BTA深孔钻杆系统的涡动及压电控制研究

【摘要】科技飞速发展，机械加工领域的地位日显重要，深孔加工技术作为一种重要的机加工方式，在整个机械行业中有着举足轻重的地位。随着对加工方式的精度和效率的要求提高，人们开始细化研究内容，BTA钻杆系统的动力学行为便是其中研究内容之一。BTA钻杆涡动及偏心控制是动力学行为的突出问题，影响着孔加工质量，本文主要研究BTA钻杆涡动机理和钻杆偏心振动控制，这在深孔加工领域中有着重要意义。本文主要是围绕BTA深孔钻杆系统对其涡动行为进行理论研究和分析，同时结合压电主动控制技术对钻杆的偏心振动进行控制研究。文章基于转子动力学理论，利用固液耦合原理，再结合振动力学对BTA钻杆系统复杂的涡动行为进行理论研究；针对涡动机理的发生条件、涡动形式和涡动失稳的原因进行理论研究，对涡动的各个影响因素提出相应的解决方案。由于涡动行为也属于钻杆的一种偏心运动，因此要控制其偏心幅值，不能让其影响加工质量。本文通过提出一种基于线性二次型最优(LQR)模态控制法的压电主动控制方法，对压电BTA钻杆理论进行推导及结构建模，通过MATLAB软件对控制进行编程仿真；最后通过ANSYS有限元软件对BTA深孔钻杆压电控制模型和压电片进行有限元分析，并利用二阶差分法对压电钻杆进行控制仿真。文章首先分析BTA钻杆系统的动力学行为特性，为后续钻杆系统的涡动研究提供理论基础；然后利用BTA钻杆系统和柔性转子系统运动力学结构相似这一特性，得出钻杆涡动的理论轨迹、运动形式以及其固有特性；推导出钻杆系统的涡动产生偏心距条件、涡动产生的理论临界转速以及涡动失稳的涡动阈值点，得出BTA钻杆涡动规律。最后基于LQR模态控制理论，结合BTA钻杆系统结构，利用压电主动控制建立控制模型，并对其进行仿真，分析压电片的压电传感和致动性能。MATLAB仿真LQR最优控制在权矩阵Q和R配置下的控制结果，有效地验证了LQR控制法的正确性。基于ANSYS瞬态动力学仿真验证压电控制的可行性。本文的研究为BTA钻杆的运动行为学的研究提供理论依据，为钻杆涡动及偏心振动的控制提供参考。
【作者】江敏；
【导师】苗鸿宾；
【作者基本信息】中北大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】BTA深孔钻杆；涡动；LQR控制；压电；仿真分析；

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