Page 60 - 《振动工程学报》2025年第8期

1700 振 动 工 程 学 报 第 38 卷

机理不断研究，并发展出多种振动抑制方法，通常可 决 与 MRE 特 性 密 切 相 关 的 两 个 重 要 问 题 ，一 是
以分为被动、主动和半主动三种。被动抑振方法主 MRE 的磁流变效应，二是 MRE 减振器的结构和磁
要包括通过机器人姿态优化、工艺参数优化、结构刚 路 设 计 。 MRE 减 振 器 的 减 振 性 能 很 大 程 度 上 受
度强化等方式来优化加工系统的刚度和阻尼，以实 MRE 磁流变效应的影响，关于这方面的研究层出不
现振动抑制。在姿态优化方面，国内外学者分别以 穷。周陈程 ［28］ 从原材料方面出发，制备出两种不同
静态刚度 ［7‑9］ 和加工过程中的振动响应 ［10‑11］ 为优化 基体的磁流变弹性体：硅橡胶基磁流变弹性体和天
目标，借助冗余自由度对加工姿态进行优化，提高 然橡胶基磁流变弹性体，并对其进行动态性能测试。
了加工稳定性。在工艺参数优化方面，通过建立加 结果表明，硅橡胶基磁流变弹性体的磁流变效应高
工动力学模型，研究加工过程中切削深度、主轴转 于天然橡胶基磁流变弹性体，能够更好地满足现代
速和进给速度对加工振动的影响机理 ［12‑13］ ，通过优 建筑对结构防风抗震的要求。针对精密加工抑振领
化工艺参数减小加工振动，提高加工质量 ［14‑15］ 。在 域，龙浩天等 ［29］ 探究了磁性颗粒的尺寸对 MRE 磁
结构刚度强化方面，通过在末端执行器中安装压力 流变效应的影响。结果表明，在一定的粒径范围内，
脚装置来增强末端的局部刚度 ［16‑18］ ，一定程度上抑 磁流变效应随磁性颗粒粒径的增大而增大。另外，
制了加工振动。虽然被动抑振方法具有结构简单、 MRE 制备过程中的原料配比对磁流变效应也具有
操作方便等优点，但是也存在灵活性差、控制效果 一定影响，但是目前针对该方面的研究较少。此外，
有限等问题，缺少对突发环境变化的应变能力，无 MRE 减振器的结构和磁路设计也会对减振性能产
法主动适应机器人位姿和激励的变化。为使系统 生较大影响。为了抑制机床镗孔过程中的刀具振
参数可动态调控，出现了主动抑制方法。研究者们 动，提高切削性能，LAWRANCE 等 ［30］ 设计并开发
通过在控制对象上安装的传感器实时感知加工过 了一种 MRE 减振装置，并考虑了活塞位置、电流强
程中系统振动状态的变化，并通过致动器对系统施 度和线圈缠绕方向等参数，分别开展了有/无 MRE
加抵消振动的激励，从而实现加工过程中的振动抑 减振装置的刀架切削对比试验。结果表明，将 MRE
制。其中，采用压电驱动装置 ［19‑20］ 控制机械臂的残 安装在刀架上时，可抑制 86.6% 的振动。为了提高
余振动是当前研究的热点，研究者通过数值模拟和 工件抛光质量，XU 等 ［31］ 提出了一种基于磁流变弹
试验测试验证了控制器的可行性，有效实现了机械 性体抛光复合材料（MREPCs）的新型智能材料研磨
臂的振动抑制。此外，控制电机对机器人加工姿态 工 具 及 其 柔 性 抛 光 方 法 。 通 过 抛 光 试 验 验 证 了
的 实 时 调 整 也 是 实 现 主 动 振 动 抑 制 的 一 种 方 法 。 MREPCs 的 抛 光 性 能 ，结 果 表 明 ，所 开 发 的
NGUYEN 等 ［21］ 提出了一种依赖于姿态的最优控制 MREPCs 可以有效减小加工振幅，显著降低工件表
方法，以主动抑制机器人铣削中由周期性铣削力产 面粗糙度。目前 MRE 在机床上已经实现了较好的
生的刀尖振动，并通过偏置质量试验和铣削试验证 减振效果，但是在机器人铣削加工振动抑制方面的
明了控制方法的有效性。娄军强等 ［22］ 针对伺服电 研究较少。文献［32］针对 ABB IRB6660 机器人设
动机、谐波齿轮减速器、柔性机械臂以及压电致动 计并研制了一种用于抑制颤振的 MRE 吸收器，在
器组成的智能机械臂系统，提出对压电致动器采用 机器人铣削中具有良好的颤振抑制效果。但是，文
模糊控制、对伺服电动机采用 PD 控制的复合控制 献［32］并未考虑 MRE 吸振器内部的磁路设计分析，
策略，降低了机械臂的振动。虽然主动抑振方法具 无法保证 MRE 充分发挥磁流变效应，致使吸振器的
有极强的适应性和调节性，但由于其依赖于特定数 移频带宽仅有 13 Hz，难以适应机器人铣削加工过程
学模型，在实际中误差不可避免，且存在能源需求 中振动频率复杂多变的工况。另外，文献［32］所设
量大、工艺复杂等问题，在实际工程应用中存在一 计的 MRE 吸振器是一种非对称结构，其偏置质量可
定的限制。 能会对机器人加工稳定性产生一定影响。
随着新材料的不断涌现，出现了综合被动与主 受文献［32］的启发，本文设计了一种用于抑制
动抑振优点的半主动抑振方法，它可以通过改变系 KUKA KR500 机 器 人 铣 削 加 工 颤 振 的 MRE 吸 振
统刚度和阻尼来提高系统稳定性 ［23‑25］ 。磁流变弹性 器，并开展了相关试验研究。本文研究的创新点在
体（magnetorheological elastomer，MRE）是一种新型 于：（1）所设计的吸振器结构为圆环型，其对称特点
复 合 材 料 ，具 有 刚 度 连 续 可 控 、响 应 迅 速 的 优 可以确保吸振器自身对机器人主轴无偏置影响；（2）
点 ［26‑27］ ，基于 MRE 在半主动振动抑制领域的独特优 对吸振器内部进行磁路分析和设计，保证吸振器内
势，MRE 减振器的研究对于机械加工过程中的振动 部 MRE 最先达到磁饱和，比文献［32］中 MRE 吸振
抑制有重要意义。 器 所 实 现 的 13 Hz 的 工 作 带 宽 更 高 ，达 到 了
将 MRE 减振器应用于振动抑制领域，需要解 27.86 Hz。