基于超磁致伸缩的自适应可控式振动金属切削装置及方法与流程

本发明涉及金属切削装置及方法，尤其涉及一种基于超磁致伸缩的自适应可控式振动金属切削装置及方法。

背景技术：

作为下料工序的主要设备，金属切削带锯床已经被广泛应用到汽车、造船以及航空航天等各个领域。随着现代制造业正朝着高效、高精的方向发展，工业领域对金属带锯床锯切效率的提高提出了迫切的需求，尤其是提高硬质金属的切削效率，一直是关注的焦点。传统的锯切方式是在锯切过程中将锯条连续的向下进给，利用锯齿的快速移动实现切削金属的功能，由于锯条本身刚性较差，因此在锯切过程中不能保证锯条上每个锯齿都能参与锯切工作，而且在锯切过程中极易因摩擦产生加工硬化现象，使得切削工作更加困难，同时齿尖的磨损会导致锯条寿命的缩短。

如果在锯条进给方向上施加一个振动，则锯齿在切削过程中可以上下反复跳动，使得齿尖更加容易切入材料，能及时的断屑，防止切屑过长，从而使切屑更加容易排出，同时还能改善切削液的冷却效果。要实现该功能，如何对快速移动中的带锯条施加振动激励是问题的关键。虽然也有研究人员在振动锯切方面开展了一些研究，但是振动装置结构设计过于复杂，很难保证振动机构的振动幅度及振动频率得精度，此外，所提及的振动装置的振动幅度和振动频率也不能够根据锯切材料的材质产生自适应的实时调整，以上因素都将直接影响到锯切的加工效率和被加工工件的锯切质量。

技术实现要素：

为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种基于超磁致伸缩的自适应可控式振动金属切削装置及方法，使金属切削锯条在工作过程中能根据被锯切工件的材质按一定的频率和幅度上下跳动，实现金属带锯的自适应振动锯切，改善锯条的切削性能和切削液的冷却性能，提高锯切效率。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种基于超磁致伸缩的自适应可控式振动金属切削装置

装置包括锯架、振动机构、锯梁、主动带轮、从动带轮、锯条、液压缸；锯架两侧分别安装有主动带轮、从动带轮，主动带轮与从动带轮上套装有传送带，传送带外侧安装有锯条，主动带轮和从动带轮之间安装有振动机构和锯梁，锯梁固定于锯架上，振动机构上端固定于锯梁下端面的中部，振动机构下端与位于下方的锯条背部滚动接触；振动机构两侧分设有左导向臂和右导向臂，左、右导向臂的上端分别固定于锯梁下端面的两端，左、右导向臂下端均与位于下方的锯条相连，对锯条水平运动作导向限位；锯架安装于液压缸上，液压缸带动所有与锯架相连的部件做进给运动。

所述振动机构包括外壳、底座、超磁致伸缩材料、永磁体、激励线圈、预紧弹簧、变幅杆和轴承架，底座安装于外壳上端开口处，底座上端面固定于锯梁下端面，外壳内安装有超磁致伸缩材料、永磁体、激励线圈和预紧弹簧，底座下端面与超磁致伸缩材料上端相连，超磁致伸缩材料下端与变幅杆上端相连，变幅杆下端穿过外壳底面通过销钉与轴承架相连；超磁致伸缩材料周围向外依次套装有激励线圈、永磁体；位于外壳内且超磁致伸缩材料下方的变幅杆固定有外凸缘，预紧弹簧上端顶接于外凸缘的台阶面，预紧弹簧下端顶接于外壳内底面；轴承架底部通过支撑轴安装有一轴承，轴承外圈与锯条背部滚动接触。

还包括dsp芯片，所述从动带轮上安装有转速传感器，主动带轮上安装有扭矩传感器，转速传感器、扭矩传感器均与dsp芯片相连，dsp芯片通过线圈控制电路与振动机构相连。

所述主动带轮带动传送带运动从而带动从动带轮转动，传送带的运动带动传送带上的锯条作往复运动。

所述预紧弹簧用于给超磁致伸缩材料施加预紧力，以提高超磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系数。

所述左、右导向臂使锯条在工作过程中保持不晃动。

所述永磁体与超磁致伸缩材料构成了封闭磁场回路，以防止漏磁。

所述dsp芯片采用tms320f2812型dsp芯片。

二、基于上述装置的金属切削可控式振动控制方法

转速传感器、扭矩传感器分别获取得到从动带轮的转速信息、主动带轮的扭矩信息，转速传感器、扭矩传感器分别将转速信息、扭矩信息传输至dsp芯片，dsp芯片根据转速信息、扭矩信息输出pwm波的频率、pwm波的占空比至plc控制器，plc控制器根据pwm波的频率和占空比分别调节振动机构的超磁致伸缩材料的振动频率和振幅，实现锯条的振动锯切。

dsp芯片根据接受到的转速传感器的转速信息输出pwm波的频率，pwm波的频率即超磁致伸缩材料的振动频率根据带轮转速n采用以下公式计算如下：

式中，f表示pwm波的频率，n表示带轮的转速，d表示带轮的直径，p为锯条上相邻两齿的间距。

plc控制器通过调节液压缸中节流阀阀口的大小控制液压油的流量q，超磁致伸缩材料的振动幅度根据流量q采用以下公式计算如下：

式中，b为超磁致伸缩材料的振动幅度，d表示带轮的直径，p为锯条上相邻两齿的间距，d为液压缸缸径，q为液压缸中的流量。

本发明的有益效果是：

1)本发明利用磁致伸缩材料作为振动源，相比于传统的压电材料，超磁致伸缩材料能产生更大的应变值，除此之外还具有可控精度高、输出功率大、响应速度快等优点，通过简单的结构设计，即可实现锯条的振动切削，使得锯条齿尖更加容易切入材料，并能够使切屑更加容易排出。

2)本发明能改善切削液的冷却效果，提高锯切效率，从而获得更高的经济效益。

3)本发明锯切的振动幅度以及振动频率可根据现场因素实现自适应调整，可靠性高，自适应能力强。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明振动机构的结构示意图；

图3为本发明振动机构的控制系统示意图。

1.主动带轮；2.锯架；3.振动机构；4.锯梁；5.从动带轮；6.左导向臂；7.锯条；8.右导向臂；9.底座；10.超磁致伸缩材料；11.外壳；12.激励线圈；13.预紧弹簧；14.变幅杆；15.轴承；16.轴承架；17.销钉；18.支撑轴；19.永磁体；20.扭矩传感器；21.转速传感器；22.液压缸。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，锯架2两侧分别安装有主动带轮1、从动带轮5，主动带轮1与从动带轮5上套装有传送带，传送带外侧安装有锯条7，主动带轮1和从动带轮5之间安装有振动机构3和锯梁4，锯梁4固定于锯架2上，振动机构3上端固定于锯梁4下端面的中部，振动机构3下端与位于下方的锯条7背部滚动接触；振动机构3两侧分设有左导向臂6和右导向臂8，左、右导向臂6、8的上端分别固定于锯梁4下端面的两端，左、右导向臂6、8下端均与位于下方的锯条7相连，对锯条7水平运动作导向限位；锯架2安装于液压缸22上，液压缸22带动所有与锯架2相连的部件做进给运动。

如图2所示，振动机构3包括外壳11、底座9、超磁致伸缩材料11、永磁体19、激励线圈12、预紧弹簧13、变幅杆14和轴承架16，底座9安装于外壳11上端开口处，底座9上端面固定于锯梁4下端面，外壳11内安装有超磁致伸缩材料110、永磁体19、激励线圈12和预紧弹簧13，底座9下端面与超磁致伸缩材料11上端相连，超磁致伸缩材料11下端与变幅杆14上端相连，变幅杆14下端穿过外壳11底面通过销钉17与轴承架16相连，防止锯切过程中变幅杆14直接与锯条7背部接触而产生滑动摩擦，产生过度磨损；超磁致伸缩材料11周围向外依次套装有激励线圈12、永磁体19；位于外壳11内且超磁致伸缩材料11下方的变幅杆14固定有外凸缘，预紧弹簧13上端顶接于外凸缘的台阶面，预紧弹簧13下端顶接于外壳内底面；轴承架16底部通过支撑轴18安装有一轴承15，轴承15外圈与锯条7背部滚动接触；

如图3所示，从动带轮5上安装有转速传感器21，主动带轮1上安装有扭矩传感器20，转速传感器21、扭矩传感器20均与dsp芯片相连，dsp芯片通过plc控制器与振动机构3相连。

本发明具体实施过程为：

打开电源，安装锯条7，调整好需加工的金属长度并将其紧固定，启动电机开始加工，在锯切过程中，主动带轮1在传送带的作用下带动从动带轮7转动，从而带动传送带上的锯条7作循环移动，从动带轮5上的转速传感器21、主动带轮1上的扭矩传感器20分别将转速信息、扭矩信息传输至tms320f2812型dsp芯片中sci串口，tms320f2812型dsp芯片根据转速信息、扭矩信息输出pwm波的频率、pwm波的占空比至plc控制器，plc控制器根据pwm波的频率和占空比分别调节振动机构3的超磁致伸缩材料10的振动频率和振幅，实现锯条7的高频微幅振动锯切。

锯条7上锯齿的锯切速度vc可根据带轮的转速计算得到，计算公式如下：

式中，vc表示锯切速度(m/min)，n表示带轮转速(r/min)，d表示带轮直径(mm)。

根据上式计算得到的锯齿的锯切速度vc可得锯齿上下振动的频率f，即pwm波所需输出的频率，计算公式如下：

式中，p为锯条上相邻两齿的间距(mm)。

根据扭矩m计算出锯切力f，锯切力较大，被锯切材料的硬度较高或锯切横截面较大，此时需采用较小的进给速度，反之亦然。

因此，可以利用锯切力f的值控制液压缸的进给速度va，采用自适应闭环控制系统，将测量得到的锯切力f与预设的理论锯切力f0进行实时比较，理论锯切力f0＝600p/(πdn)，式中p为主动带轮驱动电机额定功率，n表示带轮转速(r/min)，d表示带轮直径(mm)。

将运算偏差值作为控制量发送给plc控制器，plc控制器根据控制量的大小确定脉冲发送个数，步进电机根据脉冲个数调整节流阀阀口的大小，控制液压油的流量，利用流量传感器对液压油的流量q进行实时检测，根据流量q可计算出液压缸的进给速度va，计算公式如下：

式中，d为液压缸缸径，q为液压缸中的流量。

从而可以实现液压缸进给速度va的自适应实时控制。由于锯架安装在液压缸上，因此该进给速度va即为锯条向下锯切工件的进给速度。

可根据进给速度va和锯切速度vc算出锯齿的吃刀量，在吃刀量的基础上确定超磁致伸缩材料的振动幅度，吃刀量a的计算公式如下：

式中，p为锯条7上相邻两齿的间距(mm)。

为了使锯齿在振动过程中能有效地断屑，防止长切屑的产生，应使超磁致伸缩材料10的振动幅度b略大于吃刀量a，因此设定超磁致伸缩材料的振动幅度b＝1.5a。