CN106270592B - 一种智能减振镗杆及其减振控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种智能减振镗杆及其减振控制方法，属于机加领域，解决了现有被动式减振镗杆不具备自动减振调节功能和主动式减振镗杆系统庞大、维护与维修困难的问题。所述镗杆：在刀杆前端的空腔内设置有三轴加速度传感器、多组悬臂吸振单元和滑座，悬臂吸振单元包括质量块和悬臂梁，悬臂梁的两端分别与质量块和空腔的后端面固定。数据处理单元根据所述传感器测量的加速度数据计算刀片尖端的加速度数据、通过传动单元控制滑座在空腔内滑动，进而改变悬臂梁的悬伸量。所述方法：数据处理单元控制滑座从悬臂梁的另一端滑动至其一端，此过程中数据处理单元确定与刀片尖端的加速度数据最小值对应的滑块最优位置，并控制滑块滑动至该位置。本发明用于深孔镗削加工。
Description
技术领域
本发明涉及机加领域，具体地说，涉及一种智能减振镗杆及其减振控制方法。
背景技术
深孔镗削加工一直以来都是机加领域中的一个难点，其难度在于，在深孔镗削加工的过程中，镗杆需要深入工件的内部。工件的孔深越长，镗杆的悬伸长度也越长，而镗杆的刚度会随悬伸长度的增加而降低，进而导致镗杆变形，并伴随有振动行为。镗杆的振动会影响深孔的加工精度及其内壁的光滑程度，严重时会导致工件不合格，甚至是报废。
现有镗杆的减振方式主要包括以下几类：
一、通过调节切削参数对镗杆进行减振，比如采用小切深的方式进行镗削加工。这种减振方式多以牺牲效率为代价，不利于提高生产效率，经济性不好。
二、采用高弹性模量材料制作镗杆，进而提高镗杆的静刚度。这种方式具有一定的减振效果，但仅提高镗杆的静刚度并不能完全解决镗杆的振动问题。除此之外，采用高弹性模量材料制作的镗杆造价较高。
三、对镗杆的外形进行减振优化设计。这种方式具有一定的减振效果，但该方式不适用于大尺寸的镗杆。
四、通过在镗杆内部加装吸振器的方式对镗杆进行减振。这种方式具有一定的减振效果，但是该类镗杆的后期维护与维修比较麻烦，对加工参数也有一定要求，一旦加工参数选择不当，反而会加剧镗杆的振动。
五、采用智能减振镗杆。该智能减振镗杆具有一定的减振效果，并且对切削参数的适应性较强。但是其整体系统庞大，安装、调试、后期的维护与维修多有不便，运行成本高。
发明内容
本发明为解决现有被动式减振镗杆不具备自动减振调节功能和主动式减振镗杆系统庞大、维护与维修困难的问题，提出了一种智能减振镗杆及其减振控制方法。
本发明所述的一种智能减振镗杆，包括刀头1、刀杆2和智能控制器；
所述刀头1固定设置在刀杆2的前端，用于装夹刀片3；
在所述刀杆2的内部，靠近其前端的位置设置有空腔；
在所述空腔的内部设置有三轴加速度传感器4、多组悬臂吸振单元和滑座5；
所述三轴加速度传感器4固定设置在空腔的前端面上；
每组悬臂吸振单元包括质量块6和悬臂梁7，所述悬臂梁7的一端与质量块6固定连接，所述悬臂梁7的另一端固定设置在空腔的后端面上，所述悬臂梁7贯穿滑座5；
所述悬臂吸振单元能够在空腔内做悬臂振动；
所述滑座5能够在空腔内滑动，进而改变悬臂梁7的悬伸量；
所述智能控制器包括壳体、数据采集单元8、数据处理单元9、传动单元和供电单元10；
所述数据采集单元8、数据处理单元9和供电单元10均位于壳体的内部，所述壳体的一端开口，所述壳体的开口端与刀杆2的后端相对固定设置；
所述数据采集单元8用于采集三轴加速度传感器4所测加速度数据，并将该加速度数据发送至数据处理单元9；
所述数据处理单元9用于根据数据采集单元8发来的加速度数据计算所述刀片3的尖端的加速度数据以及通过传动单元控制滑座5的滑动；
所述供电单元10用于为数据采集单元8、数据处理单元9、传动单元和三轴加速度传感器4提供工作所需电能。
本发明所述的减振控制方法基于上述智能减振镗杆实现，该方法包括以下步骤：
步骤一、将所述智能减振镗杆安装在镗床上，在设置好转速、切深和进给量后，采用工件旋转、所述智能减振镗杆进给、多次走刀的加工方式对工件进行镗削加工；
步骤二、在第一次走刀的过程中，首先，当所述数据处理单元9接收到的加速度数据呈周期性变化时，所述数据处理单元9通过传动单元控制滑座5在空腔内滑动，使其从悬臂梁7的另一端移动至悬臂梁7的一端；
其次，在滑座5从悬臂梁7的另一端移动至其一端的过程中，所述数据处理单元9根据其接收到的加速度数据计算所述刀片3的尖端的加速度数据，并筛选出在该过程中所述刀片3的尖端的加速度数据的最小值；
最后，所述数据处理单元9确定所述最小值相对应的滑块5在空腔中的位置，该位置为滑块5的最优位置；
步骤三、所述数据处理单元9通过传动单元使滑块5滑动至所述最优位置。
本发明所述的一种智能减振镗杆为多自由度系统，所述刀杆为主系统，位于空腔内部的多组悬臂吸振单元为子系统。所述数据处理单元通过传动单元来控制滑座在空腔内的滑动，进而改变悬臂梁的悬伸量，最终实现对子系统悬臂振动的改变。所述子系统悬臂振动的改变能够使所述主系统的振动相应地发生改变，进而控制所述刀片的尖端的振动。
本发明所述的减振控制方法通过数据处理单元和传动单元使滑座滑动到最优位置，此时，所述刀片的尖端的加速度数据最小，所述刀片的尖端的振动也最小。
本发明所述的一种智能减振镗杆，结构简单，集成度高，便于维护与维修，能够有效地解决现有主动式减振镗杆系统庞大、维护与维修困难的问题。
本发明所述的减振控制方法，能够使智能减振镗杆实现自动减振调节，解决了现有被动式减振镗杆不具备自动减振调节功能的问题。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的一种智能减振镗杆及其减振控制方法进行更详细的描述，其中：
图1是实施例提及的一种智能减振镗杆的轴向剖面图；
图2是图1中I处的放大图；
图3是图1中5的径向剖面放大图，5为滑座；
图4是实施例提及的一种智能减振镗杆与智能手机的无线连接示意图，27为智能手机，28为数据显示软件的图标；
图5是实施例提及的数据显示软件的操作界面图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明所述的一种智能减振镗杆及其减振控制方法作进一步说明。
实施例一：下面结合图1详细地说明本实施例。本实施例所述的一种智能减振镗杆，包括刀头1、刀杆2和智能控制器；
所述刀头1固定设置在刀杆2的前端，用于装夹刀片3；
在所述刀杆2的内部，靠近其前端的位置设置有空腔；
在所述空腔的内部设置有三轴加速度传感器4、多组悬臂吸振单元和滑座5；
所述三轴加速度传感器4固定设置在空腔的前端面上；
每组悬臂吸振单元包括质量块6和悬臂梁7，所述悬臂梁7的一端与质量块6固定连接，所述悬臂梁7的另一端固定设置在空腔的后端面上，所述悬臂梁7贯穿滑座5；
所述悬臂吸振单元能够在空腔内做悬臂振动；
所述滑座5能够在空腔内滑动，进而改变悬臂梁7的悬伸量；
所述智能控制器包括壳体、数据采集单元8、数据处理单元9、传动单元和供电单元10；
所述数据采集单元8、数据处理单元9和供电单元10均位于壳体的内部，所述壳体的一端开口，所述壳体的开口端与刀杆2的后端相对固定设置；
所述数据采集单元8用于采集三轴加速度传感器4所测加速度数据，并将该加速度数据发送至数据处理单元9；
所述数据处理单元9用于根据数据采集单元8发来的加速度数据计算所述刀片3的尖端的加速度数据以及通过传动单元控制滑座5的滑动；
所述供电单元10用于为数据采集单元8、数据处理单元9、传动单元和三轴加速度传感器4提供工作所需电能。
实施例二：下面结合图1和图2详细地说明本实施例。本实施例是对实施例一所述的一种智能减振镗杆作进一步的限定。本实施例所述的一种智能减振镗杆，所述传动单元包括推杆11、第一齿轮12、第二齿轮13、电动机14和驱动器15；
所述供电单元10还用于为电动机14和驱动器15提供工作所需电能；
所述数据处理单元9用于控制驱动器15的运行和停止；
所述驱动器15用于驱动电动机14；
所述电动机14的转轴与第二齿轮13同轴固定设置；
所述第一齿轮12与第二齿轮13啮合；
所述第一齿轮12与推杆11同轴设置，所述推杆11的一端与第一齿轮12螺纹连接，所述推杆11的另一端与滑座5固定连接；
所述推杆11能够在所述智能减振镗杆的内部前后滑动。
实施例三：下面结合图1详细地说明本实施例。本实施例是对实施例二所述的一种智能减振镗杆作进一步的限定。本实施例所述的一种智能减振镗杆，在所述刀杆2的内部还设置有第一通孔，所述第一通孔连通空腔与壳体的内部空间，所述第一通孔的内径等于推杆11的直径，位于第一通孔内的推杆11与所述滑座5同轴设置；
在所述第一通孔内、靠近所述刀杆2后端的位置设置有滑槽16，所述滑槽16的长度方向与第一通孔的轴线平行；
在所述推杆11上，靠近其一端的位置设置有滑动销17；
所述滑动销17与滑槽16相匹配，并能够在滑槽16内滑动。
在本实施例中，当第一齿轮旋转时，滑动销与滑槽配合工作，使得推杆在第一通孔中前后移动。
实施例四：下面结合图1和图3详细地说明本实施例。本实施例是对实施例三所述的一种智能减振镗杆作进一步的限定。本实施例所述的一种智能减振镗杆，在所述滑座5上设置有第二通孔18，在所述推杆11上设置有第三通孔，所述三轴加速度传感器4与加速度数据线19的一端连接，所述加速度数据线19的另一端依次经第二通孔18和第三通孔与数据采集单元8相连。
本实施例中的滑座和推杆上分别设置有第二通孔和第三通孔，所述第二通孔和第三通孔的设置方便所述加速度数据线的走线。
实施例五：下面结合图1和图3详细地说明本实施例。本实施例是对实施例一所述的一种智能减振镗杆作进一步的限定。本实施例所述的一种智能减振镗杆，在所述滑座5上设置有多个第四通孔20，所述悬臂梁7的另一端经第四通孔20固定设置在空腔的后端面上，所述第四通孔20的内径等于悬臂梁7的直径。
本实施例中的悬臂梁经第四通孔贯穿滑座，当滑座在空腔内前后滑动时，悬臂梁的悬伸量改变。
实施例六：下面结合图1详细地说明本实施例。本实施例是对实施例二所述的一种智能减振镗杆作进一步的限定。本实施例所述的一种智能减振镗杆，在所述壳体的内部还设置有第一固定板21和第二固定板22；
所述第一固定板21用于固定电动机14，所述第二固定板22用于支撑第一齿轮12和第二齿轮13。
实施例七：下面结合图1详细地说明本实施例。本实施例是对实施例一所述的一种智能减振镗杆作进一步的限定。本实施例所述的一种智能减振镗杆，在所述刀杆2的侧壁上设置有多个电阻应变片23，所述多个电阻应变片23沿圆周方向均匀分布；
所述电阻应变片23用于将刀杆2所受的镗削力转化为电信号，所述数据采集单元8用于采集该电信号，并将其发送至数据处理单元9；
所述数据处理单元9用于将数据采集单元8发来的电信号转化为应变值，根据该应变值计算所述刀杆2所受的镗削力，根据所述刀杆2所受的镗削力计算所述刀片3的尖端所受的镗削力。
实施例八：下面结合图1详细地说明本实施例。本实施例是对实施例四所述的一种智能减振镗杆作进一步的限定。本实施例所述的一种智能减振镗杆，在所述刀杆2的侧壁上设置有多个电阻应变片23，所述多个电阻应变片23沿圆周方向均匀分布；
所述电阻应变片23用于将刀杆2所受的镗削力转化为电信号，所述数据采集单元8用于采集该电信号，并将其发送至数据处理单元9；
所述数据处理单元9用于将数据采集单元8发来的电信号转化为应变值，根据该应变值计算所述刀杆2所受的镗削力，根据所述刀杆2所受的镗削力计算所述刀片3的尖端所受的镗削力；
在所述刀杆2的侧壁上，靠近空腔的位置设置有第五通孔24，所述电阻应变片23的电信号输出端与应变片数据线25的一端连接，所述应变片数据线25的另一端依次经第五通孔24、第二通孔18和第三通孔与数据采集单元8相连。
与电阻应变片相连的应变片数据线通过第五通孔进入空腔内，与加速度数据线共用走线通道，从而与数据采集单元相连。如此设计，实现了应变片数据线在所述智能减振镗杆的内部走线，使其走线更加规整。
实施例九：下面结合图1、图4和图5详细地说明本实施例。本实施例是对实施例一至八任意一项所述的一种智能减振镗杆作进一步的限定。本实施例所述的一种智能减振镗杆，所述智能控制器还包括无线传输单元26，所述无线传输单元26用于在数据处理单元9与手持终端之间建立信道；
所述手持终端用于接收经无线传输单元26发来的数据处理单元9计算出的数据；
所述供电单元10还用于为无线传输单元26提供工作所需电能。
本实施例中的手持终端为智能手机，该智能手机内装有数据显示软件，该数据显示软件用于将智能手机接收到的刀片尖端的加速度数据或刀片尖端所受镗削力数据以强度-时间曲线的形式呈现给机加操作人员。
本实施例中的数据处理单元还能够计算所述刀片尖端振动的振幅、周期和频率，根据应变值计算刀片尖端的位移，并通过无线传输单元将这些数据发送至智能手机。所述智能手机通过数据显示软件显示所述振幅、周期和频率数据，以及刀尖位移的强度-时间曲线。
本实施例中的无线传输单元支持多种无线传输协议，例如Wi-Fi、蓝牙和红外等。
实施例十：本实施例所述的减振控制方法基于实施例一所述的一种智能减振镗杆实现，该方法包括以下步骤：
步骤一、将所述智能减振镗杆安装在镗床上，在设置好转速、切深和进给量后，采用工件旋转、所述智能减振镗杆进给、多次走刀的加工方式对工件进行镗削加工；
步骤二、在第一次走刀的过程中，首先，当所述数据处理单元9接收到的加速度数据呈周期性变化时，所述数据处理单元9通过传动单元控制滑座5在空腔内滑动，使其从悬臂梁7的另一端移动至悬臂梁7的一端；
其次，在滑座5从悬臂梁7的另一端移动至其一端的过程中，所述数据处理单元9根据其接收到的加速度数据计算所述刀片3的尖端的加速度数据，并筛选出在该过程中所述刀片3的尖端的加速度数据的最小值；
最后，所述数据处理单元9确定所述最小值相对应的滑块5在空腔中的位置，该位置为滑块5的最优位置；
步骤三、所述数据处理单元9通过传动单元使滑块5滑动至所述最优位置。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (10)
1.一种智能减振镗杆，其特征在于，所述镗杆包括刀头(1)、刀杆(2)和智能控制器；
所述刀头(1)固定设置在刀杆(2)的前端，用于装夹刀片(3)；
在所述刀杆(2)的内部，靠近其前端的位置设置有空腔；
在所述空腔的内部设置有三轴加速度传感器(4)、多组悬臂吸振单元和滑座(5)；
所述三轴加速度传感器(4)固定设置在空腔的前端面上；
每组悬臂吸振单元包括质量块(6)和悬臂梁(7)，所述悬臂梁(7)的一端与质量块(6)固定连接，所述悬臂梁(7)的另一端固定设置在空腔的后端面上，所述悬臂梁(7)贯穿滑座(5)；
所述悬臂吸振单元能够在空腔内做悬臂振动；
所述滑座(5)能够在空腔内滑动，进而改变悬臂梁(7)的悬伸量；
所述智能控制器包括壳体、数据采集单元(8)、数据处理单元(9)、传动单元和供电单元(10)；
所述数据采集单元(8)、数据处理单元(9)和供电单元(10)均位于壳体的内部，所述壳体的一端开口，所述壳体的开口端与刀杆(2)的后端固定设置；
所述数据采集单元(8)用于采集三轴加速度传感器(4)所测加速度数据，并将该加速度数据发送至数据处理单元(9)；
所述数据处理单元(9)用于根据数据采集单元(8)发来的加速度数据计算所述刀片(3)的尖端的加速度数据以及通过传动单元控制滑座(5)的滑动；
所述供电单元(10)用于为数据采集单元(8)、数据处理单元(9)、传动单元和三轴加速度传感器(4)提供工作所需电能。
2.如权利要求1所述的智能减振镗杆，其特征在于，所述传动单元包括推杆(11)、第一齿轮(12)、第二齿轮(13)、电动机(14)和驱动器(15)；
所述供电单元(10)还用于为电动机(14)和驱动器(15)提供工作所需电能；
所述数据处理单元(9)用于控制驱动器(15)的运行和停止；
所述驱动器(15)用于驱动电动机(14)；
所述电动机(14)的转轴与第二齿轮(13)同轴固定设置；
所述第一齿轮(12)与第二齿轮(13)啮合；
所述第一齿轮(12)与推杆(11)同轴设置，所述推杆(11)的一端与第一齿轮(12)螺纹连接，所述推杆(11)的另一端与滑座(5)固定连接；
所述推杆(11)能够在所述智能减振镗杆的内部前后滑动。
3.如权利要求2所述的智能减振镗杆，其特征在于，在所述刀杆(2)的内部还设置有第一通孔，所述第一通孔连通空腔与壳体的内部空间，所述第一通孔的内径等于推杆(11)的直径，位于第一通孔内的推杆(11)与所述滑座(5)同轴设置；
在所述第一通孔内、靠近所述刀杆(2)后端的位置设置有滑槽(16)，所述滑槽(16)的长度方向与第一通孔的轴线平行；
在所述推杆(11)上，靠近其一端的位置设置有滑动销(17)；
所述滑动销(17)与滑槽(16)相匹配，并能够在滑槽(16)内滑动。
4.如权利要求3所述的智能减振镗杆，其特征在于，在所述滑座(5)上设置有第二通孔(18)，在所述推杆(11)上设置有第三通孔，所述三轴加速度传感器(4)与加速度数据线(19)的一端连接，所述加速度数据线(19)的另一端依次经第二通孔(18)和第三通孔与数据采集单元(8)相连。
5.如权利要求1所述的智能减振镗杆，其特征在于，在所述滑座(5)上设置有多个第四通孔(20)，所述悬臂梁(7)的另一端经第四通孔(20)固定设置在空腔的后端面上，所述第四通孔(20)的内径等于悬臂梁(7)的直径。
6.如权利要求2所述的智能减振镗杆，其特征在于，在所述壳体的内部还设置有第一固定板(21)和第二固定板(22)；
所述第一固定板(21)用于固定电动机(14)，所述第二固定板(22)用于支撑第一齿轮(12)和第二齿轮(13)。
7.如权利要求1所述的智能减振镗杆，其特征在于，在所述刀杆(2)的侧壁上设置有多个电阻应变片(23)，所述多个电阻应变片(23)沿圆周方向均匀分布；
所述电阻应变片(23)用于将刀杆(2)所受的镗削力转化为电信号，所述数据采集单元(8)用于采集该电信号，并将其发送至数据处理单元(9)；
所述数据处理单元(9)用于将数据采集单元(8)发来的电信号转化为应变值，根据该应变值计算所述刀杆(2)所受的镗削力，根据所述刀杆(2)所受的镗削力计算所述刀片(3)的尖端所受的镗削力。
8.如权利要求4所述的智能减振镗杆，其特征在于，在所述刀杆(2)的侧壁上设置有多个电阻应变片(23)，所述多个电阻应变片(23)沿圆周方向均匀分布；
所述电阻应变片(23)用于将刀杆(2)所受的镗削力转化为电信号，所述数据采集单元(8)用于采集该电信号，并将其发送至数据处理单元(9)；
所述数据处理单元(9)用于将数据采集单元(8)发来的电信号转化为应变值，根据该应变值计算所述刀杆(2)所受的镗削力，根据所述刀杆(2)所受的镗削力计算所述刀片(3)的尖端所受的镗削力；
在所述刀杆(2)的侧壁上，靠近空腔的位置设置有第五通孔(24)，所述电阻应变片(23)的电信号输出端与应变片数据线(25)的一端连接，所述应变片数据线(25)的另一端依次经第五通孔(24)、第二通孔(18)和第三通孔与数据采集单元(8)相连。
9.如权利要求1至8任意一项所述的智能减振镗杆，其特征在于，所述智能控制器还包括无线传输单元(26)，所述无线传输单元((26)用于在数据处理单元(9)与手持终端之间建立信道；
所述手持终端用于接收经无线传输单元(26)发来的数据处理单元(9)计算出的数据；
所述供电单元(10)还用于为无线传输单元(26)提供工作所需电能。
10.如权利要求1所述的智能减振镗杆的减振控制方法，其特征在于，所述减振控制方法包括以下步骤：
步骤一、将所述智能减振镗杆安装在镗床上，在设置好转速、切深和进给量后，采用工件旋转、所述智能减振镗杆进给、多次走刀的加工方式对工件进行镗削加工；
步骤二、在第一次走刀的过程中，首先，当所述数据处理单元(9)接收到的加速度数据呈周期性变化时，所述数据处理单元(9)通过传动单元控制滑座(5)在空腔内滑动，使其从悬臂梁(7)的另一端移动至悬臂梁(7)的一端；
其次，在滑座(5)从悬臂梁(7)的另一端移动至其一端的过程中，所述数据处理单元(9)根据其接收到的加速度数据计算所述刀片(3)的尖端的加速度数据，并筛选出在该过程中所述刀片(3)的尖端的加速度数据的最小值；
最后，所述数据处理单元(9)确定所述最小值相对应的滑块(5)在空腔中的位置，该位置为滑块(5)的最优位置；
步骤三、所述数据处理单元(9)通过传动单元使滑块(5)滑动至所述最优位置。
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