CN116551011A - 一种内驱动磁吸式主动控制减振镗杆及方法 - Google Patents

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周双双
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韩伟
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Abstract

一种内驱动磁吸式主动控制减振镗杆及方法，属于金属切削加工领域，本发明为解决现有镗杆的悬伸量大，使镗杆在加工中易发生振动，从而影响被加工工件的表面质量问题。本发明包括刀头、悬臂梁、质量块、镗杆、三轴加速度传感器、减振单元和控制单元；镗杆前半段设置有内腔，腔内悬臂梁末端设置质量块和减振单元；减振单元包括四对永磁铁和电磁铁，控制单元独立控制每个电磁铁的通断、大小及方向，使任意组配对的电磁铁与永磁铁相吸或相斥，以形成不同方向减振力；三轴加速度传感器设置在刀头连接件内端面上，用于监测镗杆的振动信息并发送至控制器，控制器根据该信息发送控制指令给减振单元，通过减振单元的吸斥动作产生的减振力来进行镗杆主动减振。

Description

一种内驱动磁吸式主动控制减振镗杆及方法
技术领域
本发明涉及一种主动减振方式的镗杆，属于金属切削加工领域。
背景技术
在金属切削加工中，内孔加工约占加工总量的33％。20世纪以前，深孔加工技术多应用于保密的军工领域，且因加工难度大，加工成本高而闻名于整个制造业。进入21世纪后，随着科学技术的飞速发展，深孔类零件在军用、民用领域得到了广泛的应用，其中多涉及关系国防与民生的军工、航空航天、能源装备等重大领域。在深孔加工中多采用具有大长径比的镗杆进行加工，由于镗杆的悬伸量大，使镗杆在加工中易发生振动，从而影响被加工工件的表面质量。
因此，针对以上不足，需要提供一种具有减振功能的镗杆。
发明内容
针对现有镗杆的悬伸量大，使镗杆在加工中易发生振动，从而影响被加工工件的表面质量问题，本发明提供一种内驱动磁吸式主动控制减振镗杆及方法。
本发明所述一种内驱动磁吸式主动控制减振镗杆，包括刀头1、刀头连接件2、悬臂梁3、质量块6、镗杆7、三轴加速度传感器8、减振单元和控制单元；
镗杆7前半段设置有内腔，内腔前端口通过刀头连接件2封闭，刀头连接件2外端面设置刀头1，刀头连接件2内端面设置悬臂梁3，悬臂梁3活动端设置有质量块6，悬臂梁3设置有减振单元，所述减振单元与质量块6具有工作间隙；
减振单元包括四对永磁铁11和电磁铁，镗杆7内腔表面对称设置四个电磁铁，悬臂梁3沿周向均布四个永磁铁11，每个永磁铁11与一个电磁铁配对工作且存在径向间隙，永磁铁11径向充磁且相邻两个永磁铁11充磁方向相反；控制单元独立控制每个电磁铁的通断、大小及方向，使任意组配对的电磁铁与永磁铁11相吸或相斥，以形成不同方向减振力；
三轴加速度传感器8设置在刀头连接件2内端面上，用于监测镗杆的振动信息并发送至控制器，控制器根据该信息发送控制指令给减振单元，通过减振单元的吸斥动作产生的减振力来进行镗杆主动减振。
优选地，电磁铁由线圈9和铁芯10构成，每个铁芯10绕制一套线圈9，线圈9的两端连接控制单元，控制单元控制输入线圈9中电流的大小和方向。
优选地，镗杆7周向设置一圈四个安装孔，通过螺钉5将铁芯10固定在镗杆7内腔中。
优选地，每个螺钉5配套一个弹簧垫片4。
本发明还提供另一个技术方案：减振方法，基于所述的内驱动磁吸式主动控制减振镗杆实现，该方法包括以下步骤：
S1、三轴加速度传感器8检测到三轴加速度ax、ay、az，根据ax、ay确定径向平面内外部激振力F0的大小和方向，并发送给控制单元；
S2、控制单元生成减振信号，通过向对应电磁铁的线圈9中通入相应大小和方向的电流，以使电磁铁与对应永磁铁11之间产生电磁力F磁：
式中，μ0是真空中的磁导率，N是线圈匝数，I是线圈中的电流强度，L是线圈的长度，μr是永磁铁的相对磁导率，g是永磁铁与线圈的之间的距离，A是永磁铁的表面积；
根据配对永磁铁和电磁铁之间的电磁力F磁获取抵消或减弱外部激振力的减振力F1。
优选地，镗杆包括主系统和子系统，其中主系统为镗杆7，主系统等效质量M1；子系统包括除镗杆7之外的部分，子系统等效质量m2；
步骤S2的过程为：
当外部激振力F0的方向与x轴或y轴在同一条直线时，控制x轴或y轴上的两个电磁铁一吸一斥，其中，令与外部激振力F0的方向一致的电磁铁与永磁铁相吸，令与外部激振力F0的方向相反的电磁铁与永磁铁相斥；使子系统受到与外部激振力F0方向一致的力，进而使主系统受到与外部激振力F0方向相反的减振力F1：F1＝2F磁；
当外部激振力F0的方向与x轴或y轴呈夹角α时，控制靠近外部激振力F0的两个电磁铁与永磁铁相吸，控制远离外部激振力F0的两个电磁铁与永磁铁相斥，使子系统受到与外部激振力F0方向一致的力，进而使主系统受到与外部激振力F0方向相反的减振力F1：
F磁x为x轴上任一电磁铁与永磁铁之间产生的电磁力；F磁y为y轴上任一电磁铁与永磁铁之间产生的电磁力；
优选地，当外部激振力F0的方向与x轴或y轴呈夹角α时，减振力的获取过程为：
首先，根据获取减振力x轴分量Fx与减振力y轴分量Fy的关系为：
其次，减振力F1按下式求取
其中Fx为主系统受到的减振力x轴分量，由x轴上两个电磁铁一吸一斥形成的合力：Fx＝2F磁x；
其中Fy为主系统受到的减振力y轴分量，由y轴上两个电磁铁一吸一斥形成的合力：Fy＝2F磁y；
进而获取减振力为：
本发明的有益效果：本发明给出一种主动式减振镗杆，针对深孔加工过程中悬臂梁的各种运动形式所产生的振动都能进行对应的主动补偿，达到主动减振的目的，解决镗杆由于悬伸量大而振动的缺陷。
附图说明
图1是本发明所述一种内驱动磁吸式主动控制减振镗杆的结构示意图；
图2是图1的局部放大图；
图3是图2的A-A剖视图；
图4是镗杆在加工过程中，悬臂梁可能存在的运动形式，其中图4(a)为悬臂梁上下直线振动，图4(b)为悬臂梁左右直线振动，图4(c)为悬臂梁倾斜直线振动，图4(d)为悬臂梁沿正圆轨迹振动，图4(e)为悬臂梁沿横椭圆轨迹振动，图4(f)为悬臂梁沿纵椭圆轨迹振动，图4(g)为悬臂梁沿倾斜轴椭圆轨迹振动；
图5是实施例1主动减振原理分析，其中图5(a)为外部源振力示意图，图5(b)电磁铁位置示意图，图5(c)为二自由度镗杆等效原理图；
图6是实施例2主动减振原理分析，其中图6(a)为外部源振力示意图，图6(b)电磁铁位置示意图，图6(c)为受力分析原理图；
图7是减振镗杆控制流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种内驱动磁吸式主动控制减振镗杆，包括刀头1、刀头连接件2、悬臂梁3、质量块6、镗杆7、三轴加速度传感器8、减振单元和控制单元；
镗杆7前半段设置有内腔，内腔前端口通过刀头连接件2封闭，刀头连接件2外端面设置刀头1，刀头连接件2内端面设置悬臂梁3，悬臂梁3活动端设置有质量块6，悬臂梁3设置有减振单元，所述减振单元与质量块6具有工作间隙；
减振单元包括四对永磁铁11和电磁铁，镗杆7内腔表面对称设置四个电磁铁，悬臂梁3沿周向均布四个永磁铁11，每个永磁铁11与一个电磁铁配对工作且存在径向间隙，永磁铁11径向充磁且相邻两个永磁铁11充磁方向相反；控制单元独立控制每个电磁铁的通断、大小及方向，使任意组配对的电磁铁与永磁铁11相吸或相斥，以形成不同方向减振力；
三轴加速度传感器8设置在刀头连接件2内端面上，用于监测镗杆的振动信息并发送至控制器，控制器根据该信息发送控制指令给减振单元，通过减振单元的吸斥动作产生的减振力来进行镗杆主动减振。
参见图2，镗杆7周向设置一圈四个安装孔，通过螺钉5将铁芯10固定在镗杆7内腔中。
每个螺钉5配套一个弹簧垫片4。
参见图3，电磁铁由线圈9和铁芯10构成，每个铁芯10绕制一套线圈9，线圈9的两端连接控制单元，控制单元控制输入线圈9中电流的大小和方向。
参见图3，沿周向设置四个电磁铁，每个电磁铁由铁芯线槽10及绕制在其上的线圈9构成，以上面的电磁铁为例(1号电磁铁)，1号电磁铁通电后的NS极为上下方向，通入电流的方向不同，NS极的上下方向不同，其目的是为了与和1号电磁铁对应的永磁体相吸或相斥，和1号电磁铁对应的永磁体的充磁方向为径向，则其充磁后的极性固定(上N下S或上S下N)，其它几个电磁铁分别为2号电磁铁、3号电磁铁和4号电磁铁，与1号电磁铁同理。
参见图4，在镗杆加工过程中，受到外部激振力的作用，内部的悬臂梁会跟随产生振动，其运动形式大概包括7种，如图4(a)～(g)所示，本发明旨在抵消或减弱外部激振力，因此，利用减振单元进行主动减振。
具体实施方式二：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式减振方法，基于实施方式一所述内驱动磁吸式主动控制减振镗杆实现，该方法包括以下步骤：
S1、三轴加速度传感器8检测到三轴加速度ax、ay、az，根据ax、ay确定径向平面内外部激振力F0的大小和方向，并发送给控制单元；
S2、控制单元生成减振信号，通过向对应电磁铁的线圈9中通入相应大小和方向的电流，以使电磁铁与对应永磁铁11之间产生电磁力F磁：
式中，μ0是真空中的磁导率，N是线圈匝数，I是线圈中的电流强度，L是线圈的长度，μr是永磁铁的相对磁导率，g是永磁铁与线圈的之间的距离，A是永磁铁的表面积；
根据配对永磁铁和电磁铁之间的电磁力F磁获取抵消或减弱外部激振力的减振力F1。
求取电磁力F磁：的过程是个通用过程，可以应用于任意一对电磁铁和永磁铁之间，本实施方式通过对四对电磁铁和永磁铁之间产生的电磁力的控制来实现主动减振。
镗杆包括主系统和子系统，其中主系统为镗杆7，主系统等效质量M1；子系统包括除镗杆7之外的部分，子系统等效质量m2；
步骤S2的过程为：
当外部激振力F0的方向与x轴或y轴在同一条直线时，控制x轴或y轴上的两个电磁铁一吸一斥，其中，令与外部激振力F0的方向一致的电磁铁与永磁铁相吸，令与外部激振力F0的方向相反的电磁铁与永磁铁相斥；使子系统受到与外部激振力F0方向一致的力F1'，进而使主系统受到与外部激振力F0方向相反的减振力F1：F1＝2F磁，上下两个电磁铁通入的电流大小相等，产生的电磁力相等，F1和F1'大小相等、方向相反。
当外部激振力F0的方向与x轴或y轴呈夹角α时，控制靠近外部激振力F0的两个电磁铁与永磁铁相吸，控制远离外部激振力F0的两个电磁铁与永磁铁相斥，使子系统受到与外部激振力F0方向一致的力F1'，进而使主系统受到与外部激振力F0方向相反的减振力F1：
F磁x为x轴上任一电磁铁与永磁铁之间产生的电磁力；F磁y为y轴上任一电磁铁与永磁铁之间产生的电磁力。
具体的，参见图5，建立三维坐标系，在径向平面构成x-y轴平面，轴向为z轴，三轴加速度传感器8检测到三轴加速度ax、ay、az，利用的是xy轴的加速度信息ax、ay。
实例1、ax＝0，ay＝-2m/s2，则表明，外部源振力F0的方向为-y轴，大小为M1×ay，控制y轴的两个电磁铁一吸一斥，参见图5(c)，当外部激振力为F0的方向为-y轴时，主系统受到与外部激振力相反的力F1，则子系统受到与主系统大小相等、方向相反的力，为了抵消或减弱外部激振力，子系统应受到与现在方向相反的力，即图5(b)箭头所示，则3号电磁铁与对应的永磁铁相吸，1号电磁铁与永磁铁相斥，F1力的大小尽量接近F0，通过通入电流大小来调节。
实例2、ax＝2m/s2，ay＝2m/s2，则表明，外部源振力F0的方向为与x+、y+呈45度，减振力F1存在关系式/>
其中Fx为主系统受到的减振力x轴分量，由x轴上两个电磁铁一吸一斥形成的合力：Fx＝2F磁x；
其中Fy为主系统受到的减振力y轴分量，由y轴上两个电磁铁一吸一斥形成的合力：Fy＝2F磁y；
进而获取减振力为：
F磁x、F磁y的计算方法与配对电磁铁和永磁体产生的力的计算方法是相同的，也按计算，x轴的两个电磁铁的通入电流大小相同，y轴的两个电磁铁的通入电流大小相同。
本实例中，1号电磁铁和2号电磁铁与对应的永磁铁相吸，3号电磁铁和4号电磁铁与对应的永磁铁相斥。
至于悬臂梁其它运动形式都可以按时间点定义为图4(a)、图4(b)的直线运动或呈角度的图4(c)运动形式，按对应策略加以进行控制。
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它所述实施例中。

Claims (7)

1.一种内驱动磁吸式主动控制减振镗杆，其特征在于，包括刀头(1)、刀头连接件(2)、悬臂梁(3)、质量块(6)、镗杆(7)、三轴加速度传感器(8)、减振单元和控制单元；
镗杆(7)前半段设置有内腔，内腔前端口通过刀头连接件(2)封闭，刀头连接件(2)外端面设置刀头(1)，刀头连接件(2)内端面设置悬臂梁(3)，悬臂梁(3)活动端设置有质量块(6)，悬臂梁(3)设置有减振单元，所述减振单元与质量块(6)具有工作间隙；
减振单元包括四对永磁铁(11)和电磁铁，镗杆(7)内腔表面对称设置四个电磁铁，悬臂梁(3)沿周向均布四个永磁铁(11)，每个永磁铁(11)与一个电磁铁配对工作且存在径向间隙，永磁铁(11)径向充磁且相邻两个永磁铁(11)充磁方向相反；控制单元独立控制每个电磁铁的通断、大小及方向，使任意组配对的电磁铁与永磁铁(11)相吸或相斥，以形成不同方向减振力；
三轴加速度传感器(8)设置在刀头连接件(2)内端面上，用于监测镗杆的振动信息并发送至控制器，控制器根据该信息发送控制指令给减振单元，通过减振单元的吸斥动作产生的减振力来进行镗杆主动减振。
2.根据权利要求1所述一种内驱动磁吸式主动控制减振镗杆，其特征在于，电磁铁由线圈(9)和铁芯(10)构成，每个铁芯(10)绕制一套线圈(9)，线圈(9)的两端连接控制单元，控制单元控制输入线圈(9)中电流的大小和方向。
3.根据权利要求2所述一种内驱动磁吸式主动控制减振镗杆，其特征在于，镗杆(7)周向设置一圈四个安装孔，通过螺钉(5)将铁芯(10)固定在镗杆(7)内腔中。
4.根据权利要求3所述一种内驱动磁吸式主动控制减振镗杆，其特征在于，每个螺钉(5)配套一个弹簧垫片(4)。
5.减振方法，基于权利要求1至4所述的内驱动磁吸式主动控制减振镗杆实现，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、三轴加速度传感器(8)检测到三轴加速度ax、ay、az，根据ax、ay确定径向平面内外部激振力F0的大小和方向，并发送给控制单元；
S2、控制单元生成减振信号，通过向对应电磁铁的线圈(9)中通入相应大小和方向的电流，以使电磁铁与对应永磁铁(11)之间产生电磁力F磁：
式中，μ0是真空中的磁导率，N是线圈匝数，I是线圈中的电流强度，L是线圈的长度，μr是永磁铁的相对磁导率，g是永磁铁与线圈的之间的距离，A是永磁铁的表面积；
根据配对永磁铁和电磁铁之间的电磁力F磁获取抵消或减弱外部激振力的减振力F1。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，镗杆包括主系统和子系统，其中主系统为镗杆(7)，主系统等效质量M1；子系统包括除镗杆(7)之外的部分，子系统等效质量m2；
步骤S2的过程为：
当外部激振力F0的方向与x轴或y轴在同一条直线时，控制x轴或y轴上的两个电磁铁一吸一斥，其中，令与外部激振力F0的方向一致的电磁铁与永磁铁相吸，令与外部激振力F0的方向相反的电磁铁与永磁铁相斥；使子系统受到与外部激振力F0方向一致的力，进而使主系统受到与外部激振力F0方向相反的减振力F1：F1＝2F磁；
当外部激振力F0的方向与x轴或y轴呈夹角α时，控制靠近外部激振力F0的两个电磁铁与永磁铁相吸，控制远离外部激振力F0的两个电磁铁与永磁铁相斥，使子系统受到与外部激振力F0方向一致的力，进而使主系统受到与外部激振力F0方向相反的减振力F1：
F磁x为x轴上任一电磁铁与永磁铁之间产生的电磁力；F磁y为y轴上任一电磁铁与永磁铁之间产生的电磁力。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，当外部激振力F0的方向与x轴或y轴呈夹角α时，减振力的获取过程为：
首先，根据获取减振力x轴分量Fx与减振力y轴分量Fy的关系为：
其次，减振力F1按下式求取
其中Fx为主系统受到的减振力x轴分量，由x轴上两个电磁铁一吸一斥形成的合力：
Fx＝2F磁x；
其中Fy为主系统受到的减振力y轴分量，由y轴上两个电磁铁一吸一斥形成的合力：Fy＝2F磁y；
进而获取减振力为：
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