CN100355521C - 一种基于磁流变液的自抑振智能镗杆构件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁流变液的自抑振智能镗杆构件。在镗杆上装有磁流变抑振执行器，镗杆悬伸部分的前端面上装有加速度传感器，加速度传感器接控制系统的电荷放大器，励磁线圈接控制系统的功率放大器。本发明提出了一种集信号传感、调理、分析处理及反馈控制于一体的自抑振智能镗杆构件的镗削颤振抑制新方法。根据磁流变液材料可在液、固态之间进行快速、连续、可逆转化的特性，将其应用于镗杆动态特性的调节过程，通过调节作用在磁流变液材料上的磁场强度，实时地改变镗杆的动态特性，使镗杆固有频率能及时避开颤振频率区，从而有效地抑制镗削过程颤振发生。
Description
技术领域
本发明涉及机械技术领域，尤其涉及一种基于磁流变液的自抑振智能镗杆构件。
背景技术
机械产品中的精密孔，如发动机的汽缸孔等，往往是机械系统中最关键的部位，因为其加工困难，加工质量很难得到保证，一直是机械加工的难点。如何提高精密孔的加工质量和效率，业已成为机械制造业中亟待解决的重要课题之一。精镗是精密孔加工的一种重要方法，然而精镗过程中发生的颤振往往是造成精密孔加工精度低、表面质量差以及加工效率不高等问题的主要原因。此外，颤振还会加速刀具系统的磨损，产生强噪声并危害操作者的身心健康。为了解决镗削过程的颤振问题，国内外学者都进行了大量的研究工作，其中主要有：[1].在1995年召开的第四届IEEE国际控制应用会议的论文集第868～874页报道了布迪(Budi W.)等人在镗杆内部放置主动控制的电磁吸振器来抑制镗杆的颤振的方法；[2].在1995年6月在美国西雅图召开的ACC会议的论文集第739～743页报道了迈克尔(Michael)等人采用在镗杆内部放置主动控制的压电致动器来抑制镗杆的颤振的方法；[3].在1996年在美国迪尔伯恩召开的IEEE国际控制应用会议的论文集第235～239页报道了基潘(G.Pan)等人采用在镗杆内部放置主动控制的超磁致伸缩致动器来抑制镗杆的颤振的方法；[4].在1997年的《工具技术》杂志第31卷的19～21页报道了李启堂等人将动力吸振器应用于镗杆减振过程，可有效避免加工过程颤震现象的发生的方法；[5].在2002年的《中国机械工程》杂志第13卷的1827～1829和1855页报道了赵永成等人提出在精密孔加工过程中采用挤压液膜阻尼技术，在刀具系统与被加工件之间产生挤压液膜，形成液膜阻尼效应，使镗杆刀具难以起振的方法；[6].在1999年《International Joumal of Machine Tools & Manufacture》杂志第39卷的1925～1934页报道了王民等人通过调节施加于电流变材料上的电场强度来改变整个镗杆的动态特性，并借以抑制切削颤振的方法。
针对上述镗杆颤振的控制方法，按照减振方式，可以归纳为三类：(1)被动减振方式。文献[4-5]中镗杆的抑振方式均属于被动减振方式，结构简单，但由于减振器固有频率一般不可调，只适用于扰频基本固定的情况，如果扰频在较大范围内变动，则效果不佳。(2)主动减振方式。文献[1-3]中镗杆的抑振方式均属于主动减振方式，它们能够在不同的工况下，根据传感器的反馈信号，对减振器固有频率进行连续的调节，减振效果优于被动减振方式，但是具有能耗高、成本高、可靠性差等缺点，使得实际生产过程难以推广应用。(3)半主动减振方式。文献[6]中镗杆抑振方式属于半主动减振方式，主要是通过改变减振设备的刚度或阻尼等动态特性参数来改善系统的响应，其减振效果优于被动减振方式，而且同主动减振方式相比又具有能耗低、可靠性高等优点，因此，半主动减振是一种理想的镗杆颤振抑振方式，但由于文献[6]中使用电流变材料，会带来一系列问题：①工作电压高，工作过程需要加载几千伏的高压电(2KV～5KV)；②适用温度范围窄，一般情况为10℃～70℃；③稳定性差，流变过程易受制造和使用中杂质的影响。针对以上问题，本发明提出了一种基于磁流变液的自抑振智能镗杆结构及系统。
磁流变现象由Jacob Rabinow于1948年发现，其简要机理是磁流变材料(Magnetorheological Fluids，简称MRF)在磁场作用下其粘度会随着磁场变化而变化。磁流变材料是一种可控流体，在磁场作用下能产生明显的磁流变效应，可在液态和固态之间进行快速、连续、可逆的转化，实现刚度和阻尼特性参数的无级变化，其力学性能随磁场强度变化的响应时间仅为毫秒量级，远小于一般控制要求的时间。磁流变液材料与文献[6]中使用的电流变材料相比具有以下优点：①工作电压低，一般为2V～15V；②能耗低、成本低；③高出一个数量级的屈服应力；④适应温度范围更宽，一般情况为-40℃～150℃；⑤稳定性好，流变特性受杂志的影响不敏感。磁流变液材料的优良特性引起了减振技术专家的极大兴趣，国内外学者已进行了许多研究，并已将其应用于汽车悬架系统、转子系统等领域的振动控制。但据大量已检索文献，目前国内外还未见有采用磁流变液材料进行镗杆抑振的研究报道。
发明内容
为了克服镗削颤振抑制装置的不足，本发明的目的在于提供一种基于磁流变液的自抑振智能镗杆构件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括镗杆构件装夹部分(4)和镗杆悬伸部分(5)；其中：
1)镗杆构件装夹部分：包括镗杆，线圈壳体，励磁线圈，磁流变液，密封圈，支撑套和端盖；在镗杆上装有绕制励磁线圈的线圈壳体，在线圈壳体内圆柱孔与镗杆之间形成贯通的容腔内装有磁流变液，容腔两端分别用密封圈密封，在线圈壳体外部装有支撑套，并在支撑套的前端装上端盖，该镗杆构件装夹部分的结构构成磁流变抑振执行器；
2)镗杆悬伸部分，在镗杆悬伸部分的前端面上装有加速度传感器，加速度传感器接控制系统的电荷放大器，镗杆构件装夹部分中的励磁线圈接控制系统的功率放大器。
所述的控制系统：包括通用工业控制计算机，A/D模数转换卡，D/A数模转换卡，电荷放大器和功率放大器；其中：
1)通用工业控制计算机与A/D模数转换卡的输出端通过PCI插槽连接，A/D模数转换卡的输入端与电荷放大器的输出端连接，电荷放大器的输入端与固定在镗杆悬伸部分前端面上的加速度传感器的输出端连接；
2)通用工业控制计算机与D/A数模转换卡的输入端通过PCI插槽连接，功率放大器的输入端与D/A数模转换卡的输出端连接，功率放大器的输出端与磁流变抑振执行器的励磁线圈输入端连接。
本发明具有的有益效果是：
该发明提出了一种集信号传感、调理、分析处理及反馈控制于一体的自抑振智能镗杆构件的镗削颤振抑制方法。根据磁流变液材料可在液、固态之间进行快速、连续、可逆转化的特性，将其应用于镗杆动态特性的调节过程，通过调节作用在磁流变液材料上的磁场强度，实时地改变镗杆的动态特性，使镗杆固有频率能及时避开颤振频率区，从而有效地抑制镗削过程颤振发生。该发明促进了在镗削过程中颤振的抑制技术的进步，保证精密孔镗削加工质量、提高生产效率、延长刀具系统的寿命、降低加工过程的噪声等方面均具有重要的应用价值。
附图说明
图1基于磁流变液的自抑振智能镗杆构件结构示意图；
图2磁流变抑振执行器局部放大图；
图3基于磁流变液的自抑振智能镗杆系统示意图。
图中：1.磁流变抑振执行器，2.镗杆，3.加速度传感器(感知器)，4.镗杆装夹部分，5.镗杆悬伸部分，6.密封圈，7.线圈壳体，8.励磁线圈，9.磁流变液，10.支撑套，11.端盖，12.电荷放大器，13.A/D模数转换卡，14.通用工业控制计算机，15.D/A数模转换卡，16.功率放大器，17.控制系统。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示，本发明它包括镗杆2，加速度传感器3，镗杆构件装夹部分4，镗杆悬伸部分5，密封圈6，线圈壳体7，励磁线圈8，磁流变液9，支撑套10，端盖11。镗杆构件装夹部分4的镗杆上装有绕制励磁线圈8的线圈壳体7；在线圈壳体7内圆柱孔与镗杆2之间形成贯通的容腔内装有磁流变液9，容腔两端分别用密封圈6密封；在线圈壳体7外部装有支撑套10，并在支撑套10的前端装上端盖11；以上结构构成磁流变抑振执行器1；镗杆悬伸部分5的前端面上装有加速度传感器3，加速度传感器3接控制系统17的电荷放大器，励磁线圈8接控制系统17的功率放大器16。
如图3所示，所述的控制系统17：包括电荷放大器12，A/D模数转换卡13，D/A数模转换卡15和功率放大器16；固定在镗杆悬伸部分5前端面上的加速度传感器3的电荷信号输出端与电荷放大器12的电荷信号输入端连接，A/D模数转换卡13的电压信号输入端与电荷放大器12的电压信号输出端连接，通用工业控制计算机14与A/D模数转换卡13的数字信号输出端通过PCI插槽连接，D/A数模转换卡15的数字信号输入端与通用工业控制计算机14的PCI插槽连接，功率放大器16的电流信号输入端与D/A数模转换卡15的电流信号输出端连接，磁流变抑振执行器1的励磁线圈8输入端与功率放大器16的电流信号输出端连接。
如图1、图2、图3所示，在镗杆构件装夹部分4装入内径比镗杆2直径大4mm的线圈壳体7，使线圈壳体7与镗杆2之间形成一个厚度为2mm的贯穿空腔环，在该空腔环内注入磁流变液9。在磁流变液9外围的线圈壳体7上布置若干组励磁线圈8，这样使由励磁线圈8产生的磁场沿径向分布并穿过内部的磁流变液9，这样就相当于在镗杆2末端增加了一个弹性和阻尼系数可由磁场强度调控的粘弹性弹簧，并通过它来达到改变镗杆动态特性的目的，该结构总成就形成了磁流变抑振执行器1。在镗杆悬伸部分5的前端面上配置一加速度传感器3，即系统的感知器，其可以在线检测镗杆加工端的振动情况，并将动态特性信息经电荷放大器12后及时反馈给控制系统17，然后由控制系统17迅速作出控制决策，同时发送控制信号至磁流变抑振执行器1，达到颤振抑制的目的。
如图3所示，控制系统17具体的组成及相互连接关系可描述如下：通用工业控制计算机14的配置为CPU型号为PIII667，内存512M，硬盘30G，自带3个PCI插槽，可以作为数据采集与反馈控制软件的载体；模数转换卡(A/D)13与数模转换卡(D/A)15采用集成卡，型号为APC～1612，其兼有A/D和D/A的功能，12位变换精度，最高采样频率为33KHz，将其插入通用工业控制计算机14的PCI插槽中，其模拟输入端与电荷放大器12的电压输出端连接，模拟输出端与功率放大器12的电流信号输入端相连接；电荷放大器12，选用型号为YE5857，加速度传感器3(感知器)的电荷信号输出端与电荷放大器12的电荷信号输入端连接，这样电荷放大器12的电压输出端将会输出代表加速度信号的电压信号，将该信号接入模数转换卡(A/D)13的模拟输入端；加速度传感器3(感知器)，选用型号为CA-YD-106，通过双头螺钉固定在镗杆悬伸部分4的前端面上，其输出端与电荷放大器12的电荷信号输入端连接；功率放大器12，选用型号为TS5870，其输出功率可达75瓦，响应频率范围为10～10KHz，其电流信号输入端与数模转换卡15的模拟输出端相连，同时其电流信号输出端与磁流变抑振执行器1的励磁线圈8连接。
如图3所示，控制系统工作原理可表述如下：首先由镗杆悬伸部分5的前端面上配置的加速度传感器3(感知器)收集镗削加工的即时动态特性信号，然后经过电荷放大器12进行信号放大，接着由模数转换卡13对放大的信号进行A/D转换后输入通用工业控制计算机14；其次由装有数字信号处理软件的通用工业控制计算机14对所采集的信号进行处理并判断此时镗杆2是否有颤振产生或是否即将产生颤振，判断结束后决定解决方案，同时输出控制信号至数模转换卡15进行D/A变换成电流信号，然后通过功率放大器16对电流信号进行功率放大，最后输入至智能镗杆的磁流变抑振执行器1。磁流变抑振执行器1在得到电流信号后，其线圈壳体7上的励磁线圈8就产生相应强度的磁场，当磁场沿径向穿过磁流变液9时，磁流变液9就会发生磁流变效应使其本身特性如表观粘度、杨氏模量等发生改变，最终达到改变镗杆2动态特性的目的，使镗杆2的固有频率能及时避开颤振频率区，从而有效的抑制镗孔过程中镗杆2的颤振发生。
Claims (2)
1、一种基于磁流变液的自抑振智能镗杆构件，其特征在于：包括镗杆构件装夹部分(4)和镗杆悬伸部分(5)；其中：
1)镗杆构件装夹部分(4)：包括镗杆(2)，线圈壳体(7)，励磁线圈(8)，磁流变液(9)，密封圈(6)，支撑套(10)和端盖(11)；在镗杆(2)上装有绕制励磁线圈(8)的线圈壳体(7)，在线圈壳体(7)内圆柱孔与镗杆(2)之间形成贯通的容腔内装有磁流变液(9)，容腔两端分别用密封圈(6)密封，在线圈壳体(7)外部装有支撑套(10)，并在支撑套(10)的前端装上端盖(11)，该镗杆构件装夹部分(4)的结构构成磁流变抑振执行器(1)；
2)镗杆悬伸部分(5)，在镗杆悬伸部分(5)的前端面上装有加速度传感器(3)，加速度传感器(3)接控制系统(17)的电荷放大器(12)，镗杆构件装夹部分(4)中的励磁线圈(8)接控制系统(17)的功率放大器(16)。
2、根据权利要求1所述的一种基于磁流变液的自抑振智能镗杆构件，其特征在于：所述的控制系统(17)包括通用工业控制计算机(14)，A/D模数转换卡(13)，D/A数模转换卡(15)，电荷放大器(12)和功率放大器(16)；其中：
1)通用工业控制计算机(14)与A/D模数转换卡(13)的输出端通过PCI插槽连接，A/D模数转换卡(13)的输入端与电荷放大器(12)的输出端连接，电荷放大器(12)的输入端与固定在镗杆悬伸部分(5)前端面上的加速度传感器(3)的输出端连接；
2)通用工业控制计算机(14)与D/A数模转换卡(15)的输入端通过PCI插槽连接，功率放大器(16)的输入端与D/A数模转换卡(15)的输出端连接，功率放大器(16)的输出端与磁流变抑振执行器(1)的励磁线圈(8)输入端连接。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4063050A1 (en) * | 2021-03-23 | 2022-09-28 | Korea Institute of Machinery & Materials | Deep hole drilling system with three-dimensional vibration damping function using tool stiffness control |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1788895A (zh) | 2006-06-21 |
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