CN1962138A - 线圈镗杆整体型磁流变液自抑振智能镗杆系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线圈镗杆整体型磁流变液自抑振智能镗杆系统。该发明将镗杆设计成集感知器、控制器与执行器于一体的智能结构形式，利用了磁流变液在外加磁场作用下物理与力学特性能发生改变的特性，在切削颤振发生时，通过调控磁场强度可以达到改变镗杆动态特性的目的，使镗杆的固有频率能及时避开颤振频率区，从而有效地避免镗削过程颤振的发生。该发明对于促进镗削过程颤振抑制技术的进步，保证精密孔镗削加工质量、提高生产效率、延长刀具系统的寿命、降低加工过程的噪声等方面均具有重要的应用价值。

Description

线圈镗杆整体型磁流变液自抑振智能镗杆系统

技术领域

本发明涉及机械镗削装置，尤其涉及一种线圈镗杆整体型磁流变液自抑振智能镗杆系统。

背景技术

机械产品中的精密孔，如发动机的汽缸孔等，往往是机械系统中最关键的部位，因为其加工困难，加工质量很难得到保证，一直是机械加工的难点。如何提高精密孔的加工质量和效率，业已成为机械制造业中亟待解决的重要课题之一。精镗是精密孔加工的一种重要方法，然而精镗过程中发生的颤振往往是造成精密孔加工精度低、表面质量差以及加工效率不高等问题的主要原因。此外，颤振还会加速刀具系统的磨损，产生强噪声并危害操作者的身心健康。为了解决镗削过程的颤振问题，国内外学者已进行了大量的研究工作，其中主要有：[1].在1995年召开的第四届IEEE国际控制应用会议的论文集第868～874页报道了布迪(Budi W.)等人在镗杆内部放置主动控制的电磁吸振器来抑制镗杆的颤振的方法；[2].在1995年6月在美国西雅图召开的ACC会议的论文集第739～743页报道了迈克尔(Michael)等人采用在镗杆内部放置主动控制的压电致动器来抑制镗杆的颤振的方法；[3].在1996年在美国迪尔伯恩召开的IEEE国际控制应用会议的论文集第235～239页报道了基潘(G.Pan)等人采用在镗杆内部放置主动控制的超磁致伸缩致动器来抑制镗杆的颤振的方法；[4].在1997年的《工具技术》杂志第31卷的19～21页报道了李启堂等人将动力吸振器应用于镗杆减振过程，可有效避免加工过程颤震现象的发生的方法；[5].在2002年的《中国机械工程》杂志第13卷的1827～1829和1855页报道了赵永成等人提出在精密孔加工过程中采用挤压液膜阻尼技术，在刀具系统与被加工件之间产生挤压液膜，形成液膜阻尼效应，使镗杆刀具难以起振的方法；[6].在1999年《International Journal of Machine Tools & Manufacture》杂志第39卷的1925～1934页报道了王民等人通过调节施加于电流变材料上的电场强度来改变整个镗杆的动态特性，并借以抑制切削颤振的方法。

针对上述镗杆颤振的控制方法，按照减振方式，可以归纳为三类：(1)被动减振方式。文献[4-5]中镗杆的抑振方式均属于被动减振方式，结构简单，但由于减振器固有频率一般不可调，只适用于扰频基本固定的情况，如果扰频在较大范围内变动，则效果不佳。(2)主动减振方式。文献[1-3]中镗杆的抑振方式均属于主动减振方式，它们能够在不同的工况下，根据传感器的反馈信号，对减振器固有频率进行连续的调节，减振效果优于被动减振方式，但是具有能耗高、成本高、可靠性差等缺点，使得实际生产过程难以推广应用。(3)半主动减振方式。文献[6]中镗杆抑振方式属于半主动减振方式，主要是通过改变减振设备的刚度或阻尼等动态特性参数来改善系统的响应，其减振效果优于被动减振方式，而且同主动减振方式相比又具有能耗低、可靠性高等优点，因此，半主动减振是一种理想的镗杆颤振抑振方式，但由于文献[6]中使用电流变材料，会带来一系列问题：①工作电压高，工作过程需要加载几千伏的高压电(2KV～5KV)；②适用温度范围窄，一般情况为10℃～70℃；③稳定性差，流变过程易受制造和使用中杂质的影响。针对以上问题，本发明提出了一种基于磁流变液的自抑振智能镗杆结构及系统。

磁流变现象由Jacob Rabinow于1948年发现，其简要机理是磁流变材料(Magnetorheological Fluids，简称MRF)在磁场作用下其粘度会随着磁场变化而变化。磁流变材料是一种可控流体，在磁场作用下能产生明显的磁流变效应，可在液态和固态之间进行快速、连续、可逆的转化，实现刚度和阻尼特性参数的无级变化，其力学性能随磁场强度变化的响应时间仅为毫秒量级，远小于一般控制要求的时间。磁流变液材料与文献[6]中使用的电流变材料相比具有以下优点：①工作电压低，一般为2V～15V；②能耗低、成本低；③高出一个数量级的屈服应力；④适应温度范围更宽，一般情况为-40℃～150℃；⑤稳定性好，流变特性受杂志的影响不敏感。磁流变液材料的优良特性引起了减振技术专家的极大兴趣，国内外学者已进行了许多研究，并已将其应用于汽车悬架系统、转子系统等领域的振动控制。但据大量已检索文献，目前国内外采用磁流变液材料进行镗杆抑振的研究报道非常少，相关专利仅有申请人申请的申请号为：200510062179.4，发明名称为“一种基于磁流变液的自抑振智能镗杆构件”，该专利的磁路系统由于采取了线圈壳体结构，磁场利用率较低，结构也相对复杂，而且制造与装配过程也相当繁琐。而本专利采用了线圈镗杆整体结构型式，使得磁场利用率大大提高，整体结构、制造、装配过程更加简单。

发明内容

本发明的目的在于克服上述镗削颤振抑制装置的不足，提供了一种线圈镗杆整体型磁流变液自抑振智能镗杆系统。该发明根据磁流变液材料可在液、固态之间进行快速、连续、可逆转化的特性，设计了一种智能镗杆结构，并将其应用于镗杆动态特性的调节过程，通过调节作用在磁流变液材料上的磁场强度，实时地改变镗杆的动态特性，使镗杆固有频率能及时避开颤振频率区，从而有效地抑制镗削过程颤振发生。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

包括隔磁套、支撑套、励磁线圈、磁流变液、镗杆、端盖和加速度传感器。在镗杆的两个轴肩之间绕有励磁线圈，并在镗杆的底部装入隔磁套，然后整体装入支撑套中；在轴肩和励磁线圈所组成的圆柱实体与支撑套之间形成的环形容腔内装有磁流变液材料，并用端盖进行密封后构成磁流变抑振单元；镗杆悬伸部分的前端面上装有加速度传感器，励磁线圈通过线圈引线，加速度传感器通过导线与控制系统连接。

所述的控制系统：包括A/D模数转换卡，电荷放大器，D/A数模转换卡和功率放大器；固定在镗杆悬伸部分前端面上的加速度传感器的电荷信号输出端与电荷放大器的电荷信号输入端连接，A/D模数转换卡的电压信号输入端与电荷放大器的电压信号输出端连接，通用工业控制计算机与A/D模数转换卡的数字信号输出端通过PCI插槽连接，D/A数模转换卡的数字信号输入端与通用工业控制计算机的PCI插槽连接，功率放大器的电流信号输入端与D/A数模转换卡的电流信号输出端连接，磁流变抑振单元的励磁线圈通过线圈引线与功率放大器的电流信号输出端连接。

本发明具有的有益效果是：

本发明通过调节作用在磁流变液材料上的磁场强度，实时地改变镗杆的动态特性，使镗杆固有频率能及时避开颤振频率区，从而有效地抑制镗削过程颤振发生。它对于促进在镗削过程中颤振的抑制技术的进步，保证精密孔镗削加工质量、提高生产效率、延长刀具系统的寿命、降低加工过程的噪声等方面均具有重要的应用价值。

附图说明

图1线圈镗杆整体型磁流变液自抑振智能镗杆结构示意图；

图2镗杆结构示意图；

图3支撑套结构示意图；

图4隔磁套结构示意图；

图5端盖结构示意图；

图6线圈镗杆整体型磁流变液自抑振智能镗杆系统示意图。

图中：1.隔磁套，2.支撑套，3.励磁线圈，4.线圈引线，5.磁流变液，6.螺钉，7.镗杆，8.端盖，9.螺栓，10.加速度传感器(感知器)，11.电荷放大器，12.模数转换卡(A/D)，13.通用工业控制计算机，14.数模转换卡(D/A)，15.功率放大器，16.磁流变抑振单元(执行器)，17.控制系统(控制器)，18.镗杆装夹部分，19.镗杆悬伸部分。

具体实施方式

如图1～6所示，在镗杆7的装夹部分18加工两个轴肩7.1，并绕置励磁线圈3于两个轴肩7.1之间，使线圈3和轴肩7.1等高形成一个圆柱面。线圈导线通过镗杆轴肩上的通孔7.2与支撑套上的通孔2.3引到外部并与线圈引线4连接。在镗杆7的悬伸部分前端用线切割加工一个方孔7.3用来装夹镗刀。在镗杆7的底端以过盈方式装入隔磁套1，然后将整体固定于支撑套2之中，使绕有励磁线圈3的镗杆7、隔磁套1和支撑套2形成一个刚性体。在支撑套2前端面开有一环形凹槽2.2用来放置密封圈对端盖8和支撑套2进行密封。端盖8和支撑套2通过端盖8外缘的通孔8.1以及支撑套前端的螺纹孔2.1用螺栓9使两者紧固。在端盖8的中心开一通孔8.2，镗杆悬伸部分19由此伸出，并在通孔8.2内开有一个环形凹槽用以安装密封圈。支撑套2的内圆面与线圈3和轴肩7.1所形成圆柱面之间留有厚度为1mm的环形容腔，通过端盖8的两个注液孔8.3对容腔注入磁流变液5，最后用螺钉6密封。这样励磁线圈3产生的磁场将密集在镗杆的两个轴肩7.1处并沿径向穿过内部的磁流变液5，这样就相当于在镗杆7末端增加了一个弹性和阻尼系数可由磁场强度调控的粘弹性弹簧，并通过它来达到改变镗杆动态特性的目的，该结构总成就形成了磁流变抑振单元16(执行器)。在镗杆悬伸部分19的前端面上配置一加速度传感器10，即系统的感知器，其可以在线检测镗杆加工端的振动情况，并将动态特性信息经电荷放大器11后及时反馈给控制系统17(控制器)，然后由控制系统17(控制器)迅速作出控制决策，同时发送控制信号至磁流变抑振单元16(执行器)，达到颤振抑制的目的。

如图3所示，控制系统17(控制器)具体的组成及相互连接关系可描述如下：通用工业控制计算机13的配置为CPU型号为PIII667，内存512M，硬盘30G，自带3个PCI插槽，可以作为数据采集与反馈控制软件的载体；模数转换卡(A/D)12与数模转换卡(D/A)14采用集成卡，型号为APC～1612，其兼有A/D和D/A的功能，12位变换精度，最高采样频率为33KHz，将其插入通用工业控制计算机13的PCI插槽中，其模拟输入端与电荷放大器11的电压输出端连接，模拟输出端与功率放大器15的电流信号输入端相连接；电荷放大器11，选用型号为YE5857，加速度传感器10(感知器)的电荷信号输出端与电荷放大器11的电荷信号输入端连接，这样电荷放大器11的电压输出端将会输出代表加速度信号的电压信号，将该信号接入模数转换卡(A/D)12的模拟输入端；加速度传感器10(感知器)，选用型号为CA-YD-106，通过双头螺钉固定在镗杆悬伸部分19的前端面上，其输出端与电荷放大器11的电荷信号输入端连接；功率放大器15，选用型号为TS5870，其输出功率可达75瓦，响应频率范围为10～10KHz，其电流信号输入端与数模转换卡14的模拟输出端相连，同时其电流信号输出端与磁流变抑振单元16(执行器)的励磁线圈3的线圈引线4连接。

如图6所示，控制系统工作原理可表述如下：首先由镗杆悬伸部分19的前端面上配置的加速度传感器10(感知器)收集镗削加工的即时动态特性信号，然后经过电荷放大器11进行信号放大，接着由模数转换卡12对放大的信号进行A/D转换后输入通用工业控制计算机13；其次由装有数字信号处理软件的通用工业控制计算机13对所采集的信号进行处理并判断此时镗杆7是否有颤振产生或是否即将产生颤振，判断结束后决定解决方案，同时输出控制信号至数模转换卡14进行D/A变换成电流信号，然后通过功率放大器15对电流信号进行功率放大，最后输入至智能镗杆的磁流变抑振单元16(执行器)。磁流变抑振单元16在得到电流信号后，其励磁线圈3就产生相应强度的磁场，当磁场沿径向穿过磁流变液5时，磁流变液5就会发生磁流变效应使其本身特性如表观粘度、杨氏模量等发生改变，最终达到改变镗杆7动态特性的目的，使镗杆7的固有频率能及时避开颤振频率区，从而有效的抑制镗孔过程中镗杆7的颤振发生。

Claims (2)

1、线圈镗杆整体型磁流变液自抑振智能镗杆系统，其特征在于：包括隔磁套(1)、支撑套(2)、励磁线圈(3)、磁流变液(5)、镗杆(7)、端盖(8)和加速度传感器(10)；在镗杆(7)的两个轴肩(7.1)之间绕有励磁线圈(3)，并在镗杆(7)的底部装入隔磁套(1)，然后整体装入支撑套(2)中；在轴肩(7.1)和励磁线圈(3)所组成的圆柱实体与支撑套(2)之间形成的环形容腔内装有磁流变液材料(5)，并用端盖(8)进行密封后构成磁流变抑振单元(16)；镗杆悬伸部分(19)的前端面上装有加速度传感器(10)，励磁线圈(3)通过线圈引线(4)，加速度传感器(10)通过导线与控制系统(17)连接。

2、根据权利要求1所述的线圈镗杆整体型磁流变液自抑振智能镗杆系统，其特征在于所述的控制系统(17)：包括A/D模数转换卡(12)，电荷放大器(11)，D/A数模转换卡(14)和功率放大器(15)；固定在镗杆悬伸部分(19)前端面上的加速度传感器(10)的电荷信号输出端与电荷放大器(11)的电荷信号输入端连接，A/D模数转换卡(12)的电压信号输入端与电荷放大器(11)的电压信号输出端连接，通用工业控制计算机(13)与A/D模数转换卡(12)的数字信号输出端通过PCI插槽连接，D/A数模转换卡(14)的数字信号输入端与通用工业控制计算机(13)的PCI插槽连接，功率放大器(15)的电流信号输入端与D/A数模转换卡(14)的电流信号输出端连接，磁流变抑振单元(16)的励磁线圈(3)通过线圈引线(4)与功率放大器(15)的电流信号输出端连接。

Images