專利名稱：基于磁流變液的自抑振智能鏜桿構(gòu)件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及機械技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于磁流變液的自抑振智能鏜桿構(gòu)件。
背景技術(shù)：
機械產(chǎn)品中的精密孔，如發(fā)動機的汽缸孔等，往往是機械系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部位，因為其加工困難，加工質(zhì)量很難得到保證，一直是機械加工的難點。如何提高精密孔的加工質(zhì)量和效率，業(yè)已成為機械制造業(yè)中亟待解決的重要課題之一。精鏜是精密孔加工的一種重要方法，然而精鏜過程中發(fā)生的顫振往往是造成精密孔加工精度低、表面質(zhì)量差以及加工效率不高等問題的主要原因。此外，顫振還會加速刀具系統(tǒng)的磨損，產(chǎn)生強噪聲并危害操作者的身心健康。為了解決鏜削過程的顫振問題，國內(nèi)外學者都進行了大量的研究工作，其中主要有[1].在1995年召開的第四屆IEEE國際控制應用會議的論文集第868～874頁報道了布迪(Budi W.)等人在鏜桿內(nèi)部放置主動控制的電磁吸振器來抑制鏜桿的顫振的方法；[2].在1995年6月在美國西雅圖召開的ACC會議的論文集第739～743頁報道了邁克爾(Michael)等人采用在鏜桿內(nèi)部放置主動控制的壓電致動器來抑制鏜桿的顫振的方法；[3].在1996年在美國迪爾伯恩召開的IEEE國際控制應用會議的論文集第235～239頁報道了基潘(G.Pan)等人采用在鏜桿內(nèi)部放置主動控制的超磁致伸縮致動器來抑制鏜桿的顫振的方法；[4].在1997年的《工具技術(shù)》雜志第31卷的19～21頁報道了李啟堂等人將動力吸振器應用于鏜桿減振過程，可有效避免加工過程顫震現(xiàn)象的發(fā)生的方法；[5].在2002年的《中國機械工程》雜志第13卷的1827～1829和1855頁報道了趙永成等人提出在精密孔加工過程中采用擠壓液膜阻尼技術(shù)，在刀具系統(tǒng)與被加工件之間產(chǎn)生擠壓液膜，形成液膜阻尼效應，使鏜桿刀具難以起振的方法；[6].在1999年《International Journal of Machine Tools & Manufacture》雜志第39卷的1925～1934頁報道了王民等人通過調(diào)節(jié)施加于電流變材料上的電場強度來改變整個鏜桿的動態(tài)特性，并借以抑制切削顫振的方法。
針對上述鏜桿顫振的控制方法，按照減振方式，可以歸納為三類(1)被動減振方式。文獻[4-5]中鏜桿的抑振方式均屬于被動減振方式，結(jié)構(gòu)簡單，但由于減振器固有頻率一般不可調(diào)，只適用于擾頻基本固定的情況，如果擾頻在較大范圍內(nèi)變動，則效果不佳。(2)主動減振方式。文獻[1-3]中鏜桿的抑振方式均屬于主動減振方式，它們能夠在不同的工況下，根據(jù)傳感器的反饋信號，對減振器固有頻率進行連續(xù)的調(diào)節(jié)，減振效果優(yōu)于被動減振方式，但是具有能耗高、成本高、可靠性差等缺點，使得實際生產(chǎn)過程難以推廣應用。(3)半主動減振方式。文獻[6]中鏜桿抑振方式屬于半主動減振方式，主要是通過改變減振設備的剛度或阻尼等動態(tài)特性參數(shù)來改善系統(tǒng)的響應，其減振效果優(yōu)于被動減振方式，而且同主動減振方式相比又具有能耗低、可靠性高等優(yōu)點，因此，半主動減振是一種理想的鏜桿顫振抑振方式，但由于文獻[6]中使用電流變材料，會帶來一系列問題①工作電壓高，工作過程需要加載幾千伏的高壓電(2KV～5KV)；②適用溫度范圍窄，一般情況為10℃～70℃；③穩(wěn)定性差，流變過程易受制造和使用中雜質(zhì)的影響。針對以上問題，本實用新型提出了一種基于磁流變液的自抑振智能鏜桿結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)。
磁流變現(xiàn)象由Jacob Rabinow于1948年發(fā)現(xiàn)，其簡要機理是磁流變材料(Magnetorheological Fluids，簡稱MRF)在磁場作用下其粘度會隨著磁場變化而變化。磁流變材料是一種可控流體，在磁場作用下能產(chǎn)生明顯的磁流變效應，可在液態(tài)和固態(tài)之間進行快速、連續(xù)、可逆的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)剛度和阻尼特性參數(shù)的無級變化，其力學性能隨磁場強度變化的響應時間僅為毫秒量級，遠小于一般控制要求的時間。磁流變液材料與文獻[6]中使用的電流變材料相比具有以下優(yōu)點①工作電壓低，一般為2V～15V；②能耗低、成本低；③高出一個數(shù)量級的屈服應力；④適應溫度范圍更寬，一般情況為-40℃～150℃；⑤穩(wěn)定性好，流變特性受雜志的影響不敏感。磁流變液材料的優(yōu)良特性引起了減振技術(shù)專家的極大興趣，國內(nèi)外學者已進行了許多研究，并已將其應用于汽車懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)等領(lǐng)域的振動控制。但據(jù)大量已檢索文獻，目前國內(nèi)外還未見有采用磁流變液材料進行鏜桿抑振的研究報道。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服鏜削顫振抑制裝置的不足，本實用新型的目的在于提供一種基于磁流變液的自抑振智能鏜桿構(gòu)件。
本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是它包括鏜桿，加速度傳感器，鏜桿構(gòu)件裝夾部分，鏜桿懸伸部分，密封圈，線圈殼體，勵磁線圈，磁流變液，支撐套，端蓋。鏜桿構(gòu)件裝夾部分的鏜桿上裝有繞制勵磁線圈的線圈殼體；在線圈殼體內(nèi)圓柱孔與鏜桿之間形成貫通的容腔內(nèi)裝有磁流變液，容腔兩端分別用密封圈密封；在線圈殼體外部裝有支撐套，并在支撐套的前端裝上端蓋；以上結(jié)構(gòu)構(gòu)成磁流變抑振執(zhí)行器；鏜桿懸伸部分的前端面上裝有加速度傳感器，加速度傳感器接控制系統(tǒng)的電荷放大器，勵磁線圈接控制系統(tǒng)的功率放大器。
所述的控制系統(tǒng)包括電荷放大器，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換卡，D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換卡和功率放大器。固定在鏜桿懸伸部分前端面上的加速度傳感器(3)的輸出端與電荷放大器的輸入端連接，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的輸入端與電荷放大器的輸出端連接，通用工業(yè)控制計算機與A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換卡的輸出端通過PCI插槽連接，D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換卡的輸入端與通用工業(yè)控制計算機的PCI插槽連接，功率放大器的輸入端與D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換卡的輸出端連接，磁流變抑振執(zhí)行器的勵磁線圈輸入端與功率放大器的輸出端連接。
本實用新型具有的有益效果是該發(fā)明提出了一種集信號傳感、調(diào)理、分析處理及反饋控制于一體的自抑振智能鏜桿構(gòu)件的鏜削顫振抑制方法。根據(jù)磁流變液材料可在液、固態(tài)之間進行快速、連續(xù)、可逆轉(zhuǎn)化的特性，將其應用于鏜桿動態(tài)特性的調(diào)節(jié)過程，通過調(diào)節(jié)作用在磁流變液材料上的磁場強度，實時地改變鏜桿的動態(tài)特性，使鏜桿固有頻率能及時避開顫振頻率區(qū)，從而有效地抑制鏜削過程顫振發(fā)生。該發(fā)明促進了在鏜削過程中顫振的抑制技術(shù)的進步，保證精密孔鏜削加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、延長刀具系統(tǒng)的壽命、降低加工過程的噪聲等方面均具有重要的應用價值。


圖1基于磁流變液的自抑振智能鏜桿構(gòu)件結(jié)構(gòu)示意圖；圖2磁流變抑振執(zhí)行器局部放大圖；圖3基于磁流變液的自抑振智能鏜桿系統(tǒng)示意圖。
圖中1.磁流變抑振執(zhí)行器，2.鏜桿，3.加速度傳感器(感知器)，4.鏜桿裝夾部分，5.鏜桿懸伸部分，6.密封圈，7.線圈殼體，8.勵磁線圈，9.磁流變液，10.支撐套，11.端蓋，12.電荷放大器，13.A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換卡，14.通用工業(yè)控制計算機，15.D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換卡，16.功率放大器，17.控制系統(tǒng)。
具體實施方式
如圖1、圖2、圖3所示，本實用新型它包括鏜桿2，加速度傳感器3，鏜桿構(gòu)件裝夾部分4，鏜桿懸伸部分5，密封圈6，線圈殼體7，勵磁線圈8，磁流變液9，支撐套10，端蓋11。鏜桿構(gòu)件裝夾部分4的鏜桿上裝有繞制勵磁線圈8的線圈殼體7；在線圈殼體7內(nèi)圓柱孔與鏜桿2之間形成貫通的容腔內(nèi)裝有磁流變液9，容腔兩端分別用密封圈6密封；在線圈殼體7外部裝有支撐套10，并在支撐套10的前端裝上端蓋11；以上結(jié)構(gòu)構(gòu)成磁流變抑振執(zhí)行器1；鏜桿懸伸部分5的前端面上裝有加速度傳感器3，加速度傳感器3接控制系統(tǒng)17的電荷放大器，勵磁線圈8接控制系統(tǒng)17的功率放大器16。
如圖3所示，所述的控制系統(tǒng)17包括電荷放大器12，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換卡13，D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換卡15和功率放大器16；固定在鏜桿懸伸部分5前端面上的加速度傳感器3的電荷信號輸出端與電荷放大器12的電荷信號輸入端連接，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換卡13的電壓信號輸入端與電荷放大器12的電壓信號輸出端連接，通用工業(yè)控制計算機14與A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換卡13的數(shù)字信號輸出端通過PCI插槽連接，D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換卡15的數(shù)字信號輸入端與通用工業(yè)控制計算機14的PCI插槽連接，功率放大器16的電流信號輸入端與D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換卡15的電流信號輸出端連接，磁流變抑振執(zhí)行器1的勵磁線圈8輸入端與功率放大器16的電流信號輸出端連接。
如圖1、圖2、圖3所示，在鏜桿構(gòu)件裝夾部分4裝入內(nèi)徑比鏜桿2直徑大4mm的線圈殼體7，使線圈殼體7與鏜桿2之間形成一個厚度為2mm的貫穿空腔環(huán)，在該空腔環(huán)內(nèi)注入磁流變液9。在磁流變液9外圍的線圈殼體7上布置若干組勵磁線圈8，這樣使由勵磁線圈8產(chǎn)生的磁場沿徑向分布并穿過內(nèi)部的磁流變液9，這樣就相當于在鏜桿2末端增加了一個彈性和阻尼系數(shù)可由磁場強度調(diào)控的粘彈性彈簧，并通過它來達到改變鏜桿動態(tài)特性的目的，該結(jié)構(gòu)總成就形成了磁流變抑振執(zhí)行器1。在鏜桿懸伸部分4的前端面上配置一加速度傳感器3，即系統(tǒng)的感知器，其可以在線檢測鏜桿加工端的振動情況，并將動態(tài)特性信息經(jīng)電荷放大器12后及時反饋給控制系統(tǒng)17，然后由控制系統(tǒng)17迅速作出控制決策，同時發(fā)送控制信號至磁流變抑振執(zhí)行器1，達到顫振抑制的目的。
如圖3所示，控制系統(tǒng)17具體的組成及相互連接關(guān)系可描述如下通用工業(yè)控制計算機14的配置為CPU型號為PIII667，內(nèi)存512M，硬盤30G，自帶3個PCI插槽，可以作為數(shù)據(jù)采集與反饋控制軟件的載體；模數(shù)轉(zhuǎn)換卡(A/D)13與數(shù)模轉(zhuǎn)換卡(D/A)15采用集成卡，型號為APC～1612，其兼有A/D和D/A的功能，12位變換精度，最高采樣頻率為33KHz，將其插入通用工業(yè)控制計算機14的PCI插槽中，其模擬輸入端與電荷放大器12的電壓輸出端連接，模擬輸出端與功率放大器12的電流信號輸入端相連接；電荷放大器12，選用型號為YE5857，加速度傳感器3(感知器)的電荷信號輸出端與電荷放大器12的電荷信號輸入端連接，這樣電荷放大器12的電壓輸出端將會輸出代表加速度信號的電壓信號，將該信號接入模數(shù)轉(zhuǎn)換卡(A/D)13的模擬輸入端；加速度傳感器3(感知器)，選用型號為CA-YD-106，通過雙頭螺釘固定在鏜桿懸伸部分4的前端面上，其輸出端與電荷放大器12的電荷信號輸入端連接；功率放大器12，選用型號為TS5870，其輸出功率可達75瓦，響應頻率范圍為10～10KHz，其電流信號輸入端與數(shù)模轉(zhuǎn)換卡15的模擬輸出端相連，同時其電流信號輸出端與磁流變抑振執(zhí)行器1的勵磁線圈8連接。
如圖3所示，控制系統(tǒng)工作原理可表述如下首先由鏜桿懸伸部分5的前端面上配置的加速度傳感器3(感知器)收集鏜削加工的即時動態(tài)特性信號，然后經(jīng)過電荷放大器12進行信號放大，接著由模數(shù)轉(zhuǎn)換卡13對放大的信號進行A/D轉(zhuǎn)換后輸入通用工業(yè)控制計算機14；其次由裝有數(shù)字信號處理軟件的通用工業(yè)控制計算機14對所采集的信號進行處理并判斷此時鏜桿2是否有顫振產(chǎn)生或是否即將產(chǎn)生顫振，判斷結(jié)束后決定解決方案，同時輸出控制信號至數(shù)模轉(zhuǎn)換卡15進行D/A變換成電流信號，然后通過功率放大器16對電流信號進行功率放大，最后輸入至智能鏜桿的磁流變抑振執(zhí)行器1。磁流變抑振執(zhí)行器1在得到電流信號后，其線圈殼體7上的勵磁線圈8就產(chǎn)生相應強度的磁場，當磁場沿徑向穿過磁流變液9時，磁流變液9就會發(fā)生磁流變效應使其本身特性如表觀粘度、楊氏模量等發(fā)生改變，最終達到改變鏜桿2動態(tài)特性的目的，使鏜桿2的固有頻率能及時避開顫振頻率區(qū)，從而有效的抑制鏜孔過程中鏜桿2的顫振發(fā)生。
權(quán)利要求1.基于磁流變液的自抑振智能鏜桿構(gòu)件，其特征在于它包括鏜桿(2)，加速度傳感器(3)，鏜桿構(gòu)件裝夾部分(4)，鏜桿懸伸部分(5)，密封圈(6)，線圈殼體(7)，勵磁線圈(8)，磁流變液(9)，支撐套(10)，端蓋(11)；鏜桿構(gòu)件裝夾部分(4)的鏜桿上裝有繞制勵磁線圈(8)的線圈殼體(7)；在線圈殼體(7)內(nèi)圓柱孔與鏜桿(2)之間形成貫通的容腔內(nèi)裝有磁流變液(9)，容腔兩端分別用密封圈(6)密封；在線圈殼體(7)外部裝有支撐套(10)，并在支撐套(10)的前端裝上端蓋(11)；以上結(jié)構(gòu)構(gòu)成磁流變抑振執(zhí)行器(1)；鏜桿懸伸部分(5)的前端面上裝有加速度傳感器(3)，加速度傳感器(3)接控制系統(tǒng)(17)的電荷放大器，勵磁線圈(8)接控制系統(tǒng)(17)的功率放大器(16)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流變液的自抑振智能鏜桿構(gòu)件，其特征在于所述的控制系統(tǒng)(17)包括電荷放大器(12)，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換卡(13)，D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換卡(15)和功率放大器(16)；固定在鏜桿懸伸部分(5)前端面上的加速度傳感器(3)的輸出端與電荷放大器(12)的輸入端連接，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換卡(13)的輸入端與電荷放大器(12)的輸出端連接，通用工業(yè)控制計算機(14)與A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換卡(13)的輸出端通過PCI插槽連接，D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換卡(15)的輸入端與通用工業(yè)控制計算機(14)的PCI插槽連接，功率放大器(16)的輸入端與D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換卡(15)的輸出端連接，磁流變抑振執(zhí)行器(1)的勵磁線圈(8)輸入端與功率放大器(16)的輸出端連接。
專利摘要本實用新型公開了一種基于磁流變液的自抑振智能鏜桿構(gòu)件。在鏜桿上裝有磁流變抑振執(zhí)行器，鏜桿懸伸部分的前端面上裝有加速度傳感器，加速度傳感器接控制系統(tǒng)的電荷放大器，勵磁線圈接控制系統(tǒng)的功率放大器。本實用新型提出了一種集信號傳感、調(diào)理、分析處理及反饋控制于一體的自抑振智能鏜桿構(gòu)件的鏜削顫振抑制新方法。根據(jù)磁流變液材料可在液、固態(tài)之間進行快速、連續(xù)、可逆轉(zhuǎn)化的特性，將其應用于鏜桿動態(tài)特性的調(diào)節(jié)過程，通過調(diào)節(jié)作用在磁流變液材料上的磁場強度，實時地改變鏜桿的動態(tài)特性，使鏜桿固有頻率能及時避開顫振頻率區(qū)，從而有效地抑制鏜削過程顫振發(fā)生。
文檔編號B23B47/26GK2845980SQ200520117488
公開日2006年12月13日 申請日期2005年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月23日
發(fā)明者梅德慶, 孔天榮, 李欣 申請人:浙江大學