CN102179534B - 基于剪切工作模式的外圆车削颤振磁流变减振系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于剪切工作模式的外圆车削颤振磁流变减振系统，滑动磁极组件中的连接板下面可调连接上限位槽，上限位槽下面通过上隔板固定连接两块上磁极；固定磁极组件中的下限位槽与下箱体定位固定连接，下限位槽内过盈配合连接中间下磁极，箱体的内侧面上固定连接两个侧面下磁极；在侧面下磁极和中间下磁极外表面上的方形凹槽内横向缠绕有励磁线圈，在上、下磁极之间注入磁流变液；加速度传感器安装在车床横拖板的前端，并通过电缆线依次与电荷放大器、计算机及程控直流电源连接，直流电源与励磁线圈相连。该减振系统对于有效提高外圆车削，尤其是细长轴类零件的外圆车削加工质量及生产效率、延长刀具寿命、降低车削噪声均具有重要的应用价值。

Description

基于剪切工作模式的外圆车削颤振磁流变减振系统

技术领域

本发明涉及一种车削加工减振系统，尤其是一种外圆车削颤振磁流变减振系统。

背景技术

切削颤振是机床闭环切削系统的动态不稳定现象，它发生在切削刀具与工件之间，是制约现代制造业加工水平提高的重要因素。在车削加工中，对长径比较大的轴类零件，如发动机内的曲轴、凸轮轴等进行外圆车削时很容易发生颤振，如何提高该类零件的加工质量和生产效率、降低加工过程中出现的颤振已成为机械制造业亟待解决的重要课题之一。

根据颤振防治理论，在机械加工系统中附加减振装置是有效控制切削颤振的主要途径之一。为此，国内外学者进行了大量的研究工作，采用的控制方式可以归纳为三类，即被动控制、主动控制和半主动控制。其中，被动控制结构简单、可靠性好，但由于其结构确定后系统参数就不能在线调整而难以适应切削状态的变化；而主动控制则可以根据不同的工况对控制系统参数进行在线调整，但其具有成本高、稳定性差及控制算法复杂等问题；半主动控制介于主动控制和被动控制之间，它可以通过在线实时调整减振装置的阻尼和刚度等动态参数来抑制振动，既具有主动控制适应性强的特点，又具有被动控制能耗低、可靠性高的优势。近年来发展起来的智能材料，由于其优良的机电耦合特性，已被越来越多地作为减振装置的调节执行介质应用于半主动控制系统中。

智能材料是指一类能够对外界环境变化进行瞬时主动响应的材料。它们一般可通过外加的某一刺激信号（例如电场、温度等），改变材料的一些固有特性（例如刚度、阻尼），且具有可控性、可逆性、快速响应特性及能耗低等特点。1999年《International Journal of Machines Tools and Manufacture》杂志报道王民等人在镗刀杆里填充电流变液研制了智能型镗削刀杆，通过调节施加在电流变液上的电场强度来改变整个镗杆的动态特性，从而实现了镗削颤振的在线抑制；2000年《机械工程学报》刊登了王茂华等人研制的铣刀心轴电流变液减振装置，该装置安装在卧式铣床心轴上，当发生铣削颤振时，在线调整作用在电流变减振装置上的电场强度来改善铣刀系统的动态特性，以达到抑制铣削颤振的目的。利用上述电流变减振装置虽可对切削颤振进行有效控制，但目前研制出的大多数电流变液的剪切屈服强度均较低，2003年香港科技大学和中科院物理所联合研制的巨电流变液是已有报道中电致屈服强度最高的，但该材料仍处于实验室阶段，离成批量的商业生产尚有一段距离。而与电流变材料工作原理类似的磁流变材料由于具有屈服应力较高（50～100kPa）、控制电压较低等优点，目前被认为是该类减振装置中较为理想的调节介质。2006年浙江大学的梅德庆等人申请的发明专利将磁流变效应引入镗削加工中，研制了基于磁流变液的自抑振智能镗杆系统；针对车削加工，2007年徐平等人在常规的磁流变液中添加泡沫金属，研制了可用于抑制切断车削颤振的磁流变——泡沫金属阻尼器，然而对于车削过程中加工量较大且容易发生颤振的细长轴类零件的外圆车削颤振，该减振器则无能为力。

发明内容

本发明是要提供一种基于剪切工作模式的外圆车削颤振磁流变减振系统，该系统根据磁流变液在外加磁场下可在液、固态之间连续、快速、可逆转化的特性，将其应用于车床横拖板上，通过改变施加在磁流变液上的磁感应强度，对车床横拖板的动力学参数（如阻尼、刚度等）进行在线实时调节，从而有效地抑制外圆车削颤振的发生。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于剪切工作模式的外圆车削颤振磁流变减振系统，由固定在车床横拖板上的滑动磁极组件，固定在床鞍侧平面上的固定磁极组件，加速度传感器，电荷放大器和程控直流电源和计算机组成，其特点是：滑动磁极组件包括上限位槽、连接板、上隔板、上磁极，连接板下面可调连接上限位槽，上限位槽下面通过上隔板固定连接两块上磁极；固定磁极组件包括下限位槽、两个侧面下磁极、中间下磁极、下底板和下箱体，下限位槽与下箱体定位固定连接，下限位槽内过盈配合连接中间下磁极，箱体的内侧面上分别固定连接两个侧面下磁极；在侧面下磁极和中间下磁极外表面上的方形凹槽内横向缠绕有励磁线圈，在上磁极、侧面下磁极和中间下磁极之间注入磁流变液；加速度传感器安装在车床横拖板的前端，并通过电缆线依次与电荷放大器、计算机及程控直流电源连接，直流电源与励磁线圈相连。

上磁极、侧面下磁极和中间下磁极均为长方体。上磁极、侧面下磁极和中间下磁极为软铁磁性材料，上限位槽、上隔板、连接板、下箱体、下底板均为非导磁材料。

折叠式防尘罩用螺钉分别固定在上限位槽与下箱体上。

固定在车床刀架前端的加速度传感器的信号输出端与电荷放大器的信号输入端连接，电荷放大器的信号输出端与通过PCI插槽内置在计算机中的数据采集控制卡的A/D端口连接，而数据采集控制卡的D/A端口则与程控直流电源的信号输入端连接，程控直流电源的信号输出端与磁流变减振装置中的励磁线圈连接。

本发明具有的有益之处在于：

1. 本发明的上限位槽、上隔板、连接板、下箱体、下底板均采用非导磁材料，使磁力线在减振装置内形成闭环回路，减少了漏磁现象的发生，提高了磁流变液的工作效率。

2. 本发明提供了一种针对外圆车削颤振的半主动控制系统。该系统采用了磁流变液作为减振系统的调节执行介质，通过调整作用在磁流变液上的磁感应强度，即可实时在线地改变车床刀架系统的动态特性，从而有效地抑制外圆车削颤振的发生。该减振系统对于有效提高外圆车削，尤其是细长轴类零件的外圆车削加工质量及生产效率、延长刀具寿命、降低车削噪声均具有重要的应用价值。

附图说明

图1 是本发明的主剖视图； 

图2是图1中沿A-A的阶梯剖视图；

图3是图2的K向视图； 

图4是图3中沿B-B的剖视图；

图5是本发明的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图１至图4所示，本发明由滑动磁极组件及固定磁极组件两大部分组成，其中滑动磁极组件主要包括上限位槽15、连接板16、上隔板17、上磁极19等零件，并且整个滑动磁极组件通过连接板16用螺钉固定在车床横拖板上；而固定磁极组件主要包括下限位槽7、两个侧面下磁极13、中间下磁极22、下底板11和下箱体14等零件，并且它通过下箱体14用螺钉固定在床鞍侧平面上。在外圆车削振动过程中，车刀的振动会通过横拖板传递给滑动磁极组件，而固定磁极组件由于安装在机床床鞍上则被看做是固定不振动的，由此，滑动磁极组件和固定磁极组件之间就形成了相对运动。当对外圆车削背吃刀量进行调整时，滑动磁极组件将随横拖板同步移动，为保证上磁极与下磁极之间间隙固定不变，故本发明基于磁流变液的剪切工作模式进行设计。

为保证减振装置30中上、下磁极的间隙均匀，本发明首先通过工艺处理使固定磁极组件和滑动磁极组件的安装基面——床鞍和横拖板的侧面在一个铅垂平面上。基于此，对固定磁极组件采用的措施是：由于其安装在机床上之后不便于配钻，中间下磁极22在下箱体14中的位置由下限位槽7来确定，而下限位槽7在下箱体14中的位置则依据尺寸链计算结果由两个定位销6来保证，并由螺钉8将下限位槽7和下箱体14固定，而中间下磁极22则利用过盈配合与下限位槽7装配，这样就确定了中间下磁极22在x方向上的位置。两个侧面下磁极13在x方向上的定位则采用下箱体14的内侧面来实现，并通过螺钉20将侧面下磁极13固定在下箱体14的内侧面。下底板11和密封垫片12通过螺钉10连接在下箱体14的底面上。上述零件的装配形成固定磁极组件，整个固定磁极组件通过下箱体14的左侧安装定位面E用螺钉固定在床鞍侧平面上；对滑动磁极组件采用的措施是：以连接板16的左侧面F做为滑动磁极组件的安装基面，在连接板16上开有长圆形通孔5，通过该孔可调节上磁极19在x方向的相对位置。装配时，先将上磁极19和上隔板17通过螺钉18与上限位槽15固定连接，再将它们形成的部件插入下箱体14内，当连接板16以左侧安装面F与横拖板定位连接后，在长圆形通孔5的长度范围内调整好上磁极19与各下磁极之间的间隙，然后用螺钉1将上限位槽15与连接板16通过长圆形通孔5连接，由此就确定了上磁极19在x方向上的位置。为节省重新装配的调整时间，最后再在连接板16与上限位槽15之间进行配钻，安装定位销2对两者进行定位，至此完成了滑动磁极组件的装配。上述措施相结合，可保证上下磁极之间的间隙公差在±0.1mm的范围内。

车削加工之前，往下箱体14中注入磁流变液21直至液面超过各下磁极的上表面为止，然后将折叠式防尘罩3用螺钉分别固定安装在上限位槽15和下箱体14上，既可防止铁屑及灰尘落入减振装置中影响其性能，又可保证调整背吃刀量时车刀的运动不受阻碍。

根据车床横拖板的结构及工作特点，本发明中的上、下磁极均为长方体。励磁线圈9横向缠绕在各长方形下磁极外表面上的方形凹槽内，且分别缠绕至与下磁极的外表面等高，每个下磁极上分别缠绕上、下两组励磁线圈9，整个装置中共六组线圈，其导线由下箱体14上的通孔4引到外部与直流程控电源接线柱相连。

本发明中的加速度传感器32、电荷放大器、计算机、程控直流稳压电源和励磁线圈顺次连接，组成半主动闭环控制系统。计算机中的数据处理模块通过数据采集控制卡接收经加速度传感器采集的车削信号后，根据信号特征及减振要求对其进行分析计算，经数据采集控制卡及程控直流稳压电源对励磁线圈中的电流进行调节，控制减振装置30中上、下磁极之间的磁感应强度，进而改变磁流变液的剪切屈服强度及阻尼等力学特性。

如图5所示，固定在车床刀架31前端的加速度传感器32的信号输出端与电荷放大器的信号输入端连接，电荷放大器的信号输出端与通过PCI插槽内置在计算机中的数据采集控制卡的A/D端口连接，而数据采集控制卡的D/A端口则与程控直流电源的信号输入端连接，程控直流电源的信号输出端与磁流变减振装置30中的励磁线圈连接。

该磁流变减振系统的工作原理为：在进行外圆车削加工时，一旦刀具发生振动，将带动车床的横拖板及固定在其上的滑动磁极组件随之同步振动，从而使得上磁极19，侧面下磁级13和中间下磁级22之间产生往复的相对运动，并对其间的磁流变液21施加剪应力的作用；与此同时，该动态切削信号将被安装在横拖板前端的加速度传感器32感知，并经电荷放大器放大、数据采集卡采集后传入计算机，计算机中的数据处理模块将根据振动信号的特征及减振要求进行分析计算，再经数据采集卡控制端口输出电流至程控直流稳压电源，对侧面下磁极13和中间下磁极22上励磁线圈9中的电流进行调节，控制减振装置30中上磁极19和侧面下磁级13、中间下磁级22间隙中的磁感应强度以产生磁流变效应，进而使得磁流变液呈现类似固体的性质，导致减振装置30的结构刚度及阻尼发生改变。随着线圈电流的增加，磁流变液体的剪切屈服强度将增大，其对上、下磁极间的相对运动的阻碍作用也将增大，从而抑制了随上磁极一起运动的车刀的振动，达到了削减及抑制车削振动的目的。

Claims (5)

1.一种基于剪切工作模式的外圆车削颤振磁流变减振系统，由固定在车床横拖板上的滑动磁极组件，固定在床鞍侧平面上的固定磁极组件，加速度传感器（32），电荷放大器和程控直流电源和计算机组成，其特征在于：所述滑动磁极组件包括上限位槽（15）、连接板（16）、上隔板（17）、上磁极（19），连接板（16）下面可调连接上限位槽（15），上限位槽（15）下面通过上隔板（17）固定连接两块上磁极（19）；固定磁极组件包括下限位槽（7）、两个侧面下磁极（13）、中间下磁极（22）、下底板（11）和下箱体（14），下限位槽（7）与下箱体（14）定位固定连接，下限位槽（7）内过盈配合连接中间下磁极（22），下箱体（14）的内侧面上固定连接两个侧面下磁极（13）；在侧面下磁极（13）和中间下磁极（22）外表面上的方形凹槽内横向缠绕有励磁线圈（9），在上磁极（19）、侧面下磁极（13）和中间下磁极（22）之间注入磁流变液（21）；加速度传感器（32）安装在车床横拖板的前端，并通过电缆线依次与电荷放大器、计算机及程控直流电源连接，直流电源与励磁线圈（9）相连。

2.根据权利要求1所述的基于剪切工作模式的外圆车削颤振磁流变减振系统，其特征在于：所述上磁极（19）、侧面下磁极（13）、中间下磁极（22）均为长方体。

3.根据权利要求1所述的基于剪切工作模式的外圆车削颤振磁流变减振系统，其特征在于：所述上磁极（19）、侧面下磁极（13）、中间下磁极（22）为软铁磁性材料，所述上限位槽（15）、上隔板（17）、连接板（16）、下箱体（14）、下底板（11）均为非导磁材料。

4.根据权利要求1所述的基于剪切工作模式的外圆车削颤振磁流变减振系统，其特征在于：所述上限位槽（15）与下箱体（14）上用螺钉分别固定折叠式防尘罩（3）。

5.根据权利要求1所述的基于剪切工作模式的外圆车削颤振磁流变减振系统，其特征是，固定在车床刀架（31）前端的加速度传感器（32）的信号输出端与电荷放大器的信号输入端连接，电荷放大器的信号输出端与通过PCI插槽内置在计算机中的数据采集控制卡的A/D端口连接，而数据采集控制卡的D/A端口则与程控直流电源的信号输入端连接，程控直流电源的信号输出端与磁流变减振装置（30）中的励磁线圈连接。

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