一种基于励磁线圈的阻尼可调式减振镗杆

本发明涉及一种减振镗杆，属于机械加工领域。

背景技术：

在深孔零件的加工中镗削是比较常见的加工方式，镗削时所用的刀具被称为镗刀，又被称为镗杆，镗杆的工作状态会对加工质量和效率产生很大的影响。

在镗削加工过程中，由于镗杆需要伸入到工件内部进行加工，工件内部处于半封闭状态，很难对镗削加工过程进行直接观测，当加工状态较差时，会对工件的表面质量造成损害，对工件的尺寸精度以及镗床的加工效率也会产生一定的影响。

在镗削加工时，镗杆处于悬臂状态，导致镗杆的刚性较弱，镗杆的振动是影响加工质量的关键因素，要想提高镗削加工的零件表面质量，高效稳定地获得完整一致面形精度的零部件，镗削加工中对镗削状态的实时监测与镗杆振动控制起到了关键作用，所以对镗杆加工过程中的状态监测与振动控制就显得非常必要。

现有镗杆的状态监测多是监测镗削力和振动，通过商用测力仪、加速度传感器对镗削力、振动进行测量，由于商用测力仪、加速度传感器较昂贵，且需要提供特定安装空间，因此此种方法无法应用于实际现场加工。对于镗杆的振动控制多是通过减小切削参数、使用被动式减振镗杆实现，对与镗杆减振性能的实时调控多是在实验室完成的，加工现场实际应用较为困难。因此，需要提出具有状态监测与减振性能可调功能于一体的减振镗杆。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决镗削加工过程中无法实时监测镗杆的加工状态以及无法控制镗杆减振效果问题，提出了一种基于励磁线圈的阻尼可调式减振镗杆。

本发明所述的一种基于励磁线圈的阻尼可调式减振镗杆，该减振镗杆包括刀片、刀头和刀杆；

所述刀头固定在刀杆的前端，刀片夹持在刀头上；

该减振镗杆还包括感知单元、控制单元、固定架、励磁线圈和移动智能终端；

所述刀杆的前部和后部分别设有空腔，两个空腔之间通过中心通孔连通；感知单元设置在刀杆前部的空腔内，控制单元设置在刀杆后部的空腔内；

所述感知单元包括悬臂梁、应变电路和质量块；

所述控制单元包括主控制器和无线通信单元；

所述感知单元用于监测刀杆的工作状态，并将刀杆的工作状态以振动信号的形式输出，感知单元的振动信号输出端与控制单元的振动信号输入端相连；

控制单元的电流信号输出端与励磁线圈的电流信号输入端相连；励磁线圈缠绕在固定架上，所述固定架固定在刀杆两个空腔之间的中心通孔内；

控制单元的通信信号输入输出端通过无线通信单元与移动智能终端的通信信号输入输出端相连；

所述移动智能终端用于显示镗杆的工作状态。

本发明所述的一种基于励磁线圈的阻尼可调式减振镗杆的减振原理为：通过感知单元对刀杆的工作状态进行监测，将刀杆的工作状态以振动信号的形式输出至控制单元，控制单元将振动信号转换为通信信号通过无线通信单元发送至移动智能终端，振动信号在移动智能终端进行显示。控制单元对振动信号进行处理，根据动力学方程计算出刀杆振动最小时所对应的感知单元阻尼，并通过励磁线圈中电流与感知单元阻尼的关系求解出所需要的电流信号，并将该电流信号通入励磁线圈，励磁线圈产生的磁场对感知单元产生电磁吸力，从而控制感知单元的阻尼，实现了对感知单元阻尼的调节，通过调节电流的大小能够保证感知单元处于最优阻尼，达到最优减振状态；在实际加工过程中，感知单元实时监测刀杆的振动变化状态，实时提取振动特征值，控制单元根据动力学方程实时改变其输出电流信号的电流值，实现对感知单元阻尼的调节，最终实现基于励磁线圈的可调式减振镗杆的减振性能调控。

本发明的有益效果是通过感知单元实时监测镗杆的加工状态，同时，对该加工状态反馈至控制单元，控制单元根据控制指令实时改变其输出的电流信号，利用励磁线圈对质量块受到的电磁吸力进行调节，实现对感知单元阻尼的调节，很好地控制了镗杆的减振效果；本发明结构简单，方便与外部其他设备进行连接。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种基于励磁线圈的阻尼可调式减振镗杆的结构示意图；其中1为刀片，2为刀头，3为刀杆，4为悬臂梁，5为应变片，6为质量块，7为固定架，8为励磁线圈，9为主控制器，10为无线通信单元，11为橡胶固定座，12为橡胶塞，13为usb数据传输接口，14为显示单元，15为电源，16为移动智能终端；

图2为具体实施方式一中固定架的剖视图；

图3为具体实施方式一中固定架的侧视图；

图4为具体实施方式二中感知单元的结构示意图；

图5为具体实施方式二中的应变电路的电路图，其中ei代表供电输入端，eo代表振动信号输出端；

图6为具体实施方式二中阻尼-振幅曲线图.

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于励磁线圈的阻尼可调式减振镗杆，该减振镗杆包括刀片1、刀头2和刀杆3；

所述刀头2固定在刀杆3的前端，刀片1夹持在刀头2上；

该减振镗杆还包括感知单元、控制单元、固定架7、励磁线圈8和移动智能终端16；

所述刀杆3的前部和后部分别设有空腔，两个空腔之间通过中心通孔连通；感知单元设置在刀杆3前部的空腔内，控制单元设置在刀杆3后部的空腔内；

所述感知单元用于监测刀杆3的工作状态，并将刀杆3的工作状态以振动信号的形式输出，感知单元的振动信号输出端与控制单元的振动信号输入端相连；

控制单元的电流信号输出端与励磁线圈8的电流信号输入端相连；励磁线圈8缠绕在固定架7上，所述固定架7固定在刀杆3两个空腔之间的中心通孔内；

控制单元的通信信号输入输出端通过无线通信单元与移动智能终端16的通信信号输入输出端相连；

所述移动智能终端16用于显示镗杆的工作状态。

在本实施方式中，刀杆3前部的空腔大于刀杆3后部的空腔。

在本实施方式中，通过感知单元输出电压的变化实现对刀杆3的工作状态进行监测，并将刀杆3的工作状态以振动信号的形式输出至控制单元，控制单元将振动信号转换为通信信号通过无线通信单元10发送至移动智能终端16，振动信号在移动智能终端16进行显示。控制单元对振动信号进行处理，根据动力学方程计算出刀杆3振动最小时所对应的感知单元阻尼，并通过励磁线圈8中电流与感知单元阻尼的关系求解出所需要的电流信号，并将该电流信号通入励磁线圈8，励磁线圈8产生的磁场对感知单元产生电磁吸力，从而控制感知单元的阻尼，实现了对感知单元阻尼的调节，通过调节电流的大小能够保证感知单元处于最优阻尼，从而达到最优减振；在实际加工过程中，感知单元实时监测刀杆3的振动变化状态，实时提取振动特征值，控制单元根据动力学方程实时改变其输出电流信号的电流值，实现对感知单元阻尼的调节，最终实现基于励磁线圈的可调式减振镗杆的减振性能调控。

具体实施方式二：结合图4至图6说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于励磁线圈的阻尼可调式减振镗杆进一步限定，在本实施方式中，所述感知单元包括悬臂梁4、应变电路和质量块6；

应变电路包括应变片5、电阻r1、电阻r2和电阻r3；

悬臂梁4在刀杆3的前端的空腔中与刀头2固连；悬臂梁4的另一端与质量块6固连；应变片5固定在悬臂梁4上；

电阻r1的一端与电阻r2的一端相连，两者的连接端作为所述应变电路的供电正极；

电阻r3的一端与应变片5的一端相连，两者的连接端作为所述应变电路的供电负极；

所述应变电路的供电正极和供电负极构成供电输入端，该供电输入端与控制单元的供电输出端相连；

电阻r1的另一端与应变片5的另一端相连，两者的连接端作为所述应变电路的振动信号输出正极；

电阻r2的另一端与电阻r3的另一端相连，两者的连接端作为所述应变电路的振动信号输出负极；

所述应变电路的振动信号输出正极和振动信号输出负极构成振动信号输出端，该振动信号输出端与控制单元的振动信号输入端相连。

在本实施方式中，悬臂梁4的另一端与质量块6通过螺纹连接实现固定连接。

在本实施方式中，感知单元的工作原理为：悬臂梁4在刀杆3的前端的空腔中与刀头2固连；悬臂梁4的另一端与质量块6固连，因此，质量块6与刀杆3同步振动，又由于应变片5固定在悬臂梁4上，因此应变片5受力变形，其阻值会发生改变，由于应变电路由控制单元供电，当供电恒定不变时，应变片5的阻值改变，应变电路输出的振动信号会随之改变，进而完成对刀头2振动状态的监测，即实现对该减振镗杆的加工状态的实时监测。

在本实施方式中，根据实验可以测得刀杆3和质量块6的基本物理参数；由于应变片5电压变化的频率和质量块6的振动频率相同，质量块6的振动频率和刀杆3的振动频率相同，所以通过感知单元对电压的变化频率的监测就能够得到质量块6在切削力作用下的振动频率ω，由于应变电路由控制单元供电，供电电压恒定且已知，因此应变电路的输入电流已知，控制单元采集得到应变电路输出的振动信号，该振动信号为电压信号，通过对输出电压信号统计得到电压变化频率f；

质量块6的振动频率可由公式

ω＝2πf

得到，将以上得到的参数和带入到动力学方程中能够求出镗杆内部的阻尼c和振幅a的关系，振幅能够显示振动是否剧烈，通过改变励磁线圈的输入电流调节其产生的磁场使其对质量块产生电磁吸力，从而对感知单元的阻尼进行调节，输入到励磁线圈的电流和感知单元的阻尼有一定的对应关系，因此通过调节电流的大小能够实现阻尼的调节，进而调节其减振性能；

根据动力学方程得到的阻尼-振幅曲线如图6所示，不同阻尼下的振幅是不同的，阻尼过大或是过小都不利于控制刀杆3的振动，图6中振幅最小的点所对应的阻尼为刀杆3减振性能最好时所对应感知单元的最优减振阻尼；

对于该减振镗杆的控制策略，主要通过实时在线控制调节感知单元的阻尼来改变该减振镗杆的减振性能；同时，由感知单元对振动状态进行监测，将振动特征和镗杆固有参数带入动力学方程中，求解当前加工参数下所需要的的最优减振阻尼；在实际加工过程中，感知单元实时监测振动变化状态，提取实时振动特征值，控制单元改变输出电流值(电压)对感知单元阻尼进行调节，最终实现基于励磁线圈的阻尼可调式减振镗杆减振性能的调控。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于励磁线圈的阻尼可调式减振镗杆进一步限定，在本实施方式中，所述控制单元包括主控制器9和无线通信单元10；

所述感知单元的振动信号输出端与主控制器9的振动信号输入端相连；主控制器9的电流信号输出端与励磁线圈8的电流信号输入端相连；主控制器9的控制信号输出端与无线通信单元10的控制信号输入端相连，无线通信单元10的指令信号输出端与主控制器9的指令信号输入端相连；无线通信单元10的通信信号输入输出端通过无线通信单元与移动智能终端16的通信信号输入输出端相连。

在本实施方式中，无线通信单元10用于实现主控制器9与移动智能终端16的无线通信。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于励磁线圈的阻尼可调式减振镗杆进一步限定，在本实施方式中，该减振镗杆还包括显示单元14；

所述显示单元14的显示信号输入端与主控制器9的显示信号输出端相连；

显示单元14用于显示刀杆3的振动情况。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于励磁线圈的阻尼可调式减振镗杆进一步限定，在本实施方式中，所述控制单元还包括ac-dc变换单元；

主控制器9通过ac-dc变换单元与电源15相连。

在本实施方式中，ac-dc变换单元是将电源15输出的交流电变换为直流电，同时对电源15输出的电压进行变换。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于励磁线圈的阻尼可调式减振镗杆进一步限定，在本实施方式中，所述控制单元还包括usb数据传输接口13；

usb数据传输接口13通过数据传输线与主控制器9的数据输入输出端相连；

usb数据传输接口13用于外接上位机。

在本实施方式中，增设了usb数据传输接口13，便于数据传输。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于励磁线圈的阻尼可调式减振镗杆进一步限定，在本实施方式中，该减振镗杆还包括橡胶固定座11；

所述橡胶固定座11为半圆柱形；半圆柱形的弧面部分与刀杆3后部空腔的内壁固定在一起，主控制器9固定在橡胶固定座11的平面部分。

在本实施方式中，半圆柱形的弧面部分与刀杆3后部空腔的内壁通过胶粘的方式固定在一起。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种基于励磁线圈的阻尼可调式减振镗杆进一步限定，在本实施方式中，该减振镗杆还包括橡胶塞12；

所述橡胶塞12设置在刀杆3的后端；橡胶塞12设有中心孔，该中心孔用于引出数据传输线、主控制器9与显示单元14的连接线以及主控制器9通过ac-dc变换单元与电源15相连的电源线。

在本实施方式中，橡胶塞12用于对刀杆3后部空腔进行初步密封，防止刀杆3后部空腔内的主控制器9、无线通信单元10和橡胶固定座11脱离刀杆3。