CN105650191A - 一种u型槽开式磁流变阻尼器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种U型槽开式磁流变阻尼器，包括阻尼器铁轭、底板、阻尼器铁芯、磁流变阻尼液、线圈、左右挡板、螺栓、弹簧垫圈、螺母、线圈外接头、转接头、内六角圆柱头螺钉和铁轭挡板，所述底板、阻尼器铁芯、磁流变阻尼液、线圈、左右挡板、螺栓、弹簧垫圈、螺母、线圈外接头组成U型槽开式磁流变阻尼器的动子部分；所述动子部分通过转接头安装到直线电机驱动的工作台两侧；所述阻尼器铁轭、内六角圆柱头螺钉和铁轭挡板组成U型槽开式磁流变阻尼器的定子部分，内六角圆柱头螺钉通过连接件铁轭挡板将阻尼液密封于阻尼器铁轭内并固定于基座上。本发明磁流变阻尼器采用U型槽开式结构，该阻尼器的阻尼力较闭式略低，但结构更为简单，可显著降低阻尼器的机械加工工艺难度，散热容易，产品成本也有显著的降低。

Description

一种U型槽开式磁流变阻尼器

技术领域

本发明涉及机床的研究领域，特别涉及一种U型槽开式磁流变阻尼器，可用于直线进给驱动单元驱动的高速高精密车/铣/磨加工机床用。

背景技术

由于直线电机驱动的高速超精密气浮平台，其直线进给单元加速度变化的不连续性以及缺少中间弹性阻尼环节，易产生超调和振荡，限制了直线进给精密，难以满足超精密加工的要求；并且直线气浮系统传动阻尼小，抗干扰能力较差，并随驱动功率的增大而变得更差。因为干扰力和负载变化直接影响其动态性能，最终极大地影响了高定位稳定性和动态精度的实现。为解决直线电机及直线气浮系统以上问题，目前研究尝试完全主动控制、结构阻尼及智能材料半主动控制等方法。其中以磁流变液作为智能材料,通过调节电流来实时调节系统阻尼的半主动控制是最有效的方法之一。

目前，磁流变液的主要应用领域是各种形式的主动和半主动阻尼器，磁流变阻尼器是应用磁流变体在强磁场下的快速可逆变特性而制造的一种新型振动控制装置。LORD公司设计的磁流变阻尼器由磁流变液、缸体、活塞和可控制磁场组成。工作时，活塞在工作缸内作往复直线运动，活塞与缸体发生相对运动，挤压磁流变液迫使其流过缸体与活塞间的间隙，当线圈中通过电流产生磁场时，磁流变液的屈服应力值随外加磁场强度的增加而增加，从而起到阻尼的作用。

目前磁流变阻尼器有两种基本结构，一种是传统的活塞型闭式结构，它具有结构简单、工艺难度高、精度高、寿命长等特点，主要适用于汽车悬架、座椅、桥梁拉索、高层建筑和导管架式海洋平台减震等，但由于其加工难度高和精度高，且闭式结构难以使用到直线电机驱动的场合。第二种是近年来开发的U型槽开式结构，与活塞式阻尼器相比，直线开式阻尼器仅工作在剪切模式下，虽然获得的阻尼力明显较低，但与直线电机搭配，安装方便可靠，其阻尼器置于直线电机两侧，结构似“山”型，且工艺难度降低。本发明结合了开式和闭式磁流变阻尼器的优点，采用电磁学设计理论对磁流变阻尼器进行结构分析与优化的基础上，提出的一种新型振动控制的磁流变阻尼器结构。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种U型槽开式磁流变阻尼器，以解决传统结构的磁流变阻尼器不便于与直线电机一并使用的技术问题，同时又能克服活塞型闭式磁流变阻尼器存在的工艺难度高、成本高、散热难和维护不便等缺点。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一种U型槽开式磁流变阻尼器，包括阻尼器铁轭(1)、底板(2)、阻尼器铁芯(3)、磁流变阻尼液(4)、线圈(5)、左右挡板(6)、螺栓(7)、弹簧垫圈(8)、螺母(9)、线圈外接头(10)、转接头(11)、内六角圆柱头螺钉(14)和铁轭挡板(15)，所述底板(2)、阻尼器铁芯(3)、磁流变阻尼液(4)、线圈(5)、左右挡板(6)、螺栓(7)、弹簧垫圈(8)、螺母(9)、线圈外接头(10)组成U型槽开式磁流变阻尼器的动子部分，左右挡板(6)在转接头(11)和阻尼器铁芯(3)之间形成磁流侧通道，底板(2)用于限定线圈高度并形成磁流底部通道，螺栓(7)、弹簧垫圈(8)和螺母(9)通过转接头(11)和阻尼器铁芯(3)的定位面将阻尼器的底板(2)～转接头(11)装配成动子部分；所述动子部分通过转接头(11)安装到直线电机驱动的工作台(12)两侧，结构似“山”型；所述阻尼器铁轭(1)、内六角圆柱头螺钉(14)和铁轭挡板(15)组成U型槽开式磁流变阻尼器的定子部分，内六角圆柱头螺钉(14)通过连接件铁轭挡板(15)将阻尼液密封于阻尼器铁轭(1)内并固定于基座上。

作为优选的技术方案，所述阻尼器铁轭(1)是U型槽开式结构，通过左右挡板(6)与底板(2)和阻尼器铁轭(1)间形成磁流变通道以便阻尼液回流。

作为优选的技术方案，所述左右挡板(6)和阻尼器铁轭(1)间形成的磁流通道，当阻尼器线圈通电后，阻尼器铁芯(3)中形成磁通，磁场在阻尼器铁芯(3)、磁流变阻尼液(4)和阻尼器铁轭(1)中形成环形磁路，磁流变阻尼液(4)是在阻尼器铁芯(3)与阻尼器铁轭(1)的间隙当中；阻尼器铁芯(3)与阻尼器铁轭(1)间隙的磁流变阻尼液(4)特性发生变化，由液态的牛顿流体变为类似固态的较稠的非牛顿流体，并且磁性物质按磁路形成磁链，运动时破坏磁链形成仅工作在剪切模式下的阻尼力。

作为优选的技术方案，所述螺栓(7)、弹簧垫圈(8)和螺母(9)通过转接头(11)和阻尼器铁芯(3)的定位面将动子部分装配成动子一体。

作为优选的技术方案，所述线圈(5)为控制对象，采用电流环数字控制器设计，磁流变阻尼线圈可视为R-L电路，控制器采用PID电流调节器。

作为优选的技术方案，所述螺母(9)为M5×0.8的螺母，所述内六角圆柱头螺钉为M5×0.8的螺钉。

作为优选的技术方案，所述左右挡板(6)通过转接头(11)和阻尼器铁芯(3)的定位面限制线圈宽度并形成磁流侧通道。

作为优选的技术方案，还包括滚动导轨(13)，所述滚动导轨(13)是与直线电机驱动工作台(12)通过中间滑块直接相连，组成串联可动机构。

作为优选的技术方案，所述线圈外接头(10)是线圈(5)的供电和控制入口。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明磁流变阻尼器采用U型槽开式结构，该阻尼器的阻尼力较闭式略低，但结构更为简单，可显著降低阻尼器的机械加工工艺难度，散热容易，产品成本也有显著的降低。

附图说明

图1是本发明的U型槽开式磁流变阻尼器的剖视图；

图2是本发明的U型槽开式磁流变阻尼器的前视图；

图3是本发明的U型槽开式磁流变阻尼器的上视图。

附图标号说明：1－阻尼器铁轭；2－底板；3－阻尼器铁芯；4－磁流变阻尼液；5－线圈；6－左右挡板；7－螺栓；8－弹簧垫圈；9－螺母；10－线圈外接头；11－转接头；12－工作台；13－滚动导轨；14－内六角圆柱头螺钉；15－铁轭挡板。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图3所示，本实施例的U型槽开式磁流变阻尼器，包括阻尼器铁轭1、底板2、阻尼器铁芯3、磁流变阻尼液4、线圈5、左右挡板6、螺栓7、弹簧垫圈8、螺母9、线圈外接头10、转接头11、内六角圆柱头螺钉14和铁轭挡板15，所述底板2、阻尼器铁芯3、磁流变阻尼液4、线圈5、左右挡板6、螺栓7、弹簧垫圈8、螺母9、线圈外接头10组成U型槽开式磁流变阻尼器的动子部分，左右挡板6在转接头11和阻尼器铁芯3之间形成磁流侧通道，底板2用于限定线圈高度并形成磁流底部通道，螺栓7、弹簧垫圈8和螺母M5×0.8(9)通过转接头11和阻尼器铁芯3的定位面将阻尼器的底板2～转接头11装配成动子部分；所述动子部分通过转接头11安装到直线电机驱动的工作台12两侧；所述阻尼器铁轭1、内六角圆柱头螺钉14和铁轭挡板15组成U型槽开式磁流变阻尼器的定子部分，内六角圆柱头螺钉14通过连接件铁轭挡板15将阻尼液密封于阻尼器铁轭1内并固定于基座上。

阻尼器铁轭1是形成环形磁路的关键，当线圈5通电后，阻尼器铁芯3中形成磁通，磁场在阻尼器铁芯3、阻尼器铁芯3与阻尼器铁轭1间隙的磁流变阻尼液4和阻尼器铁轭1中形成环形磁路；阻尼器铁芯3与阻尼器铁轭1间隙的磁流变阻尼液4特性发生变化，由液态的牛顿流体变为类似固态的较稠的非牛顿流体，并且磁性物质按磁路形成磁链，运动时破坏磁链形成阻尼力。

左右挡板6通过转接头11和阻尼器铁芯3的定位面限制线圈宽度并形成磁流侧通道；底板2用于限定线圈高度并形成磁流底部通道。螺栓7、弹簧垫圈(8)和螺母9通过转接头11和阻尼器铁芯3的定位面将阻尼器的动子部分装配成动子一体；线圈外接头10是线圈5的供电和控制入口。内六角圆柱头螺钉14用于阻尼器铁轭1与铁轭挡板15的连接和将阻尼器铁轭1固定于基座。铁轭挡板15用于与阻尼器铁轭1形成密封槽以密封磁流变阻尼液，并且是阻尼器定子的连接过度环节。转接头11用于连接阻尼器动子和直线电机驱动的工作台12以实现工作台动子连动同步。

上述所述螺母9为M5×0.8的螺母，所述内六角圆柱头螺钉为M5×0.8的螺钉。

本实施例中，阻尼器线圈采用电流环数字控制器设计以达到稳定控制阻尼器，通过调节输入电流来实时调节系统阻尼的半主动控制是最有效的方法之一。

阻尼器线圈采用电流环数字控制器设计，磁流变阻尼线圈可视为R-L电路，传递函数为：

$W\left(s\right)=\frac{1}{Ls+R}=\frac{1/R}{T_{L}s+1}---\left(1\right)$

式(1)中L为线圈电感；R为线圈电阻；T_L＝L/R为线圈时间常数。

采用PWM调节控制线圈电流，主要调整参数为计数器的捕捉值。电流调节器ACR主要根据检测的误差调整占空比，系统控制动态图如下：

上图中输入参考i_ref由PC机发送指令给定，为对应期望电流AD转换值。传递函数中相关参数确定如下：

·线圈电阻R＝14.6Ω，电感L＝36.33mH，则线圈时间常数T_L＝L/R＝2.488×10^-3s。

·KAD8210电流检测反馈增益，KAD9220AD转换反馈增益。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种U型槽开式磁流变阻尼器，其特征在于，包括阻尼器铁轭(1)、底板(2)、阻尼器铁芯(3)、磁流变阻尼液(4)、线圈(5)、左右挡板(6)、螺栓(7)、弹簧垫圈(8)、螺母(9)、线圈外接头(10)、转接头(11)、内六角圆柱头螺钉(14)和铁轭挡板(15)，所述底板(2)、阻尼器铁芯(3)、磁流变阻尼液(4)、线圈(5)、左右挡板(6)、螺栓(7)、弹簧垫圈(8)、螺母(9)、线圈外接头(10)组成U型槽开式磁流变阻尼器的动子部分，左右挡板(6)在转接头(11)和阻尼器铁芯(3)之间形成磁流侧通道，底板(2)用于限定线圈高度并形成磁流底部通道，螺栓(7)、弹簧垫圈(8)和螺母(9)通过转接头(11)和阻尼器铁芯(3)的定位面将阻尼器的底板(2)～转接头(11)装配成动子部分；所述动子部分通过转接头(11)安装到直线电机驱动的工作台(12)两侧，结构似“山”型；所述阻尼器铁轭(1)、内六角圆柱头螺钉(14)和铁轭挡板(15)组成U型槽开式磁流变阻尼器的定子部分，内六角圆柱头螺钉(14)通过连接件铁轭挡板(15)将阻尼液密封于阻尼器铁轭(1)内并固定于基座上。

2.根据权利要求1所述的U型槽开式磁流变阻尼器，其特征在于，所述阻尼器铁轭(1)是U型槽开式结构，通过左右挡板(6)与底板(2)和阻尼器铁轭(1)间形成磁流变通道以便阻尼液回流。

3.根据权利要求2所述的U型槽开式磁流变阻尼器，其特征在于，所述左右挡板(6)和阻尼器铁轭(1)间形成的磁流通道，当阻尼器线圈通电后，阻尼器铁芯(3)中形成磁通，磁场在阻尼器铁芯(3)、磁流变阻尼液(4)和阻尼器铁轭(1)中形成环形磁路，磁流变阻尼液(4)是在阻尼器铁芯(3)与阻尼器铁轭(1)的间隙当中；阻尼器铁芯(3)与阻尼器铁轭(1)间隙的磁流变阻尼液(4)特性发生变化，由液态的牛顿流体变为类似固态的较稠的非牛顿流体，并且磁性物质按磁路形成磁链，运动时破坏磁链形成仅工作在剪切模式下的阻尼力。

4.根据权利要求1所述的U型槽开式磁流变阻尼器，其特征在于，所述螺栓(7)、弹簧垫圈(8)和螺母(9)通过转接头(11)和阻尼器铁芯(3)的定位面将动子部分装配成动子一体。

5.根据权利要求1所述的U型槽开式磁流变阻尼器，其特征在于，所述线圈(5)为控制对象，采用电流环数字控制器设计，磁流变阻尼线圈可视为R-L电路，控制器采用PID电流调节器。

6.根据权利要求1所述的U型槽开式磁流变阻尼器，其特征在于，所述螺母(9)为M5×0.8的螺母，所述内六角圆柱头螺钉为M5×0.8的螺钉。

7.根据权利要求1所述的U型槽开式磁流变阻尼器，其特征在于，所述左右挡板(6)通过转接头(11)和阻尼器铁芯(3)的定位面限制线圈宽度并形成磁流侧通道。

8.根据权利要求1所述的U型槽开式磁流变阻尼器，其特征在于，还包括滚动导轨(13)，所述滚动导轨(13)是与直线电机驱动工作台(12)通过中间滑块直接相连，组成串联可动机构。

9.根据权利要求1所述的U型槽开式磁流变阻尼器，其特征在于，所述线圈外接头(10)是线圈(5)的供电和控制入口。