Системи управління динамічними характеристиками шпиндельних вузлів. Огляд публікацій
DOI:
https://doi.org/10.36910/4293-52779-2025-17-02-04Ключові слова:
самозбуджені вібрації, стабільність різання, активне управління вібраціями, шпиндельний вузол, електромагнітний підшипник, п'єзоелектричний привід, інерційний вібропривідАнотація
У статті представлено огляд сучасних методів та систем активного управління вібраціями, що виникають у процесі механічної обробки, зокрема при фрезеруванні та точінні. Проведено огляд методів та засобів підвищення стабільності процесу різання за рахунок покращення динамічних характеристик ШВ та визначення оптимальних режимів обробки. Розглянуто два основні напрямки: коригування швидкості обертання шпинделя та оптимізація керуючої системи верстата. Детально проаналізовано застосування активних систем управління, що включають електромагнітні підшипники, п'єзоелектричні та інерційні віброприводи для покращення динамічних характеристик шпиндельного вузла та гасіння самозбуджених вібрацій. Наведено приклади експериментальних досліджень та математичних моделей, що підтверджують ефективність різних підходів у підвищенні стабільності процесу різання, покращенні якості обробленої поверхні та збільшенні продуктивності. Особливу увагу приділено порівняльному аналізу різних алгоритмів управління, таких як PID, Fuzzy PID, BPNN та BPNN PID, а також методів гасіння збурень та стабілізації процесу різання. Окремо розглянуто застосування активних магнітних опор з різними конфігураціями (радіальні, модифіковані радіальні та вбудовані циліндричні магнітні приводи) та адаптивних систем керування на їх основі. Проаналізовано використання п'єзоелектричних приводів для активного гасіння вібрацій та представлено результати моделювання та експериментальних досліджень. Також розглянуто ефективність застосування інерційних віброприводів з різними стратегіями управління для підвищення стабільності фрезерування. На основі проведеного огляду зроблено висновок про перспективність активних методів управління вібраціями для підвищення ефективності та якості механічної обробки. Підкреслено важливість подальших досліджень у напрямку практичної реалізації та вдосконалення існуючих систем управління, особливо для обробки нежорстких деталей зі складною геометрією поверхонь, де динамічна взаємодія інструменту та заготовки відіграє значну роль.
Посилання
[1] J. Wójcicki, M. Leonesio, and G. Bianchi, “Potential for smart spindles adoption as edge computing nodes in Industry 4.0,” Procedia CIRP, vol. 99, pp. 86–91, Jan. 2021, doi: 10.1016/J.PROCIR.2021.03.015.
[2] C. YUE, H. GAO, X. LIU, S. Y. LIANG, and L. WANG, “A review of chatter vibration research in milling,” Chinese Journal of Aeronautics, vol. 32, no. 2, pp. 215–242, Feb. 2019, doi: 10.1016/j.cja.2018.11.007.
[3] J. Munoa et al., “Chatter suppression techniques in metal cutting,” CIRP Ann Manuf Technol, vol. 65, no. 2, pp. 785–808, 2016, doi: 10.1016/j.cirp.2016.06.004.
[4] B. Liu, C. Liu, X. Yu, Y. Zhou, and D. Wang, “Prediction, detection, and suppression of regenerative chatter in milling,” Oct. 01, 2022, SAGE Publications Inc. doi: 10.1177/16878132221129746.
[5] Y. Sun, M. Zheng, S. Jiang, D. Zhan, and R. Wang, “A State-of-the-Art Review on Chatter Stability in Machining Thin−Walled Parts,” Mar. 01, 2023, MDPI. doi: 10.3390/machines11030359.
[6] G. Quintana and J. Ciurana, “Chatter in machining processes: A review,” May 2011. doi: 10.1016/j.ijmachtools.2011.01.001.
[7] H. Snyder, “Literature review as a research methodology: An overview and guidelines,” J Bus Res, vol. 104, pp. 333–339, Nov. 2019, doi: 10.1016/J.JBUSRES.2019.07.039.
[8] L. Ding, Y. Sun, and Z. Xiong, “Active Chatter Suppression in Turning by Simultaneous Adjustment of Amplitude and Frequency of Spindle Speed Variation,” Journal of Manufacturing Science and Engineering, Transactions of the ASME, vol. 142, no. 2, Feb. 2020, doi: 10.1115/1.4045618.
[9] Z. Li, Q. Song, L. Zhanqiang, B. Wang, and Y. Cai, “Chatter suppression mechanism and parameters configuration of the spindle speed variation with piecewise characteristics,” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 122, Sep. 2022, doi: 10.1007/s00170-022-10071-z.
[10] X. Long, S. Ren, and P. Zheng, “Delayed State Feedback Control for Milling Process,” Procedia IUTAM, vol. 22, pp. 115–122, Jan. 2017, doi: 10.1016/J.PIUTAM.2017.08.015.
[11] I. Mancisidor, A. Pena-Sevillano, Z. Dombovari, R. Barcena, and J. Munoa, “Delayed feedback control for chatter suppression in turning machines,” Mechatronics, vol. 63, Nov. 2019, doi: 10.1016/j.mechatronics.2019.102276.
[12] M. Guo, W. Xia, J. Liu, W. Guo, and C. Wu, “Investigation on active vibration control to improve surface quality in precision milling process,” Proc Inst Mech Eng B J Eng Manuf, 2023, doi: 10.1177/09544054231207422.
[13] J. Monnin, F. Kuster, and K. Wegener, “Optimal control for chatter mitigation in milling – Part 1: Modeling and control design,” Control Eng Pract, vol. 24, no. 1, pp. 156–166, Mar. 2014, doi: 10.1016/J.CONENGPRAC.2013.11.010.
[14] T. Huang, Z. Chen, H. T. Zhang, and H. Ding, “Active control of an active magnetic bearings supported spindle for chatter suppression in milling process,” Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control, Transactions of the ASME, vol. 137, no. 11, Nov. 2015, doi: 10.1115/1.4030841.
[15] A. Etxebarria, R. Barcena, and I. Mancisidor, “Active Control of Regenerative Chatter in Turning by Compensating the Variable Cutting Force,” IEEE Access, vol. 8, pp. 224006–224019, 2020, doi: 10.1109/ACCESS.2020.3043975.
[16] J. Burtscher and J. Fleischer, “Adaptive tuned mass damper with variable mass for chatter avoidance,” CIRP Annals, vol. 66, no. 1, pp. 397–400, Jan. 2017, doi: 10.1016/J.CIRP.2017.04.059.
[17] A. Iglesias, Z. Dombovari, G. Gonzalez, J. Munoa, and G. Stepan, “Optimum selection of variable pitch for chatter suppression in face milling operations,” Materials, vol. 12, no. 1, Dec. 2018, doi: 10.3390/ma12010112.
[18] P. Imoberdorf, C. Zwyssig, S. D. Round, and J. W. Kolar, “Combined Radial-Axial Magnetic Bearing for a 1 kW, 500,000 rpm Permanent Magnet Machine,” in APEC 07 - Twenty-Second Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2007, pp. 1434–1440. doi: 10.1109/APEX.2007.357705.
[19] N.-C. Tsai and S.-L. Hsu, “On Sandwiched Magnetic Bearing Design,” Electromagnetics, vol. 27, no. 6, pp. 371–385, Aug. 2007, doi: 10.1080/02726340701492455.
[20] R. M. Lee and T. C. Chen, “Adaptive control of active magnetic bearing against milling dynamics,” Applied Sciences (Switzerland), vol. 6, no. 2, 2016, doi: 10.3390/app6020052.
[21] N.-C. Tsai and R.-M. Lee, “Regulation of spindle position by magnetic actuator array,” The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 53, pp. 93–104, Mar. 2011, doi: 10.1007/s00170-010-2830-0.
[22] S. Sheng and C. Sun, “A near-hover adaptive attitude control strategy of a ducted fan micro aerial vehicle with actuator dynamics,” Applied Sciences (Switzerland), vol. 5, no. 4, pp. 666–681, 2015, doi: 10.3390/app5040666.
[23] S. Sheng and C. Sun, “Design of a Stability Augmentation System for an Unmanned Helicopter Based on Adaptive Control Techniques,” Applied Sciences, vol. 5, pp. 575–586, Sep. 2015, doi: 10.3390/app5030575.
[24] P. Matthias, B. Peter, K. Hans-Joachim, and W. Rafael, “Adaptive Spindle Damping System with Active Electromagnetic Bearing,” Procedia Manuf, vol. 8, pp. 557–562, 2017, doi: 10.1016/j.promfg.2017.02.071.
[25] H.-J. Koriath, M. Hoffmann, and P. Blau, “Цифровые технологии Industrie 4.0 для станков и промышленного оборудования,” Avtomatisazija v promyshlennosti 1819-5962, vol. 5, pp. 9–11, Apr. 2017.
[26] D. Li, H. Cao, F. Shi, X. Zhang, and X. Chen, “Model Predictive Control Based Chatter Suppression in Milling Process via Piezoelectric Stack Actuators,” in Procedia CIRP, Elsevier B.V., 2018, pp. 31–36. doi: 10.1016/j.procir.2018.08.308.
[27] F. Shi, H. Cao, D. Li, X. Chen, and X. Zhang, “Active chatter control in high speed milling processes based on H ∞ almost disturbance decoupling problem,” in Procedia CIRP, Elsevier B.V., 2018, pp. 37–42. doi: 10.1016/j.procir.2018.09.050.
[28] X. Zhang, C. Wang, R. X. Gao, R. Yan, X. Chen, and S. Wang, “A novel hybrid error criterion-based active control method for on-line milling vibration suppression with piezoelectric actuators and sensors,” Sensors (Switzerland), vol. 16, no. 1, Jan. 2016, doi: 10.3390/s16010068.
[29] R. Kleinwort, M. Schweizer, and M. F. Zaeh, “Comparison of Different Control Strategies for Active Damping of Heavy Duty Milling Operations,” in Procedia CIRP, Elsevier B.V., 2016, pp. 396–399. doi: 10.1016/j.procir.2016.04.054.
[30] I. Mancisidor, X. Beudaert, G. Aguirre, R. Barcena, and J. Munoa, “Development of an active damping system for structural chatter suppression in machining centers,” International Journal of Automation Technology, vol. 12, no. 5, pp. 642–649, Sep. 2018, doi: 10.20965/ijat.2018.p0642.
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Пономаренко С. В., Сапон С. П.
TЦя робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.
