒有考慮到的影響因素，這是必不可少的解決柔性工件的加工變形控制問題。此外，針對柔性工件，夾具布局的目的不僅是對如何降低靜態(tài)夾緊變形和殘余應力引起的夾緊。最重要的問題是如何提高柔性工件動態(tài)切削性能。 1.3相關夾具布局對柔性工件在切削加工中的振動控制研究綜述 To the best of our knowledge, there are few studies in the area of the fixture layout on the vibration control of flexible workpiece in machining while taking into consideration the effect of the fixture layout on workpiece dynamics. Aoyama and Kakinuma [22] presented new fixture devices, which can support thin and compliant workpieces securely with little deformation, but did not study the effect of the fixture layout on deformation or vibration of thin and compliant workpieces. 據(jù)我們所知，很少有研究在夾具布局的地區(qū)對柔性工件在切削加工中的振動控制同時考慮工件的夾具布局的動力學的影響。青山和kakinuma 提出了新的夾具裝置，它可以支持薄的和兼容的安全工件變形小，但沒有研究變形或薄和柔性工件振動的夾具布局的影響?；谝陨戏治?，本文研制了一種工件夾具––刀具系統(tǒng)的動態(tài)模型，然后，一個新的夾具設計方法來抑制柔性工件在加工過程中的振動。本文的其余部分安排如下。節(jié)構建工件夾具––刀具系統(tǒng)的動態(tài)模型。抑制切削振動夾具的設計方法已在第三節(jié)介紹。第四節(jié)發(fā)展加工實例驗證所提出的夾具設計方法。 第二章 工件夾具––刀具系統(tǒng)動態(tài)建模 研究的系統(tǒng)包含兩個子系統(tǒng)，即，主軸刀具子系統(tǒng)和工件夾具子系統(tǒng)–。在這一部分中，無論是切削力模型和柔性工件模型描述。然后，一個模型的耦合動力系統(tǒng)，即，在工件夾具刀具––動態(tài)系統(tǒng)，建立了。 2.1. Cutting force model 2.1 切削力模型 切削力模型在目前的工作是類似于工程師和Altintas [ 23 ]提出的模型。用端銑刀的切削力模型的示意圖如圖1所示，考慮局部的切削刃的幾何形狀和三種不同的切削力沿切向，徑向和軸向方向，在切割點。差切削力被定義為切向，徑向，和在一個無窮小的切削刃段軸向方向如下[ 24 ]： 他們可以使用正交切削數(shù)據(jù)庫和斜角切削模型的布達克等人提出的獲得。[ 25,26 ]。DS是切削刃的切削長笛 的長.db無窮小的方向沿切削速度的投影長度。H（j，k）是未變形切屑厚度正常的切邊，它的位置變化和旋轉刀具切削點。為參考的切削齒的切削厚度可利用銑削運動學評價[ 27 ]。動態(tài)切削載荷可以根據(jù)參考文獻[ 28 ]的評價。一旦芯片負載和切削系數(shù)進行局部邊緣的幾何形狀，切削力在直角坐標系中沿x，y和z方向都可以作為[ 23 ] 總切削力在直角坐標系中沿X，Y和Z方向可以通過集成式評價（2）相對于差動軸深度，DZ。為參考的切削齒的表達式可以寫為 NT是刀上的凹槽數(shù)量，ZL（T）和組（T）的上限和下限為當前切割區(qū)域一體化的限制。對端銑刀，根據(jù)簡單的幾何圖形，方程（3）可以表示為 此外，低速銑削過程的切削力模型的建立，應考慮切削過程中的阻尼作用，這已被證明是重要的因素，為準確預測穩(wěn)定極限的布達克和坦科[ 29 ]。 2.2工件模型 為了有一個工件在加工問題的航天航空結構件具有代表性，研究集中在一個典型的柔性工件與結構真正達到減輕重量和剛度保護之間的一種折衷（見圖2（a））。幾何體現(xiàn)的一部分，可以在航空航天工業(yè)，容易發(fā)現(xiàn)，例如，肋和機身的晶石。一般來說，在實際加工過程中從一個工件的粗加工。在這個階段，可以考慮為彈性相對剛性的工件，而在精加工操作階段的一個柔性的工件，工具可以被認為是剛性與柔性的工件。在前面，在精加工操作階段，工件夾具系統(tǒng)動力學–比工具動力學更占優(yōu)勢。為了確定一個適當?shù)膴A具布局的工件柔性振動抑制精加工操作階段期間，一個工件的夾具系統(tǒng)的動態(tài)響應模型–應進行。工作件可以離散的底面和四個側壁。假設工件的底面固定在機加工，即，相對于四側壁的底側是剛性的，只有四的側壁的動態(tài)響應需要關注。每個側壁邊界條件是仿照第一開發(fā)的每個側壁的工件橫向動態(tài)響應模型。相鄰的側壁之間的相互作用是由扭轉彈簧和線性彈簧模型。平移彈簧在橫向和旋轉彈簧作用沿相應邊緣的軸（參見圖2（b））。關鍵的問題是如何分配每個扭轉彈簧和彈簧右平移剛度值，以保證所構建模型的合理性。的扭轉彈簧和線性彈簧可以通過最小化由切削力作用點確定矩陣的有限元模型之間的臨界點的動態(tài)響應的偏差達到最佳的剛度值。UC是外部擾動向量的切削力的確定。由于工件的靈活性是在垂直于刀具軌跡的方向考慮，使振動發(fā)生，UC主要是由切削力沿x方向的FX（T）?？紤]到切削力沿x方向的FX（T）是一個連續(xù)函數(shù)的周期性變化隨著時間的推移，在球磨過程中，它是假定有的采樣時刻，即，從T1到TS。因此，S1外部擾動向量UC可以寫為Uc=[Fx(t1) Fx(t2).....Fx(ts)]T。 第三章 抑制切削振動夾具設計建模方法 基于建立在2節(jié)的模型，提出了抑制柔性工件在加工過程中的振動的一種新的夾具設計方法。方程（5）可以寫成狀態(tài)空間形式 其中一個是2nx1的狀態(tài)向量， A=是2nx2n的狀態(tài)矩陣，是2nx2n的輸入矩陣，U是輸入向量，是抗擾輸入矩陣，V是擾動向量。系統(tǒng)的輸出方程，可以考慮作為Y=Ex其中Y表示M1輸出矢量和E表示mx2n輸出矩陣。假設一個輸出反饋控制應用于該系統(tǒng)，輸入向量u可以表示為U=Gy，其中G表示M×M的反饋增益矩陣。然后運動閉環(huán)方程可以得到 為了減少由切削力引起的工件柔性振動，適當?shù)姆答佋鲆婢仃嘒應實現(xiàn)。對于閉環(huán)系統(tǒng)描述在式（7），它可以通過在矩陣的特征值和相應的左特征向量的形式表示為 其中和是系統(tǒng)的特征值和對應的左特征向量，I是2n x 2n矩陣矩陣。定義矩陣，的向量跨度的矩陣的零空間。 應用奇異值分解的矩陣網絡，下列方程可以得出 在Ui和Vi的左、右奇異向量矩陣。矩陣是共軛轉置的復雜矩陣式（9）可以從開環(huán)的特征值選擇，其數(shù)量由夾具元件的數(shù)目決定的。假設所有的閉環(huán)特征值是不同的開環(huán)的，那么矩陣是非奇異對角矩陣是正定矩陣包括所有的Fi矩陣的奇異值。因此，工件和等效模型。以最小化的目標函數(shù)是相應的誤差范數(shù)，可以歸結為這里a和b分別表示的時間的反應點的數(shù)量和模型的輸出點的數(shù)量。Xij和Yij分別表示工件的位移響應和等效模型。該優(yōu)化問題涉及大量的決策變量。根據(jù)目標函數(shù)的特點，粒子群優(yōu)化算法[ 30 ]可以通過最小化目標函數(shù)確定最佳的彈簧剛度值。一旦得到適當?shù)膹椈蓜偠戎?，該工作件模型就可以進行了。