[发明专利]一种GMA车削加工系统动力学模型及建模方法

说明书

技术领域

本发明属于机电技术领域，涉及一种GMA车削加工系统动力学模型及建模方法，具体地说，涉及一种考虑工件对刀头颤振影响的GMA车削加工系统动力学模型及建模方法。 

背景技术

超磁致伸缩微致动器(GMA)是以稀土超磁致伸缩功能材料制成的电-机换能器，其工作原理是，变化的外激励电流，产生变化驱动磁场，进而驱动超磁致伸缩材料棒的长度伸缩，从而使GMA顶杆产生相应的位移和输出力。GMA车削加工系统是以GMA为核心的伺服系统作为刀头轴向进给驱动装置，实现刀头的位移和输出力。颤振是机床在进行切削加工过程中，在没有周期性外力的作用下，刀具与工件之间产生强烈的振动。 

以稀土超磁致伸缩材料制成的超磁致伸缩微致动器(GMA)具有响应快、位移大、输出力大、结构紧凑等优点，被广泛应用于精密、超精密加工领域。由于GMA车削加工系统建模涉及电学、磁学、力学、机械学等诸多学科，对该系统的建模成为难点和重点。目前主要基于GMA自身材料的特性，如考虑滞回非线性等因素的影响建立GMA车削加工系统动力学模型；并没有考虑工件与刀具之间的影响，即颤振的影响。基于传统模型下，一方面要设计GMA的控制系统，另一方面为了消除颤振，还需额外设计减震装置。然而以上方法不仅增加了车削加工系统的结构设计，而且由于GMA刀具动力学模型与刀具与工件的颤振模型之间存在耦合，分别设计刀具位移控制系统和减震系统，导致控制精度不高。 

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种GMA车削加工系统动力学模型及建模方法，综合考虑GMA材料特性、刀具与工件之间的颤振影响建立GMA车削加工系统多自由度耦合动力学模型，基于该模型设计的GMA车削加工系统不需要额外设计减震装置，简化系统结构设计的同时，还可达到消除刀具与工件之间的颤振的目的，从而提高工件加工质量和精度。其技术方案如下： 

一种GMA车削加工系统动力学模型，结构简图由GMA壳体、GMM棒、线圈、顶杆及工件依次连接而成，所述线圈缠绕在GMM棒上。 

一种本发明所述GMA车削加工系统动力学模型的建模方法，括以下步骤： 

A.考虑温度及预应力的影响建立外激励电流与刀具输出位移之间的关系，主要由以下步骤： 

(1)确定外激励电流与GMM棒所产生的磁场H(t)之间的关系； 

(2)根据J-A滞回模型建立激励磁场与磁化磁场M(t)的数学模型； 

(3)建立磁化磁场与磁致伸缩应变λ(t)之间的关系； 

(4)以磁致伸缩应变λ(t)作为PDE模型的输入，从而建立λ(t)与输出位移之间关系，确定I(t)和x(t)的关系模型； 

B.考虑再生型颤振的影响，建立工件颤振位移动力学模型； 

C.将步骤A和步骤B建立的模型联立，即得到GMA车削加工系统多自由度耦合动力学模型。 

进一步优选，本发明所述GMA车削加工系统动力学模型的建模方法，一方面考虑温度及预应力的影响，基于J-A滞回模型建立GMA外激励电流与刀具输出位移之间的关系模型，另一方面基于再生型颤振模型，建立工件振动动力学模型，两个模型通过再生型颤振力相互耦合，从而建立了既考虑刀具输出位移又考虑工件颤振位移的双自由度耦合模型。 

与现有技术相比，本发明的有益效果： 

本发明综合考虑GMA材料特性、刀具与工件之间的颤振影响建立GMA车削加工系统多变量耦合动力学模型，基于该模型设计的GMA车削加工系统不需要额外设计减震装置，简化系统结构设计的同时，还可达到消除刀具与工件之间的颤振的目的，从而提高工件加工质量和精度。 

附图说明

图1是GMA力学模型结构示意图； 

图2是GMA驱动的刀具动力学模型的建模方法流程图； 

图3是GMA力学模型简图； 

图4是再生型颤振系统动力学模型。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。