CN113894237B - 自适应冲程式电磁驱动表面微锻装置及应用 - Google Patents

自适应冲程式电磁驱动表面微锻装置及应用 Download PDF

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Abstract

一种自适应冲程式电磁驱动表面微锻装置及应用，包括：机架以及设置于其内的磁场发生装置和动子，该动子包括动子线圈、导向轴、冲击头，磁场发生装置包括磁轭以及设置于其内的永磁体，其中：动子线圈的两端在静止状态下施加恒定电压并产生对动子的安培力以保持在初始位置；当动子线圈的两端上施加带有直流偏置的正弦交变电压时，安培力促使动子往复冲击工件且不与机架内的上限位接触。当冲程发生变化时，装置稳定时的振动状态不发生变化，降低了对运动单元定位精度的要求，通过设置多个冲击结构可以同时对被加工表面进行频率、强度相同的冲击，显著提高加工效率。

Description

自适应冲程式电磁驱动表面微锻装置及应用
技术领域
本发明涉及的是一种表面处理领域的技术，具体是一种自适应冲程式电磁式表面微锻装置及应用。
背景技术
表面微锻技术作为一种新型的表面处理技术，与喷丸等类似技术相比，其冲击结构的运动具有良好的可控性，可以实现对待加工表面进行均匀且等强度的冲击。文献“Friedrich Bleicher,Christoph Lechner,et al.Mechanism of surface modificationusing machine hammer peening technology[J].CIRP Annals,2012,61(1):375-378”介绍了一种电磁式微锻装置，其静止时依靠复位弹簧使其保持在初始位置，增加了装置结构的复杂性；工作时，动子在上限位和工件之间往复振动，对运动单元产生一定的冲击；需要设定好冲程，在加工过程中保持不变以保证冲击强度的均匀，且为了提高冲击频率，一般需要选择较小的冲程，对运动单元的定位精度有较高的要求；同时，该装置一般为一个运动单元装备一个微锻装置进行工作，加工效率较低，加工大尺寸的零件表面耗时较长。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种自适应冲程式电磁驱动表面微锻装置及应用，当冲程发生变化时，装置稳定时的振动状态不发生变化，降低了对运动单元定位精度的要求，通过设置多个冲击结构可以同时对被加工表面进行频率、强度相同的冲击，显著提高加工效率。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种电磁式表面微锻装置，包括：机架以及设置于其内的磁场发生装置和动子，该动子包括动子线圈、导向轴、冲击头，磁场发生装置包括磁轭以及设置于其内的永磁体，其中：动子线圈的两端在静止状态下施加恒定电压并产生对动子的安培力以保持在初始位置；当动子线圈的两端上施加带有直流偏置的正弦交变电压时，安培力促使动子往复冲击工件且不与机架内的上限位接触。
所述的永磁体为辐射充磁永磁环，磁轭一般为软磁材料，可以传输磁力线，两者共同作用，在动子线圈周围产生水平方向磁场，当动子线圈中通入电流，线圈受到安培力作用带动动子沿轴向运动。
所述的自适应冲程式电磁表面微锻装置进一步设有分别与机架以及所述线圈相连的控制模块，该控制模块包括：运动控制单元和交直流电源单元，其中：用于控制装置的整体运动的运动控制单元为与机架相连的机械臂或者机床，交直流电源单元与所述线圈相连并提供不同频率、幅值的带直流偏置的电压输入。
技术效果
本发明整体解决了传统微锻工艺设备结构复杂、对运动单元定位精度要求高、冲击大及单个微锻执行器效率低的问题。
与现有技术相比，本发明以恒定的电磁力代替复位弹簧使动子保持在初始位置，简化了装置的结构。以带有直流偏置的正弦交变电压作为输入电压，依靠电磁力改变冲击方向实现动子往复冲击工件的同时不与上限位发生作用，降低了对运动单元的冲击，同时冲程h不影响动子稳定时的运动状态，降低了对运动平台定位精度的要求；针对单个微锻执行器效率较低的问题，提出了一种单个运动单元带动多个微锻装置的加工方式，多个冲击结构可以同时对被加工表面进行频率、强度相同的冲击，显著提高加工效率。
附图说明
图1为本发明自适应冲程式电磁驱动表面微锻装置示意图；
图2为辐射充磁永磁铁俯视图；
图3和图4为动子运动仿真结果图；
图5为装置运动单元带动微锻装置移动路径示意图；
图6为实施例单个运动单元带动多个微锻装置加工示意图；
图中：1进气口、2机架、3输入电压、4磁轭、5永磁体、6动子线圈、7上限位、8下限位、9导向轴、10直线轴承、11出气口、12冲击头、13冲程、14工件。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及一种电磁式表面微锻装置，包括：机架2以及设置于其内的磁场发生装置和动子，其中：动子包括动子线圈6、导向轴9、冲击头12；磁场发生装置包括磁轭4以及设置于其内的永磁体5。
如图2所示，永磁体5为辐射充磁永磁环，磁轭4一般为软磁材料，可以传输磁力线，两者共同作用，在动子线圈6周围产生水平方向磁场，当动子线圈6中通入电流，线圈受到安培力作用带动动子沿轴向运动。
所述的机架内设有上限位7、下限位8以限定动子位移范围。
所述的机架内设有用于流通冷却气体的进气口1和出气口11。
本实施例涉及上述装置的应用，将其用于表面微锻，具体包括：
步骤1)初始状态下装置静止，当动子线圈中两端施加恒定的初始电压u＝A0，其中：A0＞0，线圈受到恒定竖直向上的安培力作用，即假设电压为正时安培力方向向上，使动子保持与上限位7接触，该位置为装置的初始位置，如图1所示。加工前一般需要将装置置于初始位置以便对冲程等参数进行设置。
步骤2)采用带有直流偏置的正弦交变电压作为输入电压，偏置电压为负，即u＝A1+B1sin(2πft)，其中：A1＜0,B1＞0时，该装置可进入自适应冲程模式。参考文献“FriedrichBleicher,Christoph Lechner,et al.Mechanism of surface modification usingmachine hammer peening technology[J].CIRP Annals,2012,61(1):375-378”，基于Matlab/Simulink模块，对动子运动进行仿真，选用的材料为TC4，装置的设计及工艺参数如表1所示，其中推力常数指动子线圈中通入单位电流(1A)动子所受电磁力大小：
Figure BDA0002570180210000031
仿真结果如图3所示，此工作模式下，动子往复冲击工件，不与上限位发生作用，避免了对运动单元直接的冲击，降低了对运动单元承载能力及刚度的要求。同时，从图3可以看出，当冲程改变时，动子稳定时的运动状态并无差异，因此，该模式下可以降低对运动平台定位精度的要求。
装置能够进入稳定状态的条件是选定的参数匹配，包括电压、频率、冲击头直径、材料性能等，上述参数并不是一一对应的，每个参数均可在一定的范围内取值，保证了工作过程的稳定性。装置的行程为动子从上限位7移动到下限位8的位移大小，若冲程13大于装置行程，则动子在上限位7与下限位8之间往复运动，不与工件发生作用。
基于上述原理，通过机械接口安装在机床或机械臂末端，使该装置沿着预设的轨迹以一定的进给速度v及布局对整个被加工表面进行冲击，如图4所示，实现被加工表面的表面改性。
当工件表面发生连续变化时，冲击结构也会适应工件表面的变化，同样可以对工件产生连续均匀的冲击，仿真结果如图5所示。
基于上述原理提出了一种多个冲击结构同时对表面进行微锻的方法，整个过程仅需一个运动单元，如图6所示，每个冲击结构都会各自适应工件表面的变化，以相同的频率和冲击强度对工件表面进行冲击，可以显著提高加工效率。
综上，本装置通过以恒定的电磁力代替复位弹簧使动子保持在初始位置，简化了装置的结构，以带有直流偏置的正弦交变电压作为输入电压，依靠电磁力改变冲击方向驱动动子往复冲击工件且不与上限位发生作用，降低了对运动单元的冲击，同时冲程h不影响动子稳定时的运动状态，降低了对运动平台定位精度的要求；针对单个微锻执行器效率较低的问题，提出了一种单个运动单元带动多个微锻装置的加工方式，多个冲击结构可以同时对被加工表面进行频率、强度相同的冲击，显著提高加工效率。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种自适应冲程式电磁驱动表面微锻装置，其特征在于，包括：机架以及设置于其内的磁场发生装置和动子，该动子包括动子线圈、导向轴、冲击头，磁场发生装置包括磁轭以及设置于其内的永磁体，其中：动子线圈的两端在静止状态下施加恒定电压并产生对动子的安培力以保持在初始位置；当动子线圈的两端上施加带有直流偏置的正弦交变电压时，安培力促使动子往复冲击工件且不与机架内的上限位接触。
2.根据权利要求1所述的自适应冲程式电磁驱动表面微锻装置，其特征是，所述的永磁体为辐射充磁永磁环，磁轭一般为软磁材料，可以传输磁力线，两者共同作用，在动子线圈周围产生水平方向磁场，当动子线圈中通入电流，线圈受到安培力作用带动动子沿轴向运动。
3.根据权利要求1所述的自适应冲程式电磁驱动表面微锻装置，其特征是，所述的自适应冲程式电磁表面微锻装置进一步设有分别与机架以及所述线圈相连的控制模块，该控制模块包括：运动控制单元和交直流电源单元，其中：用于控制装置的整体运动的运动控制单元为与机架相连的机械臂或者机床，交直流电源单元与所述线圈相连并提供不同频率、幅值的带直流偏置的电压输入。
4.根据权利要求1所述的自适应冲程式电磁驱动表面微锻装置，其特征是，所述的机架内设有所述上限位、下限位以限定动子位移范围。
5.根据权利要求1～4中任一所述的自适应冲程式电磁驱动表面微锻装置，其特征是，所述的机架内设有用于流通冷却气体的进气口和出气口。
6.一种自适应冲程式电磁驱动表面微锻系统，其特征在于，包括若干个并联和/或相对设置的如上述任一权利要求所述的自适应冲程式电磁驱动表面微锻装置。
7.根据上述任一权利要求中所述的自适应冲程式电磁驱动表面微锻装置的表面微锻方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)初始状态下装置静止，当动子线圈中两端施加恒定的初始电压u＝A0，其中：A0＞0，线圈受到恒定竖直向上的安培力作用，即假设电压为正时安培力方向向上，使动子保持与上限位接触，该位置为装置的初始位置；
步骤2)采用带有直流偏置的正弦交变电压作为输入电压，偏置电压为负，即u＝A1+B1sin(2πft)，其中：A1<0,B1>0时，该装置进入自适应冲程模式。
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