CN110788380A - 适用于镜像铣削机床的动磁式柔性主动支撑及抑振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种适用于镜像铣削机床的动磁式柔性主动支撑及抑振装置，包括壳体结构、动磁式作动器、运动传感器以及超声测厚装置，动磁式作动器、超声测厚装置都安装在壳体结构上，运动传感器的两端分别与壳体结构、动磁式作动器紧固连接，超声测厚装置的周向均匀或非均匀设置有多个动磁式作动器，并且动磁式作动器与相匹配连接的运动传感器同轴布置，其中，动磁式作动器中设置有顶撑头、前输出轴、前动子磁轭、动子永磁体、后动子磁轭、后输出轴构成动磁式作动器中动作组件且动作行程能够根据需求设计，本发明运动行程大，能够适应多种行程的支撑，结构紧凑，集成了壁厚测量、振动测量以及支撑动力输出等功能，应用范围广。

Description

适用于镜像铣削机床的动磁式柔性主动支撑及抑振装置
技术领域
本发明涉及数控机械加工技术领域，具体地，涉及一种适用于镜像铣削机床的动磁式柔性主动支撑及抑振装置。
背景技术
航空航天器蒙皮类零件具有尺度大、结构复杂、薄壁以及大柔性易变性等特点，其加工精度要求高、制造难度大。传统蒙皮加工涉及化铣、成型、数控加工等多个复杂且存在环境污染的环节。蒙皮的镜像铣削加工设备则有效避免了传统制造过程中的化学污染、高能耗、材料浪费等弊端，是新一代精确绿色制造技术。
数控镜像铣削过程的基本过程是采用柔性夹具对蒙皮进行空间定位与装夹，使蒙皮处于竖直“悬挂”状态，然后利用镜像铣削设备所具备的两台五坐标数控加工系统分别控制机床的刀具和背面的支撑装置，刀具与支撑分别处于蒙皮的两面呈“镜像”运动状态形成点对点的随动支撑。支撑装置是镜像铣削加工稳定性的关键，合理的支撑装置可以提高系统刚度，提高加工精度，抑制蒙皮振动，提高蒙皮加工效率与质量。
针对数控镜像铣削设备的支撑装置，目前工业界与学术界提出了多种形式。从支撑的几何形式来区分，一般有单点支撑，多点支撑。从支撑力的类型来区分，一般有气动支撑、弹簧支撑、液体静压支撑等形式。例如专利文献CN104440400A公开了一种具有变形跟踪和壁厚测量功能的镜像铣顶压装置，采用多个气缸气动支撑的定压装置，气缸支撑具有行程大，具有柔性能保证支撑与蒙皮接触贴合的优点，该支撑方式取得了很大成功并量产装备了国产某数控镜像铣削机床。然而，该支撑方式仅能通过气压调节改变支撑力大小，对支撑的力学特性，例如支撑刚度、支撑阻尼等则无法控制，此外气压的调节也慢变的控制，无法根据蒙皮的振动做到实时高速反馈调节；再例如专利文献CN105855602A公开了一种用于飞机蒙皮镜像铣削的液体静压支撑头，通过喷出液体在加工工件与支撑头之间形成一层液膜进而对工件进行作用支撑的方法，该方法可以使得支撑离通过非硬接触作用于蒙皮，从而防止蒙皮划伤，但显而易见，液体静压膜的形成条件决定了其支撑的行程范围在1毫米以内，其必须搭配其他支撑方式以满足工程需要；再例如专利文献CN104668989A公开了一种用于镜像加工的刚柔多点随动支撑头，采用多个弹簧作为推动力的多点支撑方式，有利于增加支撑面积，然而，弹簧作用力是确定的，结构和力学特性均不可调节，也无法针对蒙皮振动施加控制。同时，业界围绕支撑装置进行了多方面的改良，又例如专利文献CN204935125U公开了一种镜像铣切设备顶撑装置，通过在支撑头上增加多层棉织物，防止支撑划伤工件，同时增加支撑阻尼从而减少振动。
由此可见，现有的支撑方式均存在力学特性调节范围小或者不可调的缺陷，并且针对蒙皮振动这一严重影响到加工精度的关键因素，由于其力学特性调节缓慢，基于以上这些原理的镜像铣支撑装置均没有实施振动主动控制的可行性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于镜像铣削机床的动磁式柔性主动支撑及抑振装置。
根据本发明提供的一种适用于镜像铣削机床的动磁式柔性主动支撑及抑振装置，包括壳体结构100、动磁式作动器200、运动传感器300以及超声测厚装置400；
所述动磁式作动器200、超声测厚装置400都安装在壳体结构100上；
所述运动传感器300的数量与动磁式作动器200的数量相匹配；
所述运动传感器300的一端安装在壳体结构100上，所述运动传感器300的另一端与动磁式作动器200紧固连接。
优选地，所述超声测厚装置400的周向均匀或非均匀设置有多个动磁式作动器200。
优选地，所述动磁式作动器200包括前端盖201、定子铁芯202、后端盖203、定子绕组204、顶撑头205、前输出轴206、前动子磁轭207、动子永磁体208、后动子磁轭209、后输出轴210以及锥形弹簧211；
所述定子绕组204的周向设置有定子铁芯202，所述定子绕组204的内部依次设置有前动子磁轭207、动子永磁体208、后动子磁轭209、锥形弹簧211；
所述前端盖201、后端盖203分别设置在定子铁芯202的两端；
所述前输出轴206的一端与前动子磁轭207紧固连接，所述前输出轴206的另一端穿过并延伸至前动子磁轭207的外部与顶撑头205紧固连接；
所述后输出轴210的一端与后动子磁轭209紧固连接，另一端依次穿过锥形弹簧211、后端盖203并延伸至后端盖203的外端。
优选地，所述前输出轴206与前端盖201、后输出轴210与后端盖203之间分别能够沿轴向滑动。
优选地，所述定子绕组204分为两组螺线管且两组螺线管绕线方向相反。
优选地，所述动磁式作动器200为圆柱形结构；
所述锥形弹簧211为圆台形结构；
所述锥形弹簧211从圆台结构的上底到下底的方向刚度依次增大。
优选地，所述动子永磁体208为圆柱形汝铁硼磁体且充磁方向为圆柱体的轴向方向。
优选地，所述前动子磁轭207、后动子磁轭209分别为圆柱形结构；
所述前动子磁轭207、后动子磁轭209的直径大于动子永磁体208的直径。
优选地，所述运动传感器300包括位置传感器、速度传感器、加速度传感器中的任一种或任多种组合。
优选地，所述顶撑头205包括万向滚珠结构、具有自润滑的塑料材料、棉织物复合材料中的任一种。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、动磁式作动器200具有输出力大、功耗低、响应快的特点，能够根据工程需要并结合壁厚测量、运动测量实施对动磁式作动器200的力输出、速度输出或者位移输出的精确高速控制。
2、本发明整个支撑结构紧凑，集成了壁厚测量、振动测量以及支撑作动力输出功能。
3、本发明运动行程能够根据需求进行设计，运动行程能够实现50-100㎜，运动行程大，能够适应多种行程的支撑，应用范围广。
4、通过多个动磁式作动器200与运动传感器300的组合，由于为全电驱动，依据不同控制算法，能够实现支持各通道独立控制、并联控制、串联及混合控制等方式。
5、锥形弹簧211能够提供一部分支撑力，从而减小动磁式作动器200对电磁推力的需求，降低能耗。
6、本发明采用锥形弹簧211可增加支撑系统在电磁支撑失效情况下的可靠性，并且锥形弹簧211在极限压缩情形下占用的体积小，有助于提高整套设备的集成度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图；
图2为动磁式作动器200的外部结构示意图；
图3为动磁式作动器200的截面示意图；
图4为动磁式作动器200的工作原理示意图；
图5为动磁式作动器200的爆炸结构示意图。
图中示出：
Figure BDA0002277312100000041
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种适用于镜像铣削机床的动磁式柔性主动支撑及抑振装置，包括壳体结构100、动磁式作动器200、运动传感器300以及超声测厚装置400，如图1所述，动磁式作动器200、超声测厚装置400都安装在壳体结构100上，运动传感器300的数量与动磁式作动器200的数量相匹配，运动传感器300的一端安装在壳体结构100上，运动传感器300的另一端与动磁式作动器200紧固连接，所述超声测厚装置400的周向均匀或非均匀设置有多个动磁式作动器200，并且动磁式作动器200与相匹配连接的运动传感器300同轴布置，本发明整个支撑结构紧凑，集成了壁厚测量、振动测量以及支撑作动力输出等功能。
具体地，如图2、图3所述，所述动磁式作动器200包括前端盖201、定子铁芯202、后端盖203、定子绕组204、顶撑头205、前输出轴206、前动子磁轭207、动子永磁体208、后动子磁轭209、后输出轴210以及锥形弹簧211，所述定子绕组204的周向设置有定子铁芯202，所述定子绕组204的内部依次设置有前动子磁轭207、动子永磁体208、后动子磁轭209、锥形弹簧211，所述前端盖201、后端盖203分别设置在定子铁芯202的两端，所述前输出轴206的一端与前动子磁轭207紧固连接，所述前输出轴206的另一端穿过并延伸至前动子磁轭207的外部与顶撑头205紧固连接，所述后输出轴210的一端与后动子磁轭209紧固连接，另一端依次穿过锥形弹簧211、后端盖203并延伸至后端盖203的外端；其中，顶撑头205、前输出轴206、前动子磁轭207、动子永磁体208、后动子磁轭209、后输出轴210构成动磁式作动器200中可运动的部分，运动行程可根据需求进行设计，运动行程能够实现50-100㎜，运动行程大，因此本发明能够适应多种行程的支撑，应用范围广。
具体地，如图3、图5所示，所述前输出轴206与前端盖201、后输出轴210与后端盖203之间分别能够沿轴向滑动，所述动子永磁体208为圆柱形汝铁硼磁体且充磁方向为圆柱体的轴向方向，所述前动子磁轭207、后动子磁轭209分别为圆柱形结构，所述前动子磁轭207、后动子磁轭209的直径大于动子永磁体208的直径，所述动磁式作动器200为圆柱形结构。前动子磁轭207、动子永磁体208、后动子磁轭209、定子铁芯202构成磁回路，而定子绕组204处为磁气隙，所述定子绕组204分为两组螺线管且两组螺线管绕线方向相反。动磁式作动器200具有输出力大、功耗低、响应快等特点，可根据工程需要并结合壁厚测量与运动测量，实施对作动器的力输出、速度输出或者位移输出的精确高速控制。
进一步地，通过多个动磁式作动器200与运动传感器300的组合，由于为全电驱动，依据不同控制算法，能够实现支持各通道独立控制、并联控制、串联及混合控制等方式。
具体地，如图3、图5所示，动磁式作动器的后输出轴210上套有锥形弹簧211，通过后动子磁轭209、后输出轴210对锥形弹簧211的预压，所述锥形弹簧211能够提供一部分支撑力，从而减小动磁式作动器200对电磁推力的需求，降低能耗。
进一步地，所述锥形弹簧211为圆台形结构，所述锥形弹簧211从圆台结构的上底到下底的方向刚度依次增大，能够通过对锥形弹簧211预压变形的控制，调节系统的支撑刚度，本发明采用锥形弹簧211可增加支撑系统在电磁支撑失效情况下的可靠性，并且锥形弹簧211在极限压缩情形下占用的体积小，有助于提高整套设备的集成度。
具体地，如图1所示，动磁式作动器200是本发明的关键，由于其线圈固定，运动部件为永磁体故称为“动磁式”，工作原理如下：
如图1、图3、图4所示，磁力线依次经过：动子永磁体208、前动子磁轭207、定子绕组204、定子铁芯202、定子绕组204、后动子磁轭209、动子永磁体208构成磁回路，根据电磁力作用原理，载流定子绕组204受到一致向右的电磁力。根据作用力与反作用力原理，动磁式作动器200动子输出轴将受到向左的电磁力而发生运动改变。同时，在动磁式作动器200的尾部设置有锥形弹簧211。通过输出轴对锥形弹簧211的预压，锥形弹簧211可提供一部分支撑力，从而减小对电磁推力的需求，降低能耗。同时，由于锥形弹簧211的各部分刚度不同的特性，可通过对锥形弹簧211变形的控制，调节系统的支撑刚度特性。
具体地，如图2所示，动磁式作动器200具有前后双输出轴，可沿轴向运动，前输出轴206通过顶撑头205对蒙皮输出支撑力，顶撑头205可以为万向滚珠结构、或者具有自润滑的塑料材料、或者其他棉织物等复合材料。后输出轴210与运动传感器300紧固连接，运动传感器可以为位置传感器、速度传感器或加速度传感器，也可以为这三种传感器的组合形式。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种适用于镜像铣削机床的动磁式柔性主动支撑及抑振装置，其特征在于，包括壳体结构(100)、动磁式作动器(200)、运动传感器(300)以及超声测厚装置(400)；
所述动磁式作动器(200)、超声测厚装置(400)都安装在壳体结构(100)上；
所述运动传感器(300)的数量与动磁式作动器(200)的数量相匹配；
所述运动传感器(300)的一端安装在壳体结构(100)上，所述运动传感器(300)的另一端与动磁式作动器(200)紧固连接。
2.根据权利要求1所述的适用于镜像铣削机床的动磁式柔性主动支撑及抑振装置，其特征在于，所述超声测厚装置(400)的周向均匀或非均匀设置有多个动磁式作动器(200)。
3.根据权利要求2所述的适用于镜像铣削机床的动磁式柔性主动支撑及抑振装置，其特征在于，所述动磁式作动器(200)包括前端盖(201)、定子铁芯(202)、后端盖(203)、定子绕组(204)、顶撑头(205)、前输出轴(206)、前动子磁轭(207)、动子永磁体(208)、后动子磁轭(209)、后输出轴(210)以及锥形弹簧(211)；
所述定子绕组(204)的周向设置有定子铁芯(202)，所述定子绕组(204)的内部依次设置有前动子磁轭(207)、动子永磁体(208)、后动子磁轭(209)、锥形弹簧(211)；
所述前端盖(201)、后端盖(203)分别设置在定子铁芯(202)的两端；
所述前输出轴(206)的一端与前动子磁轭(207)紧固连接，所述前输出轴(206)的另一端穿过并延伸至前动子磁轭(207)的外部与顶撑头(205)紧固连接；
所述后输出轴(210)的一端与后动子磁轭(209)紧固连接，另一端依次穿过锥形弹簧(211)、后端盖(203)并延伸至后端盖(203)的外端。
4.根据权利要求3所述的适用于镜像铣削机床的动磁式柔性主动支撑及抑振装置，其特征在于，所述前输出轴(206)与前端盖(201)、后输出轴(210)与后端盖(203)之间分别能够沿轴向滑动。
5.根据权利要求3所述的适用于镜像铣削机床的动磁式柔性主动支撑及抑振装置，其特征在于，所述定子绕组(204)分为两组螺线管且两组螺线管绕线方向相反。
6.根据权利要求1所述的适用于镜像铣削机床的动磁式柔性主动支撑及抑振装置，其特征在于，所述动磁式作动器(200)为圆柱形结构；
所述锥形弹簧(211)为圆台形结构；
所述锥形弹簧(211)从圆台结构的上底到下底的方向刚度依次增大。
7.根据权利要求1所述的适用于镜像铣削机床的动磁式柔性主动支撑及抑振装置，其特征在于，所述动子永磁体(208)为圆柱形汝铁硼磁体且充磁方向为圆柱体的轴向方向。
8.根据权利要求7所述的适用于镜像铣削机床的动磁式柔性主动支撑及抑振装置，其特征在于，所述前动子磁轭(207)、后动子磁轭(209)分别为圆柱形结构；
所述前动子磁轭(207)、后动子磁轭(209)的直径大于动子永磁体(208)的直径。
9.根据权利要求1所述的适用于镜像铣削机床的动磁式柔性主动支撑及抑振装置，其特征在于，所述运动传感器(300)包括位置传感器、速度传感器、加速度传感器中的任一种或任多种组合。
10.根据权利要求1所述的适用于镜像铣削机床的动磁式柔性主动支撑及抑振装置，其特征在于，所述顶撑头205包括万向滚珠结构、具有自润滑的塑料材料、棉织物复合材料中的任一种。
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