基于时滞反馈的薄壁结构件铣削振动主动控制研究

Thin-walled structure is widely used in aero, electronic and mold industries. The capacity of manufacturing the key thin-walled mechanical component is one of the important indexes of the modern manufacture technology. In this project, we will focus on the stability and active vibration control on the milling thin-walled structures. The structure is divided into smaller subdomains and then the modified variation principle is used to discretize the special continuous system into a discrete system. Through the semi-discretization method, the temporal continuous system is discretized into a discrete system, then the Floquet theory is used to study the stability of the finite dimension difference equations. Through the analysis of stability, the mechanism of loss of stability of milling with thin-walled structures due the mode coupling and internal resonance will be explored. To realize the control of relative vibration between the thin-walled structure and tool efficiently, a time delay feedback controller will be introduced. The stability and stabilization of multiple delayed system are investigate. Discrete optimal control method is used to designed the controller for the discrete finite dimension difference equations. Numerical simulations and experiments are carried out to verify the analytical results and the efficiency of controller. The outpouts of the project will provide a strong support for the high speed, efficiency, and accuracy milling of thin-walled structures by theory and practical method.

薄壁结构件广泛应用于航空航天、电子、模具等工业领域。对关键薄壁件的加工能力已成为衡量世界各国制造技术水平和基础工业的重要标志之一。本项目以薄壁结构件的铣削加工稳定性分析与振动控制为研究对象，针对其具有连续、时滞作用、时变动态特性的特点，在空间上，采用区域分解法，将连续体变成一个多自由度系统，在时间上，采用半离散法，将具有无穷维的时滞系统等效为一个多维的离散系统，利用Floquet 理论开展稳定性分析，揭示多模态耦合作用下的时滞、变动态特性系统失稳机制。在控制研究方面，将刀具和工件的相对振动为控制目标，在多时滞系统稳定性分析的基础上，引入时滞反馈控制，研究其时滞反馈控制的镇定机理。为解决时滞反馈控制器设计的难点，对等效的多维离散系统，应用离散优化控制法进行控制器设计。数值模拟和实验将用来验证稳定性分析和振动主动控制效果。项目成果将为高效、高精度薄壁件铣削加工提供理论和方法支撑。

薄壁结构件广泛应用于航空航天、燃气轮机等领域，由于其固有的低刚度特性，铣削加工中容易发生颤振，降低零件的加工精度和表面质量。本项目聚焦薄壁结构件铣削振动，从铣削稳定性预测、模态失稳机制以及振动主动控制三个方向进行研究，为薄壁结构件的高效、高精度铣削提供理论支撑和方法指导。.在薄壁件铣削动力学方面针对薄壁结构件铣削过程中的材料去除现象，建立考虑材料去除的铣削系统动力学模型并与有限元结果对比，分析材料去除对铣削稳定性的影响，研究了薄壁框体铣削的模态耦合与失稳机理，提出一种“影响因子”，半定量地表征模态之间相互影响的强弱程度。. 在铣削动力学分析基础上，考虑铣削中的时滞再生效应，利用Lyapunov稳定性理论提出了一种时滞主动控制方法，通过减轻再生效应抑制颤振。实验表明，时滞反馈控制将系统的铣削稳定性极限提高了大约4倍，但是所需能耗仅为实时反馈控制的1/5。为了进一步提高控制的鲁棒性，将一种LQG与鲁棒控制耦合作用的控制器用于铣削颤振控制，将时滞作为扰动，利用该方法的强鲁棒性保证铣削稳定，实验中耦合控制方法的稳定性极限比LQG和鲁棒控制方法高33%和71%，且高于提出的时滞主动控制方法。最后，考虑薄壁结构件铣削中的多模态效应，建立了考虑三阶模态的最优控制方法。实验显示了不同模态主导下的不同颤振特性，并验证了设计的控制方法的有效性，控制之后薄板铣削的稳定性极限由不到0.3mm提升到了1mm。. 项目针对这种具有时滞非光滑特点的薄壁结构件铣削动力学进行研究，丰富了具有时滞、非光滑系统动力学的内容，发展的控制方法，为薄壁结构件的高效、高精度铣削提供技术手段。