CN105114523B - 主动涡流阻尼装置及包含该主动涡流阻尼装置的进给系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种主动涡流阻尼装置，包括线圈，线圈骨架，支撑体，以及自下而上依次排列的第一导体、第二导体、第三导体、第四导体；第二、三导体分别位于支撑体的下、上表面，第一、二导体在第一支撑架支撑下形成第一空间；第三、四导体在第二支撑架支撑下形成第二空间；支撑体侧面设置导轨，线圈骨架套接在支撑体上并且连接滑块；工作状态时，线圈中通入交变电流产生磁场，在外力驱动下滑块沿导轨运动，带动线圈在第一、二空间无摩擦运动，产生涡流效应，实现阻尼输出。该主动涡流阻尼装置可以用于进给系统，实现进给系统运动过程中振动的抑制，提高运动精度和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及进给系统振动控制领域，特别是涉及一种主动涡流阻尼装置及包含该主动涡流阻尼装置的进给系统。
背景技术
振动是影响进给系统高速运动过程平稳性和精度的重要因素之一。阻尼器是消除振动的有效手段。目前，阻尼器在建筑结构、设备床身等静态结构方面应用较多，如弹簧-质量阻尼器、压电晶体阻尼器、磁流变阻尼器等。但是，由于结构性能等的限制，上述阻尼器较难运用在运动部件上。
电涡流效应是指导体或半导体(以下简称导体)材料处于变化的磁场中或者与非均匀磁场进行相对运动时,导体内就会产生涡旋状的感应电流,此感应电流所产生的磁场将会对导体和磁场的相对运动产生阻碍作用。电涡流阻尼器是一种基于电涡流效应的阻尼装置，具有非接触、造价低、无需润滑、可靠性和安全性高等特点。目前，电涡流阻尼器一般用于静态结构的振动抑制、旋转转子的振动抑制，以及运动部件的制动等。例如，张赫提出一种平面电磁涡流阻尼器，基于磁荷模型及镜像法，推导出平面电磁阻尼器空间气隙磁场和阻尼力的解析表达式，为电磁涡流阻尼器的工程设计和分析建立了一定理论基础。祝长生设计了一种径向电涡流阻尼器，利用电涡流阻尼器抑制转子振动。杨俊研究了电磁阻尼器作为直线电机负载的控制技术。刘丹建立了自感知电涡流阻尼器试验装置，用于抑制圆盘转子系统的振动，有效减小了旋转圆盘的横向振幅。
进给系统中的运动部件在运动过程中由于受外部干扰以及固有特性的影响，极易出现振动而影响进给系统的运动精度和稳定性，因此，需要对进给系统运动过程中的振动进行控制。
但是，目前进给系统的振动抑制一般基于机械摩擦原理，使用寿命、稳定性、可靠性和速度适用范围均比较有限。而涡流阻尼器由于其结构中存在运动部件和静态部件的无接触、无磨损相对运动，结构简单，寿命长、可靠性高、稳定性好、速度适用范围广，因此在进给系统振动抑制方面存在较大的可能性。
发明内容
本发明提供了一种新型结构的涡流阻尼装置，能够产生涡流效应，实现阻尼输出。
本发明的技术方案为：一种主动涡流阻尼装置，包括中空的线圈骨架，围绕在线圈骨架上的线圈，支撑体，以及自下而上依次排列的第一导体、第二导体、第三导体、第四导体；
第二导体与第三导体分别位于支撑体的下表面与上表面，第一导体与第二导体在第一支撑架支撑下形成第一空间；第三导体与第四导体间在第二支撑架支撑下形成第二空间；
支撑体侧面设置导轨，线圈骨架存间隙套接在支撑体上，即，线圈骨架套接在支撑体上，并且线圈骨架与支撑体间存在间隙；线圈骨架连接滑块，滑块沿导轨运动，带动线圈在第一空间、第二空间运动。
工作状态时，线圈中通入交变电流产生磁场，在外力驱动下线圈骨架沿导轨运动，带动线圈在第一空间、第二空间内无摩擦运动，线圈内产生电涡流效应，使线圈的运动受到阻碍，从而实现阻尼输出。
作为优选，所述的涡流阻尼装置还包括盖板，第四导体位于盖板下表面。
作为优选，所述的第一导体位于基座上。
作为优选，所述的第一支撑架与支撑体和/或第二导体通过紧固件连接；所述的紧固件不限，包括螺栓等。
作为优选，所述的第一支撑架与基座和/或第一导体通过紧固件连接；所述的紧固件不限，包括螺栓等。
作为优选，所述的第二支撑架与盖板和/或第四导体通过紧固件连接；所述的紧固件不限，包括螺栓等。
作为优选，所述的第二支撑架与支撑体和/或第三导体通过紧固件连接；所述的紧固件不限，包括螺栓等。
本发明的主动涡流阻尼装置可以用于进给系统，实现进给系统运动过程中振动的抑制，提高运动精度和稳定性。
所述的进给系统包括基座、安装在基座上的轨道、滑台与电机，在电机驱动下滑台沿着轨道进行进给运动。所述的主动涡流阻尼装置通过连接体连接在进给系统中，连接体一端与所述的主动涡流阻尼装置的线圈骨架连接，另一端与进给系统的滑台相连。工作状态时，滑台沿着轨道作进给运动，通过连接体带动主动涡流阻尼装置中的线圈在第一空间、第二空间内运动，产生涡流效应，输出阻尼，实现对进给系统振动的抑制。
作为一种安装方式，所述的主动涡流阻尼装置安装在进给系统的基座上。
作为另一种安装方式，所述的主动涡流阻尼装置安装在进给系统的滑台与基座之间。所述主动涡流阻尼装置中的导轨，根据使用情况可以安装或不安装。
作为优选，所述的进给系统还设置控制单元，该控制单元能够根据进给系统当前的速度与振动频率调节通入主动涡流阻尼装置中线圈的电流信号，从而能够得到进给系统当前所需的阻尼参数。该控制单元包括低通滤波器、阻尼估计器、振动观测器、阻尼计算器、阻尼控制器以及功率放大器。控制方法如下：
该控制单元接收进给系统反馈的当前速度Vr信号与滑台的加速度ar；
低通滤波器对系统反馈的速度Vr信号进行滤波，提高信号的信噪比。阻尼估计器根据当前速度Vr信号估计当前进给系统的实际阻尼参数，根据设定的目标阻尼参数，计算出所需的阻尼输出dfri；
振动观测器根据工作台加速度ar信号辨识当前进给系统的振动频率，阻尼计算器根据振动频率计算当前所需的阻尼参数dstr；
dfri和dstr作为阻尼控制器的输入，经过计算和功率放大器的调制，输出主动涡流阻尼装置的指令电流信号i，该电流信号i通入线圈，主动涡流阻尼装置输出阻尼F作用于进给系统,实现进给系统振动的抑制。
上述控制方法简单易操作，能够实时响应进给系统的振动，实时产生所需的阻尼输出，且无反电动势效应，有效提高了振动抑制效果。
附图说明
图1是本发明实施例1中主动涡流阻尼装置的正面立体结构示意图；
图2是图1的背面立体结构示意图；
图3是图1的纵向剖面图；
图4是图1的俯视图；
图5是本发明实施例1中主动涡流阻尼装置用于进给系统中的一种连接方式；
图6是本发明实施例1中主动涡流阻尼装置用于进给系统中的另一种连接方式；
图7是本发明控制器结构原理图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例对本发明做进一步说明，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
图1-7中的附图标记为：线圈1、线圈骨架2、基座3、支撑体4、盖板5、支撑体右支架6、盖板右支架7、螺栓8、第一导体9、第二导体10、第三导体11、第四导体12、支撑体左支架13、盖板左支架14、滑块15、导轨16、连接板17、基座18、轨道19、滑台20、电机21、主动涡流阻尼装置22、低通滤波器23、阻尼估计器24、振动观测器25、阻尼计算器26、阻尼控制器27以及功率放大器28。
实施例1：
如图1、2所示，本实施例的主动涡流阻尼装置由线圈1，线圈骨架2，基座3，支撑体4，盖板5，第一导体9，第二导体10，第三导体11，第四导体12，滑块15，导轨16，连接板17以及支架组成。支架包括支撑体右支架6，盖板右支架7，支撑体左支架13，盖板左支架14。
线圈1安装于线圈骨架2上。线圈骨架2为中空结构。
如图1、2、3、4所示，基座3、支撑体4、盖板5自下而上依次排列。第一导体9安装于基座3上，第二导体10安装于支撑体4下表面，第三导体11安装于支撑体4上表面，第四导体12安装于盖板5下表面。支撑体4与基座3之间由支撑体左支架13和支撑体右支架6支撑，使第一导体9与第二导体10之间存在间隙，形成第一空间。盖板5与支撑体4之间由盖板左支架14和盖板右支架7支撑，使第三导体11与第四导体12之间存在间隙，形成第二空间。支撑体左支架13、支撑体右支架6、盖板左支架14、盖板右支架7均通过螺栓8与基座3、支撑体4以及盖板5固定连接。
导轨16设置在支撑体4侧面，线圈骨架2存间隙套接在支撑体4上，线圈骨架2固定连接滑块15，滑块15沿导轨16运动，带动线圈1在第一空间、第二空间无摩擦运动。
工作状态时，线圈1中通入交变电流产生磁场，在外力驱动下线圈骨架2沿导轨16运动，带动线圈1在第一空间、第二空间内无摩擦运动，产生涡流效应，从而产生非接触阻尼力输出，实现主动阻尼功能。
本实施例中的主动涡流阻尼装置可以用于进给系统，实现进给系统运动过程中振动的抑制，提高运动精度和稳定性。
本实施例中，如图5所示，进给系统包括基座18、安装在基座上的轨道19、滑台20与电机21，在电机21驱动下滑台20沿着轨道19进行进给运动。如图5所示，主动涡流阻尼装置用标号22表示，主动涡流阻尼装置22安装在进给系统的基座18上，通过连接体17连接在该进给系统中。如图1、3、4、5所示，连接体17一端与该主动涡流阻尼装置22的线圈骨架2连接，另一端与进给系统的滑台20相连。工作状态时，滑台20沿着轨道19作进给运动，通过连接体17带动主动涡流阻尼装置22中的线圈1在第一空间、第二空间内运动，产生涡流效应，输出阻尼，实现对该进给系统振动的抑制。
作为优选，该进给系统还设置控制单元，该控制单元能够根据进给系统当前的进给速度与振动频率实时调节通入该主动涡流阻尼装置线圈1中的电流信号，从而能够实时得到进给系统当前所需的阻尼参数，有效提高了振动抑制效果。
如图7所示，该控制单元包括低通滤波器23、阻尼估计器24、振动观测器25、阻尼计算器26、阻尼控制器27以及功率放大器28。其控制方法如下：
(1)该控制单元接收进给系统反馈的当前进给速度Vr信号与滑台的加速度ar；其中，当前进给速度Vr信号由安装在该进给系统中的光栅传感器测量得出，加速度ar信号由安装在滑台的加速度信号测量器测量得出。
(2)低通滤波器23用于实现反馈信号中噪声的消除，提高反馈信号的信噪比，阻尼估计器24根据当前的进给速度Vr信号估计当前进给系统的实际阻尼参数，根据设定的目标阻尼参数，计算出所需的阻尼输出dfri；
振动观测器25根据滑台加速度ar信号辨识当前进给系统的振动频率，阻尼计算器26根据振动频率计算当前所需的阻尼参数dstr；
(3)dfri和dstr作为阻尼控制器27的输入，经过计算和功率放大器28的调制，输出主动涡流阻尼装置的指令电流信号i。该电流信号i通入主动涡流阻尼装置的线圈1，由涡流效应主动涡流阻尼装置输出阻尼F作用于该进给系统,实现进给系统振动的实时抑制。
本实施例中，功率放大器28采用线性功率MOSFET，电流指令通过DA转换电路变换为电压信号，作为MOSFET的驱动电压。MOSFET工作于非饱和区(线性区)，根据变换栅极驱动电压改变漏极电流，实现对主动涡流阻尼装置中线圈1电流的控制，从而实现阻尼器阻尼的改变。
实施例2：
本实施例中，主动涡流阻尼装置与实施例1中主动涡流阻尼装置的结构完全相同。
本实施例中，主动涡流阻尼装置可以用于进给系统，实现进给系统运动过程中振动的抑制，提高运动精度和稳定性。该进给系统与实施例1中的进给系统完全相同。
如图6所示，主动涡流阻尼装置用标号22表示，该主动涡流阻尼装置安装在该进给系统的滑台20与基座18之间，如图6所示，主动涡流阻尼装置中的导轨16可以不安装。工作状态时，涡流阻尼装置的线圈骨架2固联在滑台20上，滑台20沿着轨道19作进给运动，带动主动涡流阻尼装置中的线圈1沿着导轨19方向在第一空间、第二空间内运动，产生涡流效应，输出阻尼，实现对该进给系统振动的抑制。
作为优选，该进给系统还设置控制单元，该控制单元与实施例1中的控制单元相同，控制方法也相同，从而能够根据进给系统当前的进给速度与振动频率实时调节通入该主动涡流阻尼装置线圈1中的电流信号，实时得到进给系统当前所需的阻尼参数，有效提高了振动抑制效果。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种主动涡流阻尼装置，其特征是：包括中空的线圈骨架，围绕在线圈骨架上的线圈，支撑体，以及自下而上依次排列的第一导体、第二导体、第三导体、第四导体；
第二导体与第三导体分别位于支撑体的下表面与上表面，第一导体与第二导体在第一支撑架支撑下形成第一空间；第三导体与第四导体间在第二支撑架支撑下形成第二空间；
支撑体侧面设置导轨，线圈骨架套接在支撑体上，并且线圈骨架与支撑体间存在间隙；线圈骨架连接滑块，滑块沿导轨运动，带动线圈在第一空间、第二空间运动；
工作状态时，线圈中通入交变电流产生磁场，在外力驱动下线圈骨架沿导轨运动，带动线圈在第一空间、第二空间内无摩擦运动，线圈内产生电涡流效应，使线圈的运动受到阻碍，实现阻尼输出。
2.如权利要求1所述的主动涡流阻尼装置，其特征是：还包括盖板，第四导体位于盖板下表面。
3.如权利要求1所述的主动涡流阻尼装置，其特征是：所述的第一导体位于基座上。
4.如权利要求1所述的主动涡流阻尼装置，其特征是：所述的第一支撑架与支撑体和/或第二导体通过紧固件连接。
5.如权利要求1所述的主动涡流阻尼装置，其特征是：所述的第一支撑架与基座和/或第一导体通过紧固件连接。
6.如权利要求1所述的主动涡流阻尼装置，其特征是：所述的第二支撑架与盖板和/或第四导体通过紧固件连接。
7.如权利要求1所述的主动涡流阻尼装置，其特征是：所述的第二支撑架与支撑体和/或第三导体通过紧固件连接。
8.一种进给系统，包括基座、安装在基座上的轨道、滑台与电机，在电机驱动下滑台沿着轨道进行进给运动，其特征是：还包括如权利要求1至7中任一权利要求所述的主动涡流阻尼装置，所述的主动涡流阻尼装置通过连接体连接在进给系统中，连接体一端与所述的主动涡流阻尼装置的线圈骨架连接，另一端与进给系统的滑台相连。
9.如权利要求8所述的进给系统，其特征是：所述的主动涡流阻尼装置还包括控制单元，所述控制单元包括低通滤波器、阻尼估计器、振动观测器、阻尼计算器、阻尼控制器以及功率放大器，其控制所述主动涡流阻尼装置输出阻尼的方法如下：
所述控制单元接收进给系统反馈的当前速度Vr信号与滑台的加速度ar；
低通滤波器根据当前速度Vr信号实现系统振动状态的检测，阻尼估计器根据当前速度Vr信号估计当前进给系统的实际阻尼参数，根据设定的目标阻尼参数，计算出所需的阻尼输出dfri；
振动观测器根据工作台加速度ar信号辨识当前进给系统的振动频率，阻尼计算器根据振动频率计算当前所需的阻尼参数dstr；
dfri和dstr作为阻尼控制器的输入，经过计算和功率放大器的调制，输出主动涡流阻尼装置的指令电流信号i，该电流信号i通入线圈，主动涡流阻尼装置输出阻尼F作用于进给系统，实现进给系统振动的抑制。
10.如权利要求8所述的进给系统，其特征是：所述的主动涡流阻尼装置安装在进给系统的基座上。
11.如权利要求9所述的进给系统，其特征是：所述的功率放大器采用线性功率MOSFET，电流指令通过DA转换电路变换为电压信号，作为MOSFET的驱动电压，MOSFET工作于线性非饱和区，根据变换栅极驱动电压改变漏极电流，实现对主动涡流阻尼装置中线圈电流的控制，从而实现阻尼器阻尼的改变。
12.一种进给系统，包括基座、安装在基座上的轨道、滑台与电机，在电机驱动下滑台沿着轨道进行进给运动，其特征是：还包括如权利要求1至7中任一权利要求所述的主动涡流阻尼装置，所述的主动涡流阻尼装置中的导轨不安装，线圈骨架固定连接在滑台上，滑台沿着轨道作进给运动，带动主动涡流阻尼装置中的线圈沿着该轨道方向在第一空间、第二空间内运动。
13.如权利要求12所述的进给系统，其特征是：所述的主动涡流阻尼装置还包括控制单元，所述控制单元包括低通滤波器、阻尼估计器、振动观测器、阻尼计算器、阻尼控制器以及功率放大器，其控制所述主动涡流阻尼装置输出阻尼的方法如下：
所述控制单元接收进给系统反馈的当前速度Vr信号与滑台的加速度ar；
低通滤波器根据当前速度Vr信号实现系统振动状态的检测，阻尼估计器根据当前速度Vr信号估计当前进给系统的实际阻尼参数，根据设定的目标阻尼参数，计算出所需的阻尼输出dfri；
振动观测器根据工作台加速度ar信号辨识当前进给系统的振动频率，阻尼计算器根据振动频率计算当前所需的阻尼参数dstr；
dfri和dstr作为阻尼控制器的输入，经过计算和功率放大器的调制，输出主动涡流阻尼装置的指令电流信号i，该电流信号i通入线圈，主动涡流阻尼装置输出阻尼F作用于进给系统，实现进给系统振动的抑制。
14.如权利要求12所述的进给系统，其特征是：所述的主动涡流阻尼装置安装在进给系统的滑台与基座之间。
15.如权利要求13所述的进给系统，其特征是：所述的功率放大器采用线性功率MOSFET，电流指令通过DA转换电路变换为电压信号，作为MOSFET的驱动电压，MOSFET工作于线性非饱和区，根据变换栅极驱动电压改变漏极电流，实现对主动涡流阻尼装置中线圈电流的控制，从而实现阻尼器阻尼的改变。
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