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(shí)用新型涉及機(jī)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(jī)械產(chǎn)品中的精密孔，如發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸孔等，往往是機(jī)械系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部位，因?yàn)槠浼庸だщy，加工質(zhì)量很難得到保證，一直是機(jī)械加工的難點(diǎn)。如何提高精密孔的加工質(zhì)量和效率，業(yè)已成為機(jī)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(huì)加速刀具系統(tǒng)的磨損，產(chǎn)生強(qiáng)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(xué)者都進(jìn)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(yīng)用會(huì)議的論文集第868～874頁報(bào)道了布迪(Budi W.)等人在鏜桿內(nèi)部放置主動(dòng)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(huì)議的論文集第739～743頁報(bào)道了邁克爾(Michael)等人采用在鏜桿內(nèi)部放置主動(dòng)控制的壓電致動(dòng)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(yīng)用會(huì)議的論文集第235～239頁報(bào)道了基潘(G.Pan)等人采用在鏜桿內(nèi)部放置主動(dòng)控制的超磁致伸縮致動(dòng)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(bào)道了李啟堂等人將動(dòng)力吸振器應(yīng)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(jī)械工程》雜志第13卷的1827～1829和1855頁報(bào)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(yīng)，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(bào)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(qiáng)度來改變整個(gè)鏜桿的動(dòng)態(tài)特性，并借以抑制切削顫振的方法。
針對(duì)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(dòng)減振方式。文獻(xiàn)[4-5]中鏜桿的抑振方式均屬于被動(dòng)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(dòng)，則效果不佳。(2)主動(dòng)減振方式。文獻(xiàn)[1-3]中鏜桿的抑振方式均屬于主動(dòng)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(hào)，對(duì)減振器固有頻率進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)，減振效果優(yōu)于被動(dòng)減振方式，但是具有能耗高、成本高、可靠性差等缺點(diǎn)，使得實(shí)際生產(chǎn)過程難以推廣應(yīng)用。(3)半主動(dòng)減振方式。文獻(xiàn)[6]中鏜桿抑振方式屬于半主動(dòng)減振方式，主要是通過改變減振設(shè)備的剛度或阻尼等動(dòng)態(tài)特性參數(shù)來改善系統(tǒng)的響應(yīng)，其減振效果優(yōu)于被動(dòng)減振方式，而且同主動(dòng)減振方式相比又具有能耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因此，半主動(dòng)減振是一種理想的鏜桿顫振抑振方式，但由于文獻(xiàn)[6]中使用電流變材料，會(huì)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(duì)以上問題，本實(shí)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(jī)理是磁流變材料(Magnetorheological Fluids，簡稱MRF)在磁場作用下其粘度會(huì)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(yīng)，可在液態(tài)和固態(tài)之間進(jìn)行快速、連續(xù)、可逆的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)剛度和阻尼特性參數(shù)的無級(jí)變化，其力學(xué)性能隨磁場強(qiáng)度變化的響應(yīng)時(shí)間僅為毫秒量級(jí)，遠(yuǎn)小于一般控制要求的時(shí)間。磁流變液材料與文獻(xiàn)[6]中使用的電流變材料相比具有以下優(yōu)點(diǎn)①工作電壓低，一般為2V～15V；②能耗低、成本低；③高出一個(gè)數(shù)量級(jí)的屈服應(yīng)力；④適應(yīng)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(xué)者已進(jìn)行了許多研究，并已將其應(yīng)用于汽車懸架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)等領(lǐng)域的振動(dòng)控制。但據(jù)大量已檢索文獻(xiàn)，目前國內(nèi)外還未見有采用磁流變液材料進(jìn)行鏜桿抑振的研究報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服鏜削顫振抑制裝置的不足，本實(shí)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(shí)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(lì)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(lì)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(lì)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(lì)磁線圈輸入端與功率放大器的輸出端連接。
本實(shí)用新型具有的有益效果是該發(fā)明提出了一種集信號(hào)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(jìn)行快速、連續(xù)、可逆轉(zhuǎn)化的特性，將其應(yīng)用于鏜桿動(dòng)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(qiáng)度，實(shí)時(shí)地改變鏜桿的動(dòng)態(tài)特性，使鏜桿固有頻率能及時(shí)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(jìn)了在鏜削過程中顫振的抑制技術(shù)的進(jìn)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(yīng)用價(jià)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(lì)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(jì)算機(jī)，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(shí)施方式
如圖1、圖2、圖3所示，本實(shí)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(lì)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(lì)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(lì)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(hào)輸出端與電荷放大器12的電荷信號(hào)輸入端連接，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換卡13的電壓信號(hào)輸入端與電荷放大器12的電壓信號(hào)輸出端連接，通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)14與A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換卡13的數(shù)字信號(hào)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(hào)輸入端與通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)14的PCI插槽連接，功率放大器16的電流信號(hào)輸入端與D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換卡15的電流信號(hào)輸出端連接，磁流變抑振執(zhí)行器1的勵(lì)磁線圈8輸入端與功率放大器16的電流信號(hào)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(gè)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(lì)磁線圈8，這樣使由勵(lì)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(dāng)于在鏜桿2末端增加了一個(gè)彈性和阻尼系數(shù)可由磁場強(qiáng)度調(diào)控的粘彈性彈簧，并通過它來達(dá)到改變鏜桿動(dòng)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(dòng)情況，并將動(dòng)態(tài)特性信息經(jīng)電荷放大器12后及時(shí)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(shí)發(fā)送控制信號(hào)至磁流變抑振執(zhí)行器1，達(dá)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(jì)算機(jī)14的配置為CPU型號(hào)為PIII667，內(nèi)存512M，硬盤30G，自帶3個(gè)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(hào)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(jì)算機(jī)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(hào)輸入端相連接；電荷放大器12，選用型號(hào)為YE5857，加速度傳感器3(感知器)的電荷信號(hào)輸出端與電荷放大器12的電荷信號(hào)輸入端連接，這樣電荷放大器12的電壓輸出端將會(huì)輸出代表加速度信號(hào)的電壓信號(hào)，將該信號(hào)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(hào)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(hào)輸入端連接；功率放大器12，選用型號(hào)為TS5870，其輸出功率可達(dá)75瓦，響應(yīng)頻率范圍為10～10KHz，其電流信號(hào)輸入端與數(shù)模轉(zhuǎn)換卡15的模擬輸出端相連，同時(shí)其電流信號(hào)輸出端與磁流變抑振執(zhí)行器1的勵(lì)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(shí)動(dòng)態(tài)特性信號(hào)，然后經(jīng)過電荷放大器12進(jìn)行信號(hào)放大，接著由模數(shù)轉(zhuǎn)換卡13對(duì)放大的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后輸入通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)14；其次由裝有數(shù)字信號(hào)處理軟件的通用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)14對(duì)所采集的信號(hào)進(jìn)行處理并判斷此時(shí)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(shí)輸出控制信號(hào)至數(shù)模轉(zhuǎn)換卡15進(jìn)行D/A變換成電流信號(hào)，然后通過功率放大器16對(duì)電流信號(hào)進(jìn)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(hào)后，其線圈殼體7上的勵(lì)磁線圈8就產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)度的磁場，當(dāng)磁場沿徑向穿過磁流變液9時(shí)，磁流變液9就會(huì)發(fā)生磁流變效應(yīng)使其本身特性如表觀粘度、楊氏模量等發(fā)生改變，最終達(dá)到改變鏜桿2動(dòng)態(tài)特性的目的，使鏜桿2的固有頻率能及時(shí)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(lì)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(lì)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(lì)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(jì)算機(jī)(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(jì)算機(jī)(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(lì)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(shí)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(lì)磁線圈接控制系統(tǒng)的功率放大器。本實(shí)用新型提出了一種集信號(hào)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(jìn)行快速、連續(xù)、可逆轉(zhuǎn)化的特性，將其應(yīng)用于鏜桿動(dòng)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(qiáng)度，實(shí)時(shí)地改變鏜桿的動(dòng)態(tài)特性，使鏜桿固有頻率能及時(shí)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(hào)B23B47/26GK2845980SQ200520117488
公開日2006年12月13日 申請(qǐng)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(qǐng)人:浙江大學(xué)