CN105643355B - 具有集成的热变形和振动补偿驱动器的主动补偿模块 - Google Patents

Abstract

本申请涉及具有集成的热变形和振动补偿驱动器的主动补偿模块。本申请公开了一种主动补偿装置。根据本发明的示例性实施方案的主动补偿装置设置在加工产品安装部分和平台之间，并包括：主体，其中形成有容纳空间；设置在容纳空间的内侧的MR驱动器，并且所述MR驱动器的阻尼力根据MR流体的粘度的变化而变化；和磁致伸缩驱动器，其设置在容纳空间的外侧，并且包括磁致伸缩元件，该磁致伸缩元件由于磁力发生长度位移。

Description

具有集成的热变形和振动补偿驱动器的主动补偿模块

技术领域

本发明涉及一种主动补偿装置，其减少了在工业机械或结构中产生的振动并根据该结构的热变形补偿加工位置。

背景技术

工业结构或机械不可避免地经历由于设计误差或干扰导致的振动，并且这种振动不仅降低了机械和结构的耐用性，而且也降低了在制造加工领域中制成品和加工产品的精度，并且降低了大型设备领域中稳定性，从而引起严重的损失。

为了减少振动的发生，可以使用人工的振动减少方法、主动的振动减少方法和半主动(半人工)的振动减少方法。人工的减少振动方法是一种使用弹性材料如橡胶或流体例如硅油或空气来减少不想要的外部振动的方法。主动的振动减少方法是一种用于感测系统的方法，通过使用不同的智能驱动器(例如，压电材料、记忆合金、电操作的聚合物和类似物)，该主动的振动减少方法被应用到该系统中，该智能驱动器是主动驱动器，以根据情况施加适当的阻尼力。半主动的振动减少方法包括人工方法和主动方法二者的特征，并且是使用当电磁场产生时其阻尼特性变化的材料例如电流变(ER)液或磁流变(MR)液的一种方法。

然而，尽管可以通过上述的构造减小加工产品的振动，但是未考虑振动减小时可能发生的余震或扭转，使得在产品加工中精度可根据额外的微小振动和位移降低。

另外，当加工产品长时间暴露于高温环境中时，由于加工产品的变形可能发生加工位置位移，并且相应地需要开发和研究用于位移补偿的方法。

在该背景部分公开的以上信息仅用于增强对本发明的背景的理解，并且因此其可以包含不构成对于本领域的普通技术人员在本国已经已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的提出致力于提供一种主动的集成的热和振动补偿装置，在该装置中，提供了补偿由于振动减少导致的余震和扭转以及补偿由于加工产品的热变形导致的加工位置的MR驱动器和磁致伸缩驱动器。

根据本发明的一个方面的主动补偿装置设置在加工产品安装部分和平台之间，并包括：主体，其中形成有容纳空间；设置在容纳空间的内侧的MR驱动器，并且所述MR驱动器的阻尼力根据变化MR流体的粘度的变化而变化；和磁致伸缩驱动器，其设置在容纳空间的外侧，并且包括磁致伸缩元件，该磁致伸缩元件由于磁力发生长度位移。

该MR驱动器可包括：第一线圈架部分，其中形成有充满MR流体的流体空间，并且产生磁场的第一线圈绕该第一线圈架部分缠绕，以改变MR流体的粘度；和MR轴，其被装配成在第一线圈架部分中在轴线方向可往复移动，并且所述MR轴的阻尼力由于MR流体的粘度变化而变化。

主体的上侧可以固定到加工产品安装部分且MR轴的下侧固定到平台，或者主体的下侧可以固定到平台且MR轴的上侧固定到加工产品安装部分，使得安装到加工产品安装部分的加工产品的振动减小。

MR驱动器可以包括设置在MR轴的一端与主体的一侧之间的用于MR轴的位置恢复的MR位置弹簧。

磁致伸缩驱动器可以包括第二线圈架部分，第一线圈架部分被容纳在第二线圈架部分中，且形成磁场的第二线圈外部地缠绕该第二线圈架部分，以改变磁致伸缩元件的位移，且磁致伸缩元件可以设置在第一线圈架部分和第二线圈架部分之间，使得由于第二线圈的磁场导致的位移发生在垂直方向上。

主体可以包括上盖，该上盖在垂直方向上可往复运动并设置在主体的上侧，并且磁致伸缩元件的一端可连接到上盖，以通过磁致伸缩元件的位移补偿安装在加工产品安装部分中的加工产品的位移。

此外，磁致伸缩驱动器可以包括设置在第二线圈架部分的上侧的铁氧体元件。

此外，磁致伸缩驱动器可以包括设置在第二线圈架部分的上侧和上盖的底侧之间的用于上盖的位置恢复的磁致伸缩位置弹簧。

主动补偿装置可以包括：设置在加工产品安装部分中的振动检测传感器；设置在加工产品安装部分中的位移检测传感器；和控制器，其通过振动检测传感器的振动信号控制施加到第一线圈的电流并通过设置在加工产品安装部分中的位移检测传感器的位移信号控制施加到第二线圈的电流。

在本申请中，控制器可以通过存储位移信号的数据库接收加工产品的位移信号，且加工产品的根据时间的位移信号通过加工产品的热变形仿真获得，以控制施加到第二线圈的电流。

根据本发明示例性的实施方案的主动补偿装置能够改变MR驱动器的共振频率，使得可以主动地进行相对于外部施加的振动的共振回避，并能通过改变振动减少介质的刚性方向来减少未包括在共振带中的振动的水平。

另外，由于振动减小导致的余震和扭转可以通过磁致伸缩驱动器来补偿，以补偿加工产品的加工位置，由此引起加工精度的提高。

此外，可以通过补偿由于加工产品的热变形导致的加工位置位移来提高加工精度。

另外，MR驱动器和磁致伸缩驱动器集成地形成，以降低主动补偿装置的体积。

附图说明

图1是在钻孔期间当加工产品上发生振动和热变形时加工产品产生的位移的示意性剖面图。

图2是加工工具的示意图，根据本发明示例性实施方案的主动补偿装置被应用到该加工工具上。

图3是根据本发明的示例性实施方案的主动补偿装置的安装实施例的透视图。

图4是根据本发明的示例性实施方案的主动补偿装置的剖视透视图。

图5是根据本发明的示例性实施方案的主动补偿装置的剖视图。

图6是MR驱动器的操作状态的剖视图。

图7是磁致伸缩驱动器的操作状态的剖视图。

符号描述

1000：主动补偿装置

100：主体 110：上盖

120：下盖 130：第一盖

140：第二盖

200：MR驱动器 210：MR轴

220：MR流体容纳部分 230:第一线圈架部分

240:第一线圈

300:磁致伸缩驱动器 310:磁致伸缩元件

320:第二线圈架部分 330:第二线圈

350:铁氧体元件

具体实施方式

参考其中示出本发明的示例性实施方案的附图，在下文中将更加充分地描述本发明。如本领域的技术人员将认识到，所描述的实施方案可以以各种不同的方式被修改，而全都不偏离本发明的精神或范围。附图和描述将被认为是本质上示例性的并且不是限制性的。在整个说明书中，相同的参考标记表示相同的元件。

将首先描述在加工产品的加工过程中发生的振动和热变形引起的位移，然后将描述主动补偿装置。

图1示出了在使用加工工具的钻头D钻削的过程中加工产品S可能发生的振动V和位移d。如该图所示，当用钻头D加工加工产品S的上表面时，加工产品S可能经历垂直振动V，且由于振动V的发生，可能造成噪声和加工精度的降低。当加工范围大时，振动V可以几乎不影响加工精度，但是在微小范围内的加工中振动Ⅴ对加工精度的影响可能会增加。

此外，当加工产品S长时间暴露在高温下时，加工位置根据加工产品S的位移d变化，从而降低了加工精度。

为了解决这样的问题，将参照附图描述根据本发明的示例性实施方案的主动补偿装置1000。

图2示出了加工工具的示意图，根据本发明示例性实施方案的主动补偿装置1000被应用到该加工工具上。如图2所示，加工工具M包括平台4000和加工产品安装部分3000，加工产品S安装在平台4000上，加工产品安装部分3000固定加工产品S并且加工产品可通过设置在加工产品安装部分3000中的台钳2000固定。此外，主动补偿装置1000设置在加工产品安装部分3000和平台4000之间，以减少加工产品的振动并补偿由于加工产品S的热变形引起的位移，该加工产品S的热变形是由使用钻头D在加工产品S上进行的钻削过程造成的。虽然附图中示出了加工产品S通过台钳2000固定，但是能够固定加工产品S的任何配置是适用的，且虽然在图中主动补偿装置1000设置在加工产品安装部分3000和平台4000之间，但是主动补偿装置1000可以布置在任何地方，只要能够减小振动并补偿加工产品的位移。

图3示出了根据本发明的示例性实施方案的主动补偿装置1000的安装实施例的透视图。如该图所示，主动补偿装置1000设置为多个并设置在加工产品安装部分3000的底面，并且优选地，主动补偿装置1000可以布置在安装部分3000的四个拐角处。虽然图中布置了四个主动补偿装置1000，但是也可以布置三个或更多个主动补偿装置1000，只要它们稳定地支撑安装部分。

此外，感测加工产品S上产生的振动的振动检测传感器S1和S3以及感测加工产品S的位移的位移检测传感器S2和S4可以设置在安装部分3000的上侧。可以应用重力检测传感器、加速度传感器、陀螺仪传感器及其类似物作为振动检测传感器S1和S3或位移检测传感器S2和S4。此外，振动检测传感器S1和S3以及位移检测传感器S2和S4可以设置成一对并分别布置在相对的拐角处，但是每一对可布置在四个拐角的每一个拐角处，以用于精确感测。

图4示出了根据本发明的示例性实施方案的主动补偿装置1000的剖视透视图。如图4所示，主动补偿装置1000可以由主体100、容纳在主体100的径向方向上的内侧的MR驱动器200和容纳在主体100的径向方向上的外侧的磁致伸缩驱动器300形成。MR驱动器200被形成以通过阻尼力减少加工产品S的振动，通过改变其中容纳的MR流体的粘度，该阻尼力相应于加工产品S产生的振动的幅度。此外，磁致伸缩驱动器300可以被形成以通过由于磁场的强度而改变的磁致伸缩元件的长度位移来补偿由于加工产品S的热变形导致的位置位移。根据本发明的示例性实施方案，MR驱动器200和磁致伸缩驱动器300集成地形成在主体100中，以降低主动补偿装置1000的体积，并且有效地减小加工产品S的振动并进行位置位移的补偿。

在下文中，根据本发明的示例性实施方案的这样的集成的主动补偿装置1000的详细构造将被详细描述。

图5示出了根据本发明的示例性实施方案的主动补偿装置的剖视图。如图5所示，主动补偿装置1000由主体100、MR驱动器200和磁致伸缩驱动器300形成。主体100形成为圆柱形，该圆柱形具有形成在其中的容纳空间、围绕主体100的上侧的上盖110、围绕主体100的下侧的下盖120和围绕MR驱动器200的侧表面的环形的第一盖130和围绕磁致伸缩驱动器300的侧表面的环形的第二盖140。在本申请中，上盖110可以通过磁致伸缩驱动器300的位移垂直地往复移动。

MR驱动器200由第一线圈架部分230、绕第一线圈架部分230的外侧缠绕的第一线圈240和MR轴210形成，容纳MR流体的MR流体容纳部分220形成在该第一线圈架部分230中，该MR轴210在垂直长度方向上装配到MR流体容纳部分220并且在垂直长度方向上可旋转。即，施加到MR流体的磁力的强度通过施加到第一线圈240的电流而改变，并且相应地，MR流体的粘度可以改变。因而，MR轴210的阻尼力可以根据MR流体的粘度变化而改变。

在本申请中，上盖110固定到加工产品安装部分3000的底面，且MR轴210的下端固定到平台4000。因此，当振动发生在加工产品S中时，振动通过加工产品安装部分3000传递到主体100，且阻尼力根据形成在MR轴210中的MR流体的粘度传递到加工产品安装部分3000，使得加工产品S的振动可以减小。油封O设置在MR轴210和上盖110的结合部分，以防止MR流体的外部泄漏。此外，油封O也设置在MR轴210和下盖120的结合部分，以防止MR流体的外部泄漏。此外，MR位置弹簧270被设置在MR轴210的下端和下盖120的底面之间，用于MR轴210的位置恢复。

磁致伸缩驱动器300由其中容纳有MR驱动器200的第二线圈架部分320、绕第二线圈架部分320的外侧缠绕的第二线圈330和设置在第二线圈架部分320和第一盖130之间的磁致伸缩元件310形成，且磁致伸缩元件310的垂直长度方向的位移根据第二线圈330的磁力强度而改变。即，施加到磁致伸缩元件310的磁力的强度通过施加到第二线圈330的电流而改变，并且相应地，磁致伸缩元件310的垂直长度可以改变。磁致伸缩元件310的上端与上盖110的下端结合，使得上盖110根据磁致伸缩元件310的垂直长度变化沿着垂直长度方向可往复运动，并且相应地，加工产品安装部分3000的垂直位置改变。在本申请中，导向杆340可以从第一线圈架部分230的上侧向上突出，以引导上盖110的垂直运动。导向杆340可设置为多个，并相对于轴线方向放射状布置。另外，铁氧体元件350可设置在第二线圈架部分320的上侧。铁氧体元件350由基于氧化铁的磁性陶瓷形成，并且产生磁场。铁氧体元件350放大或维持第二线圈330产生的磁力。另外，磁致伸缩位置弹簧360设置在铁氧体元件350的上侧和上盖110的底侧之间，用于上盖110的位置恢复。

当发生由于加工产品S的热变形导致的位置位移时，磁致伸缩驱动器300通过改变磁致伸缩元件310的长度补偿加工产品S的位置。

尽管图中未示出，主动补偿装置1000还包括控制器(未示出)，该控制器通过凭借振动检测传感器S1和S3的振动信号控制施加到第一线圈240的电流，以控制MR驱动器200的阻尼力以对振动进行响应，并且通过凭借位移检测传感器S2和S4的位移信号控制施加到第二线圈330的电流，以控制磁致伸缩驱动器300的位移以对加工产品S的位移进行响应。

在本申请中，根据用于控制磁致伸缩驱动器300的位移的另一示例性实施方案，控制器凭借存储在数据库中的位移信息控制施加到第二线圈330的电流，从而对应于加工产品S的位移来控制磁致伸缩驱动器300的位移。该加工产品S的位移量相对于时间是微不足道的，并且因此不需要实时位移补偿，并且由于热变形导致的加工产品S的位移是常数，因此在不使用传感器测量位移量的情况下，位移量是可以预测的。因此，通过热变形仿真，加工产品S的相对于时间的位移量作为统计数据被存储在数据库中，且磁致伸缩驱动器300的位移可以基于存储在数据库中的统计数据来控制。

集成的主动补偿装置1000的振动减小和位置补偿的详细操作将参照附图进行更详细地描述。

图6示出了根据本发明的示例性实施方案的集成的主动补偿装置1000的MR驱动器200的操作状态的剖视图。

首先，根据本发明的示例性实施方案的集成的主动补偿装置1000配备有位于加工产品安装部分3000上的振动检测传感器S1和S3(参照图3)，且振动检测传感器S1和S3感测加工产品S产生的振动的振幅并将振动信号传递到控制器。控制器接收振动信号并控制第一线圈240的电流强度，从而将对应于振动的振幅的阻尼力施加到加工产品安装部分3000，使得MR轴210和主体100之间的阻尼力可以根据第一线圈240的电流通过容纳在MR流体容纳部分220中的MR流体的粘度变化来控制。

图7示出了根据本发明的示例性实施方案的集成的主动补偿装置1000的磁致伸缩驱动器300的操作状态的剖视图。

首先，根据本发明的示例性实施方案的集成的主动补偿装置100配备有位于加工产品安装部分3000上的位移检测传感器S2和S4(参照图3)，且位移检测传感器S2和S4感测根据发生在加工产品S中的热变形的位移并将位移信号传递到控制器。控制器接收位移信号并控制第二线圈330的电流强度，以将对应于位移的补偿位移施加到加工产品安装部分300，并通过加工产品安装部3000的垂直旋转补偿加工产品S的位置位移，该加工产品安装部3000的垂直旋转是通过凭借磁致伸缩元件310的垂直方向的位移来向上或向下旋转上盖110来实现的。

虽然已经结合目前被认为是实际的示例性实施方案的实施方案描述了本发明，但应理解的是，本发明不限于公开的实施方案，而是相反地，旨在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (8)

1.一种主动补偿装置，其设置在加工产品安装部分和平台之间，所述主动补偿装置包括：

主体，其中形成有容纳空间；

MR驱动器，其设置在所述容纳空间的内侧，且所述MR驱动器的阻尼力根据MR流体的粘度变化而变化；和

磁致伸缩驱动器，其设置在所述容纳空间的外侧，且包括磁致伸缩元件，该磁致伸缩元件由于磁力发生长度位移，

其中所述MR驱动器包括：

第一线圈架部分，其中形成有充满所述MR流体的流体空间，并且产生磁场的第一线圈绕所述第一线圈架部分缠绕，以改变所述MR流体的粘度；和

MR轴，其被装配成在所述第一线圈架部分中在轴线方向可往复移动，并且所述MR轴的阻尼力由于所述MR流体的粘度变化而变化，并且

其中所述磁致伸缩驱动器包括：

第二线圈架部分，所述第一线圈架部分被容纳在所述第二线圈架部分中，且形成磁场的第二线圈外部地缠绕所述第二线圈架部分，以改变所述磁致伸缩元件的位移，且

其中所述磁致伸缩元件设置在所述第一线圈架部分和所述第二线圈架部分之间，使得由于所述第二线圈的磁场导致的位移发生在垂直方向上。

2.如权利要求1所述的主动补偿装置，其中所述主体的上侧固定到所述加工产品安装部分且所述MR轴的下侧固定到所述平台，或者所述主体的下侧固定到所述平台且所述MR轴的上侧固定到所述加工产品安装部分，使得安装到所述加工产品安装部分的加工产品的振动减小。

3.如权利要求1所述的主动补偿装置，其中所述MR驱动器包括设置在所述MR轴的一端与所述主体的一侧之间的、用于所述MR轴的位置恢复的MR位置弹簧。

4.如权利要求1所述的主动补偿装置，其中所述主体包括上盖，所述上盖在垂直方向上可往复运动并设置在所述主体的上侧，并且

所述磁致伸缩元件的一端连接到所述上盖，以通过所述磁致伸缩元件的位移补偿安装在所述加工产品安装部分中的加工产品的位移。

5.如权利要求1所述的主动补偿装置，其中所述磁致伸缩驱动器包括设置在所述第二线圈架部分的上侧的铁氧体元件。

6.如权利要求4所述的主动补偿装置，其中所述磁致伸缩驱动器包括设置在所述第二线圈架部分的上侧和所述上盖的底侧之间的、用于所述上盖的位置恢复的磁致伸缩位置弹簧。

7.如权利要求1所述的主动补偿装置，包括：

设置在所述加工产品安装部分中的振动检测传感器；

设置在所述加工产品安装部分中的位移检测传感器；和

控制器，其通过所述振动检测传感器的振动信号控制施加到所述第一线圈的电流，并通过设置在所述加工产品安装部分中的所述位移检测传感器的位移信号控制施加到所述第二线圈的电流。

8.如权利要求7所述的主动补偿装置，其中所述控制器通过其中存储所述位移信号的数据库接收加工产品的位移信号，所述加工产品的根据时间的位移信号通过所述加工产品的热变形仿真获得，以控制施加到所述第二线圈的电流。