专利名称：一种车削设备的主动减振装置及减振控制方法
技术领域：
本发明涉及一种车削设备的减振装置，尤其是涉及一种车削设备的主动减振装置及减振控制方法。
背景技术：
在车床切削加工过程中，主要有三类振动源影响车床的加工精度，它们分别是外界的随机干扰、工件对刀具模块的作用力、减振装置本身的自激，目前控制切削振动的方法主要方法包括被动控制法和主动控制法。被动控制法作为传统的振动控制方式，主要是通过在系统中加入吸振部件来达到控制切削振动的目的，如通过使用参数固定的弹簧和阻尼来隔离振动源对机械加工装置产生的振动，从而控制或减少振动带来的影响；这种方法结构简单、工作可靠，已广泛应用于工程中，但是缺点是减振器一经设计加工后，各项性能参数就不易改变，在高频阶段有比较理想的效果，但在中低频阶段振动控制效果一般；而主动控制法则是根据反馈控制的原理，通过测出系统的某一状态量的变动，然后将与其变化量同频率、同幅度但反相的控制量加到这个状态量本身或作相应变动后加到别的状态量上。
近年来国内外的学者开始关注在切削振动中采用主动减振的方式来实现振动控制，这种方法可以通过执行器直接对受控对象施加可以控制的作用力，从而有针对性地抵消由振源引起的受控对象的振动响应，达到减小受控对象振动幅值的目的。但是目前的主动减振装置普遍存在着控制精度不够精确的问题，由此也造成了车削加工的精度不够理想。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够提高车削精度的车削设备的主动减振装置及减振控制方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为一种车削设备的主动减振装置，包括刀架、固定有刀具的刀夹、振动传感器、执行器和控制器，所述的刀架的头部设置有刀夹固定座，所述的刀夹固定设置在所述的刀夹固定座上，所述的刀架的尾部设置有空腔，所述的执行器设置在所述的空腔内，所述的执行器上设置有与所述的刀夹相互连接的输出杆，所述的振动传感器设置在所述的刀夹上，所述的控制器与所述的振动传感器和所述的执行器电连接，所述的振动传感器是高精度振动传感器，所述的执行器是超磁致伸缩执行器，所述的刀夹固定座设置有柔性铰链结构。
所述的柔性铰链结构包括减振槽和与所述的减振槽并行设置的减重孔，所述的刀夹固定座的前端面与所述的刀夹固定座的下端面之间呈一半径为18mm-22mm的外圆角，所述的减振槽的底部为半径7mm-8mm的半圆槽，所述的减振槽的底端与所述的刀夹固定座的下端面之间的距离为18mm-22mm，所述的减重孔的宽度为14mm-16mm，所述的减重孔与所述的减振槽之间的壁厚为13mm-15mm。
为了获得理想的回转刚度值和最小的工作应力，所述的刀夹固定座的前端面与所述的刀夹固定座的下端面之间的外圆角半径最好为20mm，所述的减振槽底部的半圆槽半径最好为7.5mm，所述的减振槽的底端与所述的刀夹固定座的下端面之间的距离最好为20mm，所述的减重孔的宽度最好为15mm，所述的减重孔与所述的减振槽之间的壁厚最好为14mm。
所述的超磁致伸缩执行器包括外套，所述的外套中设置有电磁驱动装置和与所述的刀夹固定连接的机械传动装置，所述的外套的两端分别设置有底座和拧紧螺母，所述的电磁驱动装置和所述的机械传动装置之间设置有分隔板，所述的电磁驱动装置设置在所述的分隔板与所述的底座之间，所述的机械传动装置设置在所述的拧紧螺母与所述的分隔板之间，所述的分隔板上设置有连接孔，所述的电磁驱动装置与所述的机械传动装置通过所述的连接孔相互连接。
所述的电磁驱动装置包括骨架和线圈，所述的骨架设置有轴向通孔，所述的轴向通孔内设置有磁致伸缩棒，所述的机械传动装置包括输出杆，所述的输出杆的尾部穿过所述的连接孔与所述的磁致伸缩棒顶接，所述的输出杆的另一端穿过所述的拧紧螺母与所述的刀夹固定连接，所述的输出杆上同轴套设有预压弹簧，所述的输出杆上设置有弹簧支承凸圆，所述的预压弹簧设置在所述的拧紧螺母和所述的弹簧支承凸圆之间。
所述的输出杆前端设置有紧顶螺母，所述的输出杆通过所述的紧顶螺母与所述的刀夹固定连接。
上述车削设备的主动减振装置的减振控制方法，所述的控制器采用基于免疫响应理论模型的免疫控制方法，其中把系统振动时的位移偏差定义为抗原，把所述的控制器的控制输出信号定义为抗体，所述的抗原和所述的抗体之间的关系为u(k)=e(k)2θ2+e(k)2-Ks·{1-e-[Δu(k-k)]2a}·e(k)]]>其中e(k)表示采样时刻的抗原值，u(k)表示对应采样时刻的抗体值。
与现有技术相比，本发明的优点在于可以在5～300r/min的转速范围内对车削振动起到有效的减振作用，对切削振动的控制响应时间在0.1s以内，能够使切削振动幅度衰减10分贝以上，应用在车床切削振动控制系统中，能够显著提高切削的加工精度；设置刀夹固定座的前端面与刀夹固定座的下端面之间的外圆角半径为20mm，减振槽底部的半圆槽半径为7.5mm，减振槽的底端与刀夹固定座的下端面之间的距离为20mm，减重孔的宽度为15mm，减重孔与减振槽之间的壁厚为14mm，能够获得最接近理想值的回转刚度值和最小的工作应力。
图1为本发明的刀架的模型示意图；图2为本发明的整体的模型示意图；图3为本发明的刀架的剖面结构示意图；图4为本发明的超磁致伸缩执行器的结构示意图；图5为本发明的工作原理图；图6为本发明的刀架的有限元模型的函数关系图。
具体实施例方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一如图所示，一种车削设备的主动减振装置，包括高精度振动传感器1、控制器2、超磁致伸缩执行器(GMA)3和刀架4，刀架4头部设置有刀夹固定座5，刀夹8固定设置在刀夹固定座5上，刀具6与刀夹8用螺母7固定，刀架4的尾部设置有圆槽9，超磁致伸缩执行器3设置在由圆槽9与半圆柱形槽盖10所形成的空腔中，刀夹固定座5上设置有减振槽52和与减振槽52并行减重孔51，刀夹固定座5的前端面与刀夹固定座5的下端面之间呈一半径R1＝20mm的外圆角，减振槽52的底部为半径R2＝7.5mm的半圆槽，减振槽52的底端与刀夹固定座5的下端面之间的距离D＝20mm，减重孔51的宽度B＝15mm，减重孔51与减振槽52之间的壁厚H＝14mm；振动传感器1设置在刀夹8上，控制器2与振动传感器1和超磁致伸缩执行器3电连接。
如图4所示，超磁致伸缩执行器3包括外套17，外套17的两端分别设置有底座14和拧紧螺母22，外套17的内腔中设置有分隔板24，分隔板24与底座14之间设置有骨架16，骨架16外绕有线圈19，骨架16与底座14之间设置有橡胶圈15，骨架16设置有轴向通孔，轴向通孔内设置有磁致伸缩棒18，分隔板24与拧紧螺母22之间设置有输出杆20，输出杆20上套有预压弹簧21，输出杆20的尾部穿过分隔板24上的连接孔与磁致伸缩棒18顶接，输出杆20的另一端穿过拧紧螺母22，并通过设置在输出杆20的前端的紧顶螺母23刀夹8固定连接，输出杆20上设置有弹簧支承凸圆25，预压弹簧21设置在拧紧螺母22和弹簧支承凸圆25之间。
如图5所示，主动减振装置的工作原理是在工件26加工时，工件26与刀具6发生接触引起振动，导致工件26与刀具6之间的位移发生改变，固定在刀夹8上的振动传感器1可以测得刀具6的振动量，控制器2在接收振动传感器1的振动信号后，输出控制信号给超磁致伸缩执行器3以合适的驱动电压，使得超磁致伸缩执行器3通过固定在刀夹8上的输出杆20给刀具6一个与振动方向相反的作用力，以抑制刀具6的振动幅度，达到控制切削振动提高加工精度的目的。
上述实施例中，控制器采用了一种基于免疫响应理论模型的免疫控制方法，其中把系统振动时的位移偏差定义为抗原，把控制器的控制输出信号定义为抗体，所述的抗原和所述的抗体之间的关系用公式表示为u(k)=e(k)2θ2+e(k)2-Ks·{1-e-[Δu(k-k)]2a}·e(k)]]>其中e(k)表示某个采样时刻的抗原值，u(k)表示对应采样时刻的抗体值。
该免疫控制方法的工作原理是在免疫响应理论模型中，振动时的位移偏差被视为系统的某种外部干扰，控制输出信号则被视为是为响应位移偏差而产生的清除干扰的控制输出。免疫响应是一种基于T细胞反馈调节作用的免役机理，在免疫响应的不同阶段T细胞的作用是不同的，具体过程是在免疫响应的初期，位移偏差浓度大而控制输出信号浓度小，T细胞便激发产生控制输出信号，控制输出信号将逐渐清除位移偏差，响应过程受到促进；在免疫响应的后期，位移偏差浓度小而控制输出信号浓度大，T细胞便抑制控制输出信号的产生，响应过程受到抑制，以保证免疫系统的稳定性，在免疫响应的末期，位移偏差浓度和控制输出信号浓度都很小，达到免疫的稳定阶段，免疫响应结束。
下面针对不同的R2、D对应的不同刀架回转刚度K作分析比较，首先通过经验公式FZ＝1610apf0.84N，其中取切削深度ap＝3mm，进给量f＝0.1mm/r，可得到径向切削力FZ为650N，设计时希望在此切削力作用下，刀架在力的作用线发生20μm的微位移，计算得出设计刚度值K0＝650N/20μm＝32.5×103N/mm；然后利用有限元分析软件分别建立刀架的有限元模型，计算出不同(R2、D)对应模型的刀架的回转刚度K(R2，D)，再构造函数F＝-|K(R2，D)-K0|，该函数与(R2、D)的关系如附图6，由图可以看出R2＝7.5mm，D＝20mm时，F具有最大值，即该点刀架的回转刚度K与设计刚度K0相差最小，从而达到了理想的回转刚度。
实施例二其它同实施例一，不同之处在于刀夹固定座5的前端面与刀夹固定座5的下端面之间呈一半径R1＝18mm的外圆角，减振槽52的底部为半径R2＝7mm的半圆槽，减振槽52的底端与刀夹固定座5的下端面之间的距离D＝18mm，减重孔51的宽度B＝14mm，减重孔51与减振槽52之间的壁厚H＝15mm。
实施例三其它同实施例一，不同之处在于刀夹固定座5的前端面与刀夹固定座5的下端面之间呈一半径R1＝22mm的外圆角，减振槽52的底部为半径R2＝8mm的半圆槽，减振槽52的底端与刀夹固定座5的下端面之间的距离D＝22mm，减重孔51的宽度B＝16mm，减重孔51与减振槽52之间的壁厚H＝13mm。
权利要求
1.一种车削设备的主动减振装置，包括刀架、固定有刀具的刀夹、振动传感器、执行器和控制器，所述的刀架的头部设置有刀夹固定座，所述的刀夹固定设置在所述的刀夹固定座上，所述的刀架的尾部设置有空腔，所述的执行器设置在所述的空腔内，所述的执行器上设置有与所述的刀夹相互连接的输出杆，所述的振动传感器设置在所述的刀夹上，所述的控制器与所述的振动传感器和所述的执行器电连接，其特征在于所述的振动传感器是高精度振动传感器，所述的执行器是超磁致伸缩执行器，所述的刀夹固定座设置有柔性铰链结构。
2.如权利要求1所述的一种车削设备的主动减振装置，其特征在于所述的柔性铰链结构包括减振槽和与所述的减振槽并行设置的减重孔，所述的刀夹固定座的前端面与所述的刀夹固定座的下端面之间呈一半径为18mm-22mm的外圆角，所述的减振槽的底部为半径7mm-8mm的半圆槽，所述的减振槽的底端与所述的刀夹固定座的下端面之间的距离为18mm-22mm，所述的减重孔的宽度为14mm-16mm，所述的减重孔与所述的减振槽之间的壁厚为13mm-15mm。
3.如权利要求2所述的一种车削设备的主动减振装置，其特征在于所述的刀夹固定座的前端面与所述的刀夹固定座的下端面之间的外圆角半径为20mm，所述的减振槽底部的半圆槽半径为7.5mm，所述的减振槽的底端与所述的刀夹固定座的下端面之间的距离为20mm，所述的减重孔的宽度为15mm，所述的减重孔与所述的减振槽之间的壁厚为14mm。
4.如权利要求1所述的一种车削设备的主动减振装置，其特征在于所述的超磁致伸缩执行器包括外套，所述的外套中设置有电磁驱动装置和与所述的刀夹固定连接的机械传动装置，所述的外套的两端分别设置有底座和拧紧螺母，所述的电磁驱动装置和所述的机械传动装置之间设置有分隔板，所述的电磁驱动装置设置在所述的分隔板与所述的底座之间，所述的机械传动装置设置在所述的拧紧螺母与所述的分隔板之间，所述的分隔板上设置有连接孔，所述的电磁驱动装置与所述的机械传动装置通过所述的连接孔相互连接。
5.如权利要求4所述的一种车削设备的主动减振装置，其特征在于所述的电磁驱动装置包括骨架和线圈，所述的骨架设置有轴向通孔，所述的轴向通孔内设置有磁致伸缩棒，所述的机械传动装置包括输出杆，所述的输出杆的尾部穿过所述的连接孔与所述的磁致伸缩棒顶接，所述的输出杆的另一端穿过所述的拧紧螺母与所述的刀夹固定连接，所述的输出杆上同轴套设有预压弹簧，所述的输出杆上设置有弹簧支承凸圆，所述的预压弹簧设置在所述的拧紧螺母和所述的弹簧支承凸圆之间。
6.如权利要求5所述的一种车削设备的主动减振装置，其特征在于所述的输出杆前端设置有紧顶螺母，所述的输出杆通过所述的紧顶螺母与所述的刀夹固定连接。
7.如权利要求1所述的一种车削设备的主动减振装置的减振控制方法，其特征在于所述的控制器采用基于免疫响应理论模型的免疫控制方法，其中把系统振动时的位移偏差定义为抗原，把所述的控制器的控制输出信号定义为抗体，所述的抗原和所述的抗体之间的关系为u(k)=e(k)2θ2+e(k)2-KS·{1-e-[Δu(k-d)]2a}·e(k)]]>其中e(k)表示采样时刻的抗原值，u(k)表示对应采样时刻的抗体值。
全文摘要
本发明公开了一种车削设备的主动减振装置及减振控制方法，包括刀架、固定有刀具的刀夹、振动传感器、执行器和控制器，刀架的头部设置有刀夹固定座，刀夹固定设置在刀夹固定座上，刀架的尾部设置有空腔，执行器设置在空腔内，执行器上设置有与刀夹相互连接的输出杆，振动传感器设置在刀夹上，控制器与振动传感器和执行器电连接，特点是振动传感器是高精度振动传感器，执行器是超磁致伸缩执行器，刀夹固定座设置有柔性铰链结构，优点是可以在5～300r/min的转速范围内对车削振动起到有效的减振作用，对切削振动的控制响应时间在0.1s以内，能够使切削振动幅度衰减10分贝以上，应用在车床切削振动控制系统中，能够显著提高切削的加工精度。
文档编号B23Q15/12GK1947934SQ20061005389
公开日2007年4月18日 申请日期2006年10月20日 优先权日2006年10月20日
发明者李国平, 潘晓彬, 林君焕 申请人:宁波大学