一種車削設備的主動減振裝置及減振控制方法
2023-10-28 22:09:07 1
專利名稱：一種車削設備的主動減振裝置及減振控制方法
技術領域：
本發明涉及一種車削設備的減振裝置，尤其是涉及一種車削設備的主動減振裝置及減振控制方法。
背景技術：
在車床切削加工過程中，主要有三類振動源影響車床的加工精度，它們分別是外界的隨機幹擾、工件對刀具模塊的作用力、減振裝置本身的自激，目前控制切削振動的方法主要方法包括被動控制法和主動控制法。被動控制法作為傳統的振動控制方式，主要是通過在系統中加入吸振部件來達到控制切削振動的目的，如通過使用參數固定的彈簧和阻尼來隔離振動源對機械加工裝置產生的振動，從而控制或減少振動帶來的影響；這種方法結構簡單、工作可靠，已廣泛應用於工程中，但是缺點是減振器一經設計加工後，各項性能參數就不易改變，在高頻階段有比較理想的效果，但在中低頻階段振動控制效果一般；而主動控制法則是根據反饋控制的原理，通過測出系統的某一狀態量的變動，然後將與其變化量同頻率、同幅度但反相的控制量加到這個狀態量本身或作相應變動後加到別的狀態量上。
近年來國內外的學者開始關注在切削振動中採用主動減振的方式來實現振動控制，這種方法可以通過執行器直接對受控對象施加可以控制的作用力，從而有針對性地抵消由振源引起的受控對象的振動響應，達到減小受控對象振動幅值的目的。但是目前的主動減振裝置普遍存在著控制精度不夠精確的問題，由此也造成了車削加工的精度不夠理想。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種能夠提高車削精度的車削設備的主動減振裝置及減振控制方法。
本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為一種車削設備的主動減振裝置，包括刀架、固定有刀具的刀夾、振動傳感器、執行器和控制器，所述的刀架的頭部設置有刀夾固定座，所述的刀夾固定設置在所述的刀夾固定座上，所述的刀架的尾部設置有空腔，所述的執行器設置在所述的空腔內，所述的執行器上設置有與所述的刀夾相互連接的輸出杆，所述的振動傳感器設置在所述的刀夾上，所述的控制器與所述的振動傳感器和所述的執行器電連接，所述的振動傳感器是高精度振動傳感器，所述的執行器是超磁致伸縮執行器，所述的刀夾固定座設置有柔性鉸鏈結構。
所述的柔性鉸鏈結構包括減振槽和與所述的減振槽並行設置的減重孔，所述的刀夾固定座的前端面與所述的刀夾固定座的下端面之間呈一半徑為18mm-22mm的外圓角，所述的減振槽的底部為半徑7mm-8mm的半圓槽，所述的減振槽的底端與所述的刀夾固定座的下端面之間的距離為18mm-22mm，所述的減重孔的寬度為14mm-16mm，所述的減重孔與所述的減振槽之間的壁厚為13mm-15mm。
為了獲得理想的迴轉剛度值和最小的工作應力，所述的刀夾固定座的前端面與所述的刀夾固定座的下端面之間的外圓角半徑最好為20mm，所述的減振槽底部的半圓槽半徑最好為7.5mm，所述的減振槽的底端與所述的刀夾固定座的下端面之間的距離最好為20mm，所述的減重孔的寬度最好為15mm，所述的減重孔與所述的減振槽之間的壁厚最好為14mm。
所述的超磁致伸縮執行器包括外套，所述的外套中設置有電磁驅動裝置和與所述的刀夾固定連接的機械傳動裝置，所述的外套的兩端分別設置有底座和擰緊螺母，所述的電磁驅動裝置和所述的機械傳動裝置之間設置有分隔板，所述的電磁驅動裝置設置在所述的分隔板與所述的底座之間，所述的機械傳動裝置設置在所述的擰緊螺母與所述的分隔板之間，所述的分隔板上設置有連接孔，所述的電磁驅動裝置與所述的機械傳動裝置通過所述的連接孔相互連接。
所述的電磁驅動裝置包括骨架和線圈，所述的骨架設置有軸向通孔，所述的軸向通孔內設置有磁致伸縮棒，所述的機械傳動裝置包括輸出杆，所述的輸出杆的尾部穿過所述的連接孔與所述的磁致伸縮棒頂接，所述的輸出杆的另一端穿過所述的擰緊螺母與所述的刀夾固定連接，所述的輸出杆上同軸套設有預壓彈簧，所述的輸出杆上設置有彈簧支承凸圓，所述的預壓彈簧設置在所述的擰緊螺母和所述的彈簧支承凸圓之間。
所述的輸出杆前端設置有緊頂螺母，所述的輸出杆通過所述的緊頂螺母與所述的刀夾固定連接。
上述車削設備的主動減振裝置的減振控制方法，所述的控制器採用基於免疫響應理論模型的免疫控制方法，其中把系統振動時的位移偏差定義為抗原，把所述的控制器的控制輸出信號定義為抗體，所述的抗原和所述的抗體之間的關係為u(k)=e(k)22+e(k)2-Ks{1-e-[u(k-k)]2a}e(k)]]>其中e(k)表示採樣時刻的抗原值，u(k)表示對應採樣時刻的抗體值。
與現有技術相比，本發明的優點在於可以在5～300r/min的轉速範圍內對車削振動起到有效的減振作用，對切削振動的控制響應時間在0.1s以內，能夠使切削振動幅度衰減10分貝以上，應用在車床切削振動控制系統中，能夠顯著提高切削的加工精度；設置刀夾固定座的前端面與刀夾固定座的下端面之間的外圓角半徑為20mm，減振槽底部的半圓槽半徑為7.5mm，減振槽的底端與刀夾固定座的下端面之間的距離為20mm，減重孔的寬度為15mm，減重孔與減振槽之間的壁厚為14mm，能夠獲得最接近理想值的迴轉剛度值和最小的工作應力。
圖1為本發明的刀架的模型示意圖；圖2為本發明的整體的模型示意圖；圖3為本發明的刀架的剖面結構示意圖；圖4為本發明的超磁致伸縮執行器的結構示意圖；圖5為本發明的工作原理圖；圖6為本發明的刀架的有限元模型的函數關係圖。
具體實施例方式
以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。
實施例一如圖所示，一種車削設備的主動減振裝置，包括高精度振動傳感器1、控制器2、超磁致伸縮執行器(GMA)3和刀架4，刀架4頭部設置有刀夾固定座5，刀夾8固定設置在刀夾固定座5上，刀具6與刀夾8用螺母7固定，刀架4的尾部設置有圓槽9，超磁致伸縮執行器3設置在由圓槽9與半圓柱形槽蓋10所形成的空腔中，刀夾固定座5上設置有減振槽52和與減振槽52並行減重孔51，刀夾固定座5的前端面與刀夾固定座5的下端面之間呈一半徑R1＝20mm的外圓角，減振槽52的底部為半徑R2＝7.5mm的半圓槽，減振槽52的底端與刀夾固定座5的下端面之間的距離D＝20mm，減重孔51的寬度B＝15mm，減重孔51與減振槽52之間的壁厚H＝14mm；振動傳感器1設置在刀夾8上，控制器2與振動傳感器1和超磁致伸縮執行器3電連接。
如圖4所示，超磁致伸縮執行器3包括外套17，外套17的兩端分別設置有底座14和擰緊螺母22，外套17的內腔中設置有分隔板24，分隔板24與底座14之間設置有骨架16，骨架16外繞有線圈19，骨架16與底座14之間設置有橡膠圈15，骨架16設置有軸向通孔，軸向通孔內設置有磁致伸縮棒18，分隔板24與擰緊螺母22之間設置有輸出杆20，輸出杆20上套有預壓彈簧21，輸出杆20的尾部穿過分隔板24上的連接孔與磁致伸縮棒18頂接，輸出杆20的另一端穿過擰緊螺母22，並通過設置在輸出杆20的前端的緊頂螺母23刀夾8固定連接，輸出杆20上設置有彈簧支承凸圓25，預壓彈簧21設置在擰緊螺母22和彈簧支承凸圓25之間。
如圖5所示，主動減振裝置的工作原理是在工件26加工時，工件26與刀具6發生接觸引起振動，導致工件26與刀具6之間的位移發生改變，固定在刀夾8上的振動傳感器1可以測得刀具6的振動量，控制器2在接收振動傳感器1的振動信號後，輸出控制信號給超磁致伸縮執行器3以合適的驅動電壓，使得超磁致伸縮執行器3通過固定在刀夾8上的輸出杆20給刀具6一個與振動方向相反的作用力，以抑制刀具6的振動幅度，達到控制切削振動提高加工精度的目的。
上述實施例中，控制器採用了一種基於免疫響應理論模型的免疫控制方法，其中把系統振動時的位移偏差定義為抗原，把控制器的控制輸出信號定義為抗體，所述的抗原和所述的抗體之間的關係用公式表示為u(k)=e(k)22+e(k)2-Ks{1-e-[u(k-k)]2a}e(k)]]>其中e(k)表示某個採樣時刻的抗原值，u(k)表示對應採樣時刻的抗體值。
該免疫控制方法的工作原理是在免疫響應理論模型中，振動時的位移偏差被視為系統的某種外部幹擾，控制輸出信號則被視為是為響應位移偏差而產生的清除幹擾的控制輸出。免疫響應是一種基於T細胞反饋調節作用的免役機理，在免疫響應的不同階段T細胞的作用是不同的，具體過程是在免疫響應的初期，位移偏差濃度大而控制輸出信號濃度小，T細胞便激發產生控制輸出信號，控制輸出信號將逐漸清除位移偏差，響應過程受到促進；在免疫響應的後期，位移偏差濃度小而控制輸出信號濃度大，T細胞便抑制控制輸出信號的產生，響應過程受到抑制，以保證免疫系統的穩定性，在免疫響應的末期，位移偏差濃度和控制輸出信號濃度都很小，達到免疫的穩定階段，免疫響應結束。
下面針對不同的R2、D對應的不同刀架迴轉剛度K作分析比較，首先通過經驗公式FZ＝1610apf0.84N，其中取切削深度ap＝3mm，進給量f＝0.1mm/r，可得到徑向切削力FZ為650N，設計時希望在此切削力作用下，刀架在力的作用線發生20μm的微位移，計算得出設計剛度值K0＝650N/20μm＝32.5×103N/mm；然後利用有限元分析軟體分別建立刀架的有限元模型，計算出不同(R2、D)對應模型的刀架的迴轉剛度K(R2，D)，再構造函數F＝-|K(R2，D)-K0|，該函數與(R2、D)的關係如附圖6，由圖可以看出R2＝7.5mm，D＝20mm時，F具有最大值，即該點刀架的迴轉剛度K與設計剛度K0相差最小，從而達到了理想的迴轉剛度。
實施例二其它同實施例一，不同之處在於刀夾固定座5的前端面與刀夾固定座5的下端面之間呈一半徑R1＝18mm的外圓角，減振槽52的底部為半徑R2＝7mm的半圓槽，減振槽52的底端與刀夾固定座5的下端面之間的距離D＝18mm，減重孔51的寬度B＝14mm，減重孔51與減振槽52之間的壁厚H＝15mm。
實施例三其它同實施例一，不同之處在於刀夾固定座5的前端面與刀夾固定座5的下端面之間呈一半徑R1＝22mm的外圓角，減振槽52的底部為半徑R2＝8mm的半圓槽，減振槽52的底端與刀夾固定座5的下端面之間的距離D＝22mm，減重孔51的寬度B＝16mm，減重孔51與減振槽52之間的壁厚H＝13mm。
權利要求
1.一種車削設備的主動減振裝置，包括刀架、固定有刀具的刀夾、振動傳感器、執行器和控制器，所述的刀架的頭部設置有刀夾固定座，所述的刀夾固定設置在所述的刀夾固定座上，所述的刀架的尾部設置有空腔，所述的執行器設置在所述的空腔內，所述的執行器上設置有與所述的刀夾相互連接的輸出杆，所述的振動傳感器設置在所述的刀夾上，所述的控制器與所述的振動傳感器和所述的執行器電連接，其特徵在於所述的振動傳感器是高精度振動傳感器，所述的執行器是超磁致伸縮執行器，所述的刀夾固定座設置有柔性鉸鏈結構。
2.如權利要求1所述的一種車削設備的主動減振裝置，其特徵在於所述的柔性鉸鏈結構包括減振槽和與所述的減振槽並行設置的減重孔，所述的刀夾固定座的前端面與所述的刀夾固定座的下端面之間呈一半徑為18mm-22mm的外圓角，所述的減振槽的底部為半徑7mm-8mm的半圓槽，所述的減振槽的底端與所述的刀夾固定座的下端面之間的距離為18mm-22mm，所述的減重孔的寬度為14mm-16mm，所述的減重孔與所述的減振槽之間的壁厚為13mm-15mm。
3.如權利要求2所述的一種車削設備的主動減振裝置，其特徵在於所述的刀夾固定座的前端面與所述的刀夾固定座的下端面之間的外圓角半徑為20mm，所述的減振槽底部的半圓槽半徑為7.5mm，所述的減振槽的底端與所述的刀夾固定座的下端面之間的距離為20mm，所述的減重孔的寬度為15mm，所述的減重孔與所述的減振槽之間的壁厚為14mm。
4.如權利要求1所述的一種車削設備的主動減振裝置，其特徵在於所述的超磁致伸縮執行器包括外套，所述的外套中設置有電磁驅動裝置和與所述的刀夾固定連接的機械傳動裝置，所述的外套的兩端分別設置有底座和擰緊螺母，所述的電磁驅動裝置和所述的機械傳動裝置之間設置有分隔板，所述的電磁驅動裝置設置在所述的分隔板與所述的底座之間，所述的機械傳動裝置設置在所述的擰緊螺母與所述的分隔板之間，所述的分隔板上設置有連接孔，所述的電磁驅動裝置與所述的機械傳動裝置通過所述的連接孔相互連接。
5.如權利要求4所述的一種車削設備的主動減振裝置，其特徵在於所述的電磁驅動裝置包括骨架和線圈，所述的骨架設置有軸向通孔，所述的軸向通孔內設置有磁致伸縮棒，所述的機械傳動裝置包括輸出杆，所述的輸出杆的尾部穿過所述的連接孔與所述的磁致伸縮棒頂接，所述的輸出杆的另一端穿過所述的擰緊螺母與所述的刀夾固定連接，所述的輸出杆上同軸套設有預壓彈簧，所述的輸出杆上設置有彈簧支承凸圓，所述的預壓彈簧設置在所述的擰緊螺母和所述的彈簧支承凸圓之間。
6.如權利要求5所述的一種車削設備的主動減振裝置，其特徵在於所述的輸出杆前端設置有緊頂螺母，所述的輸出杆通過所述的緊頂螺母與所述的刀夾固定連接。
7.如權利要求1所述的一種車削設備的主動減振裝置的減振控制方法，其特徵在於所述的控制器採用基於免疫響應理論模型的免疫控制方法，其中把系統振動時的位移偏差定義為抗原，把所述的控制器的控制輸出信號定義為抗體，所述的抗原和所述的抗體之間的關係為u(k)=e(k)22+e(k)2-KS{1-e-[u(k-d)]2a}e(k)]]>其中e(k)表示採樣時刻的抗原值，u(k)表示對應採樣時刻的抗體值。
全文摘要
本發明公開了一種車削設備的主動減振裝置及減振控制方法，包括刀架、固定有刀具的刀夾、振動傳感器、執行器和控制器，刀架的頭部設置有刀夾固定座，刀夾固定設置在刀夾固定座上，刀架的尾部設置有空腔，執行器設置在空腔內，執行器上設置有與刀夾相互連接的輸出杆，振動傳感器設置在刀夾上，控制器與振動傳感器和執行器電連接，特點是振動傳感器是高精度振動傳感器，執行器是超磁致伸縮執行器，刀夾固定座設置有柔性鉸鏈結構，優點是可以在5～300r/min的轉速範圍內對車削振動起到有效的減振作用，對切削振動的控制響應時間在0.1s以內，能夠使切削振動幅度衰減10分貝以上，應用在車床切削振動控制系統中，能夠顯著提高切削的加工精度。
文檔編號B23Q15/12GK1947934SQ20061005389
公開日2007年4月18日 申請日期2006年10月20日 優先權日2006年10月20日
發明者李國平, 潘曉彬, 林君煥 申請人:寧波大學