CN115507146B - 一种变悬长式消振器及消振方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变悬长式消振器及消振方法，属于机械制造加工振动的检测及消除技术领域，包括：执行模块，其包括振臂，振臂端部与质量块连接，用于消除设备产生的振动能量；驱动模块，其与振臂连接，并可带动振臂伸长或缩回；变阻尼模块，其包括可变阻尼器，可变阻尼器具有可伸长的活塞杆，活塞杆端部与振臂底部抵接；所述执行模块还包括位移传感器以监测振臂的移动距离；所述变阻尼模块还包括力传感器以监测活塞杆和振臂之间的压力；所述执行模块侧部固定设置振动传感器以监测振动信号。该消振器可以解决加工设备振动损坏刀具和设备的问题，适用范围广、成本低、能够有效消除加工设备振动。

Description

一种变悬长式消振器及消振方法

技术领域

本发明属于机械制造加工振动的检测及消除技术领域，具体涉及一种变悬长式消振器及消振方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

随着工业化进程的加快，加工设备(如机床、工业机器人等)被广泛应用在钻孔、铣削、打磨等加工工艺中，并且数量逐年增长。在加工设备进行加工作业时，由于刀具与工件之间存在作用力，会导致加工设备本体及末端执行器产生振动，影响零件加工精度与表面质量。当加工设备的振动非常大时，极易使刀具崩刃，损坏刀具，严重时还会造成机器损坏，危及人们的生命安全。加工设备主要分为串联、并联及混联结构，其具有高灵巧性、运动空间大、成本低等优点。然而，加工设备在加工过程中由于刚度不足，容易产生振动，影响零件的加工精度和表面质量。

目前，消除加工设备振动带来的不良影响主要是通过优化加工设备运动控制算法、改变加工设备的配置和系统结构等直接对加工设备本体进行操作，但这种方式的控制算法复杂，并且改变加工设备的配置和系统结构不仅会增加改造成本，还会限制加工设备灵活性。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种变悬长式消振器及消振方法，该消振器适用范围广、成本低、能够有效消除加工设备振动。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供了一种变悬长式消振器，包括：

执行模块，其包括振臂，振臂端部与质量块连接，用于消除设备产生的振动能量；

驱动模块，其与振臂连接，并可带动振臂伸长或缩回；

变阻尼模块，其包括可变阻尼器，可变阻尼器具有可伸长的活塞杆，活塞杆端部与振臂底部抵接；

所述执行模块还包括位移传感器以监测振臂的移动距离；所述变阻尼模块还包括力传感器以监测活塞杆和振臂之间的压力；所述执行模块侧部固定设置振动传感器以监测振动信号。

作为进一步的技术方案，所述振臂侧部通过导轨滑块与导轨连接，导轨固定于壳体。

作为进一步的技术方案，所述可变阻尼器位于振臂下方，力传感器固定于活塞杆端部。

作为进一步的技术方案，所述活塞杆端部对应于力传感器外侧设置橡胶块。

作为进一步的技术方案，所述变阻尼器固定于可变阻尼器托板，可变阻尼器托板通过支柱和变阻尼模块连接板连接，变阻尼模块连接板固定于执行模块底部。

作为进一步的技术方案，所述驱动模块包括动力源，动力源与丝杠连接，丝杠与丝杠滑块连接，丝杠滑块与振臂固定连接。

第二方面，本发明还提供了一种如上所述的变悬长式消振器的消振方法，包括以下步骤：

将变悬长式消振器安装于机器人末端或加工设备，振动传感器采集振动信号，得出加工过程的振动频率和振动幅值；

在加工过程中，判断振动频率和振动幅值的变化情况；

若振动频率发生变化，驱动模块带动振臂伸长或缩回；

若振动幅值发生变化，可变阻尼器的活塞杆伸长或缩回；

若振动频率和振动幅值同时变化，则在驱动模块带动振臂伸长或缩回的同时，可变阻尼器的活塞杆伸长或缩回。

作为进一步的技术方案，若振动频率增大时，则驱动模块带动振臂缩回。

作为进一步的技术方案，若振动频率减小时，则驱动模块带动振臂伸长。

作为进一步的技术方案，若振动幅值增大时，则可变阻尼器的活塞杆缩回；若振动幅值减小时，则可变阻尼器的活塞杆伸长。

上述本发明的有益效果如下：

本发明的消振器，可安装在加工设备上，驱动模块为执行模块提供动力，通过改变执行模块振臂伸出的长度，以及改变可变阻尼器活塞杆的伸出长度，能够有效消除加工设备在加工过程中产生的振动，仅需通过控制消振器即可实现对加工设备振动的消除，控制算法简单。

本发明的消振器，执行模块可以通过调整振臂的伸出长度可以对消振器的消振频率进行调整，配合振动传感器实时采集加工设备加工振动频率与位移传感器实时采集振臂伸出长度，可以实现消振器的消振频率实时、精准匹配加工设备加工过程中产生的振动频率。

本发明的消振器，变阻尼模块中的压力传感器能够实时获取压力大小，通过调节可变阻尼器压力大小来调节阻尼大小，可以匹配加工设备的不同振动幅值。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明变悬长式消振器整体结构示意图；

图2为本发明变悬长式消振器的驱动模块结构示意图；

图3为本发明变悬长式消振器的执行模块结构示意图；

图4为本发明变悬长式消振器的变阻尼模块结构示意图；

图5为采用本发明变悬长式消振器的消振方法流程图；

图6为本发明实施例1示意图；

图7为本发明实施例2示意图；

图8为未安装本发明的加工设备实际加工振动实验图；

图9为已安装本发明的加工设备实际加工振动实验图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；

其中，1、驱动模块，101、动力源，102、动力源固定板，103、型材，104、丝杠固定板，105、侧板，106、丝杠，107、丝杠滑块，108、连接块，109，联轴器，2、执行模块，201、壳体，202、导轨滑块，203、导轨，204、振臂，205、质量块，206、丝杆，207、螺母，208、位移传感器磁条，209、位移传感器读磁头，210、位移传感器读磁头连接板，3、变阻尼模块，301、变阻尼模块连接板，302、橡胶块，303、力传感器，304、力传感器连接块，305、可变阻尼器，306、支柱，307、可变阻尼器托板，4、振动传感器，1001加工设备，1002变悬长式消振器，1003变悬长式消振器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，提出一种变悬长式消振器，其由驱动模块1、执行模块2、变阻尼模块3和振动传感器4组成，执行模块2通过螺栓安装于驱动模块1的下部，变阻尼模块3通过螺栓安装于执行模块2的下部，振动传感器4通过螺栓安装于执行模块2的外部。

如图2所示，驱动模块1是由动力源101、动力源固定板102、型材103、丝杠固定板104、侧板105、丝杠106、丝杠滑块107、连接块108和联轴器109组成的。

动力源固定板102与丝杠固定板104均通过螺栓安装于型材103长端的两个端部，动力源101通过螺栓安装于动力源固定板102上；侧板105有两个，通过螺栓安装于型材103的两侧；丝杠106与动力源101转轴同轴，一端安装在丝杠固定板104上，另一端通过联轴器109与动力源101转轴连接；丝杠滑块107与丝杠106连接配合，形成滚珠丝杠运动副，连接块108通过螺栓安装于丝杠滑块107的下部。

如图3所示，执行模块2是由壳体201、导轨滑块202、导轨203、振臂204、质量块205、丝杆206、螺母207、位移传感器磁条208、位移传感器读磁头209和位移传感器读磁头连接板210组成的。

导轨滑块202有四个，通过螺栓对称安装于壳体201内部的两侧，每侧两个；导轨203有两个，对称安装于振臂204的两侧，导轨203与导轨滑块202形成移动副配合连接；振臂204顶部加工有螺纹孔，通过螺栓与连接块108连接；质量块205通过丝杆206与螺母207安装在振臂204端部，位移传感器磁条208通过底部的背胶粘贴在壳体201内部的底侧，位移传感器读磁头209通过位移传感器读磁头连接板210安装在振臂204下部。

本实施例中，位移传感器读磁头209和位移传感器磁条208共同构成位移传感器。其中，位移传感器磁条208提供磁化信号，位移传感器读磁头209把记录在磁尺上磁化信号转换为电信号输送到检测电路中，实现位移测量。

振动传感器4固定安装于壳体201的外侧部。

如图4所示，变阻尼模块3是由变阻尼模块连接板301、橡胶块302、力传感器303、力传感器连接块304、可变阻尼器305、支柱306和可变阻尼器托板307组成的。

支柱306的一端为外螺纹，另一端为内螺纹，支柱306外螺纹端通过螺纹连接于变阻尼模块连接板301上，可变阻尼器托板307通过螺栓与支柱306的内螺纹端连接；本实施例中，支柱306设置四个，其连接于可变阻尼器托板307的四个边角处。

可变阻尼器305通过螺栓与可变阻尼器托板307连接，变阻尼模块连接板301设置开口供可变阻尼器305穿过；可变阻尼器305具有可伸长的活塞杆，力传感器连接块304通过螺纹配合安装于可变阻尼器305活塞杆的端部，力传感器303通过螺纹配合安装于力传感器连接块304上，橡胶块302通过底部的背胶粘贴在力传感器303上，消除了振臂变阻尼模块3与执行模块2之间的接触间隙，防止产生噪声影响振动频率。

变阻尼模块连接板301与执行模块2的壳体201底部固定连接，可变阻尼器305位于振臂204下方，且可变阻尼器305朝向振臂204设置，橡胶块302顶部与振臂204底部接触。力传感器303监测可变阻尼器305和振臂204之间的压力。

该消振器还设有控制器，控制器可安装于驱动模块1的侧部，力传感器303、位移传感器和振动传感器4均与控制器通信，将相应数据信号传输给控制器，控制器和处理器通信。

使用时，将变悬长式消振器固定于机器人末端或加工设备1001，振动传感器4采集振动信号，经过处理器进行数据处理得出振动频率和振动幅值；在振动频率发生变化时，驱动模块1中的动力源101带动丝杠滑块107移动进而带动执行模块2的振臂204伸长或缩回；在振动幅值发生变化时，变阻尼模块3的可变阻尼器305的活塞伸长或缩回，进行消振频率与消振幅值的调节。

如图5所示，采用如上所述的变悬长式消振器的消振方法，具体包括如下步骤：

步骤一：将变悬长式消振器固定在地面上，并选取合适质量块205，通过锤击实验测得消振器的振动频率与质量块205的振动幅值，并将其作为初始值录入变悬长式消振器的控制器中；该步骤中，标定初始位置振动频率和幅值，可为后续频率和幅值比较提供依据；

步骤二：将变悬长式消振器安装在机器人末端或加工设备1001上；

步骤三：振动传感器4实时采集加工设备1001振动信号；

步骤四：通过傅里叶变换提取加工设备1001振动频率与振动幅值；振动传感器4采集到加速度信号(m/s²)，并作为输入信号传入傅里叶变换公式，实现振动信号时域到频域的转变，进而得到加工设备1001振动频率与振动幅值；

步骤五：在加工过程中，比较当前时刻设备振动频率与振动幅值和上一时刻设备振动频率与振动幅值，判断是否发生了变化；

步骤六：若振动频率与振动幅值均未变化，表明振臂204位置与可变阻尼器305压力均合适，则无需调节；若振动频率发生变化，执行步骤七至步骤九中的(a)步骤；若振动幅值发生变化，执行步骤七至步骤九中的(b)步骤；若振动频率与振动幅值都发生了变化，则同时执行步骤七至步骤九中的(a)步骤和(b)步骤；

步骤七：(a)处理器计算振臂204位移Δx；

(b)处理器计算可变阻尼器305压力变化量ΔF；

步骤八：(a)动力源101提供动力驱动振臂204移动Δx；

(b)可变阻尼器305活塞调节压力变化ΔF；

步骤九：(a)位移传感器监测振臂204位移信息，并判断实际位移变化量是否达到Δx；若实际位移变化量未达到Δx，则执行步骤八-(a)，继续驱动振臂204移动；若实际位移变化量达到Δx，则执行步骤十；

(b)力传感器303监测可变阻尼器305压力信息，并判断实际压力变化量是否达到ΔF；若实际压力变化量未达到ΔF，则执行步骤八-(b)，继续调节可变阻尼器305压力；若实际压力变化量达到ΔF，则执行步骤十；

步骤十：调节完毕，因为加工设备1001振动频率与振动幅值会随着加工设备1001位姿变化而不断变化，因此返回步骤三采取当前时刻加工设备1001振动信息。

振臂204位移调节与可变阻尼器305压力调节方式为增量式调节方式，位移增量Δx和压力增量ΔF可以是正值，也可以是负值，Δx通过当前时刻振动频率与上一时刻振动频率计算得出，ΔF通过当前时刻振动幅值与上一时刻振动幅值计算得出，Δx与ΔF随着振动频率与振动幅值变化而不断变化，实现了消振频率与消振幅值的实时调节。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。

实施例1：

如图6所示，变悬长式消振器1002安装在加工设备1001上，变悬长式消振器1002的振臂204沿X方向设置，用来抵消Y方向的振动。

在工作时：首先将变悬长式消振器1002安装在加工设备1001上，振动传感器4对加工设备1001加工过程中的振动数据进行采集，并将数据传递至处理器，处理器通过傅里叶变换对数据进行频域分析，提取此时加工设备1001所产生的振动频率与振动幅值，处理器将此时的振动频率与振动幅值与上一时刻加工设备1001的振动频率与振动幅值进行比较，判断是否发生变化。

当加工设备1001产生的振动频率发生变化时，处理器计算振臂204应调节的位移Δx，当前振动频率小于上一时刻振动频率时，Δx为正，表示要调节振臂204位置，使吸振器振动频率降低，此时动力源101转动，通过联轴器109带动丝杠106转动，丝杠滑块107在滚珠丝杠运动副作用下向丝杠固定板104端移动，质量块205与振臂204在连接块108的带动下向外伸出，变悬长式消振器1002的振动频率变低，位移传感器读磁头209与位移传感器磁条208实时监测振臂204伸出位移，判断实际位移变化量是否达到Δx，若实际位移变化量没有达到Δx，则动力源101继续转动，使振臂204继续伸出，当实际位移变化量已经达到Δx，则动力源101停止转动，使振臂204停止伸出，此时表明振臂204位置调节完毕。当前振动频率大于上一时刻振动频率时，Δx为负，表示要调节振臂204位置，使吸振器振动频率提高，此时动力源101转动，通过联轴器109带动丝杠106转动，丝杠滑块107在滚珠丝杠运动副作用下向动力源固定板102端移动，质量块205与振臂204在连接块108的带动下向里缩回，变悬长式消振器1002的振动频率提高，位移传感器读磁头209与位移传感器磁条208实时监测振臂204缩回位移，判断实际位移变化量是否达到Δx，若实际位移变化量没有达到Δx，则动力源101继续转动，使振臂204继续缩回，当实际位移变化量已经达到Δx，则动力源101停止转动，使振臂204停止缩回，此时表明振臂204位置调节完毕。

在判断振动频率变化情况的同时，处理器也对当前时刻振动幅值与前一时刻振动幅值进行比较。当加工设备1001产生的振动幅值发生变化时，处理器计算可变阻尼器305施加力的变化量ΔF，当前振动幅值小于上一时刻振动幅值时，ΔF为负，表示要调节可变阻尼器305压力，使吸振器振动幅值降低，此时可变阻尼器305活塞伸出，橡胶块302与振臂204之间的压力增大，力传感器303实时监测实际力变化量，判断实际力变化量是否达到ΔF，若实际力变化量没有达到ΔF，则可变阻尼器305活塞继续伸出，当实际力变化量已经达到ΔF，则可变阻尼器305活塞停止伸出，此时表明可变阻尼器305施加的力调节完毕。当前振动幅值大于上一时刻振动幅值时，ΔF为正，表示要调节可变阻尼器305压力，使吸振器振动幅值提高，此时可变阻尼器305活塞缩回，橡胶块302与振臂204之间的压力减小，力传感器303实时监测实际力变化量，判断实际力变化量是否达到ΔF，若实际力变化量没有达到ΔF，则可变阻尼器305活塞继续缩回，当实际力变化量已经达到ΔF，则可变阻尼器305活塞停止缩回，此时表明可变阻尼器305施加的力调节完毕。

当加工设备1001产生的振动频率与振动幅值均为发生变化，表明当前振臂204位置与可变阻尼器305施加的力均合适，此时振臂204位置与可变阻尼器305施加的力均不需要调节。

由于加工零件时，加工设备1001位姿并不固定，振动频率与振动幅值会随加工设备1001位姿变化而变化，是时刻变化的物理量，因此振动传感器4会实时监测加工设备1001的振动情况，并不断调节变悬长式消振器1002的振动频率与振动幅值，使变悬长式消振器1002的振动频率与振动幅值与加工设备1001的振动频率与振动幅值相匹配，从而达到消振的目的。

实施例2：

通过在机器人末端执行器或其他加工设备1001特定位置增添变悬长式消振器，可以实现对多方向振动的抵消。

如图7所示，变悬长式消振器1002和变悬长式消振器1003安装在加工设备1001上，变悬长式消振器1002的振臂204沿X方向设置，变悬长式消振器1003的振臂204沿Y方向设置，用来抵消Y方向和X方向的振动。

通过在实际加工实验，验证了本发明变悬长式消振器的有效性。图8为未安装本发明变悬长式消振器的机器人加工时，测得的振动信号的傅里叶变换，其中，横坐标为振动频率，纵坐标为幅值。图9为安装本发明变悬长式消振器的机器人加工时，测得的振动信号的傅里叶变换，其中，横坐标为振动频率，纵坐标为幅值，频率为16.09Hz的振动(图中画圈位置)为当前时刻加工设备1001当前位姿下特有的振动，当加工设备1001位姿发生变化时，该振动频率也会发生变化。通过对比图8与图9，可以明显看到采用本发明变悬长式消振器后，加工设备1001振动得到有效消除，其中，加工设备1001当前位置下特有振动(频率为16.09Hz的振动)的振动幅值由0.08886m/s²降低到了0.0172m/s²，振动消除率为80.6％。此外，本发明的变悬长式消振器对其他频率的振动也有很好的消除作用，经试验统计，振动消除率约为50％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种变悬长式消振器，其特征是，

包括执行模块、驱动模块、变阻尼模块和振动传感器；执行模块通过螺栓安装于驱动模块的下部，变阻尼模块通过螺栓安装于执行模块的下部，振动传感器通过螺栓安装于执行模块的外部；

所述执行模块包括壳体、导轨滑块、导轨、振臂、质量块、丝杆、螺母、位移传感器磁条、位移传感器读磁头和位移传感器读磁头连接板；所述振臂端部与质量块连接，用于消除设备产生的振动能量；

所述驱动模块包括动力源，动力源与丝杠连接，丝杠与丝杠滑块连接，丝杠滑块与振臂固定连接，并可带动振臂伸长或缩回；

所述变阻尼模块包括变阻尼模块连接板、力传感器、力传感器连接块、可变阻尼器、支柱和可变阻尼器托板；其中，变阻尼模块连接板与执行模块的壳体底部固定连接，可变阻尼器位于振臂下方，且可变阻尼器朝向振臂设置；可变阻尼器具有可伸长的活塞杆，活塞杆端部与振臂底部抵接；

所述执行模块的位移传感器用于监测振臂的移动距离；所述变阻尼模块的力传感器用于监测活塞杆和振臂之间的压力；所述执行模块侧部固定设置振动传感器以监测振动信号。

2.如权利要求1所述的变悬长式消振器，其特征是，所述振臂侧部通过导轨滑块与导轨连接，导轨固定于壳体。

3.如权利要求1所述的变悬长式消振器，其特征是，所述可变阻尼器位于振臂下方，力传感器固定于活塞杆端部。

4.如权利要求3所述的变悬长式消振器，其特征是，所述活塞杆端部对应于力传感器外侧设置橡胶块。

5.如权利要求1所述的变悬长式消振器，其特征是，所述变阻尼器固定于可变阻尼器托板，可变阻尼器托板通过支柱和变阻尼模块连接板连接，变阻尼模块连接板固定于执行模块底部。

6.如权利要求1-5任一项所述的变悬长式消振器的消振方法，其特征是，包括以下步骤：

将变悬长式消振器安装于机器人末端或加工设备，振动传感器采集振动信号，得出加工过程的振动频率和振动幅值；

在加工过程中，判断振动频率和振动幅值的变化情况；

若振动频率发生变化，驱动模块带动振臂伸长或缩回；

若振动幅值发生变化，可变阻尼器的活塞杆伸长或缩回；

若振动频率和振动幅值同时变化，则在驱动模块带动振臂伸长或缩回的同时，可变阻尼器的活塞杆伸长或缩回。

7.如权利要求6所述的变悬长式消振器的消振方法，其特征是，若振动频率增大时，则驱动模块带动振臂缩回。

8.如权利要求6所述的变悬长式消振器的消振方法，其特征是，若振动频率减小时，则驱动模块带动振臂伸长。

9.如权利要求6所述的变悬长式消振器的消振方法，其特征是，若振动幅值增大时，则可变阻尼器的活塞杆缩回；若振动幅值减小时，则可变阻尼器的活塞杆伸长。

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