一种内置刚度阻尼可变减振器的减振镗杆

本发明涉及一种内置刚度阻尼可变减振器的减振镗杆及其控制方法，属于切削加工。

背景技术：

1、镗削加工在机械制造领域中是一种重要的金属去除材料加工方法，是目前加工深孔轴类零件的主要方法，在航空航天、精密机械、仪器仪表、发动机制造等领域有着不可替代的作用。在镗削加工过程中，由于工件与刀具之中产生变化的切削力，造成刀具产生持续的振动。当孔较深时，刀杆悬伸较长，刚度降低，机床-刀具-工件系统会产生强烈的自激振动。当激振力频率与刀杆的固有频率接近时，颤振尤为剧烈，严重影响加工质量。

2、企业与学者设计了内置振子吸振器的减振镗杆，也有的学者设计出了具有刚度与阻尼可调振子吸振器的减振镗杆，然而其设计的实现需要在镗杆内部有限的空腔中加入压电晶体或者是抱闸组件与步进电机来实现参数的调节。例如：公布日为2021年12月21日，公布号为cn113814432a的专利文献中，公开了一种刚度与阻尼可调式减振镗杆及控制方法，镗杆设置有前端开口空腔，该空腔的前端开口处设置有刀头连接件，悬臂梁的固定端设置于刀头连接件内壁中心点，质量块为具有中心通孔的圆柱形，质量块左端套设在悬臂梁的悬空端，并可沿悬臂梁轴向移动，质量块右端面设置铁块，电磁铁与铁块同轴相对设置，且二者之间存在轴向间隙，电磁铁通电后与铁块之间产生吸力，进而实现阻尼减振，通过控制电磁铁两端电压值来调节阻尼大小。再如：公布日为2022年5月27日，公布号为cn114535633a的专利文献中，公开了一种旋转式变刚度变阻尼减振镗杆，在镗杆空腔的前端内插装有支撑套，矩形悬臂梁的前端固接有步进电机的输出轴并套装有套筒，在支撑套后端的内侧壁与套筒的外侧壁之间设有外壳，外壳的内侧壁沿圆周方向通过均布的多个凹槽安装有抱闸组件，镗杆空腔的底部固接有电磁铁，步进电机、抱闸组件和电磁铁均与控制系统电连接。显然，在实际工程中操作难度大，同时基于其结构有控制不方便、响应慢不精准的问题。基于以上问题，本发明提出了一种内置刚度阻尼可变减振器的减振镗杆及其控制方法。

技术实现思路

1、针对上述现有技术，为了解决长悬伸刀杆在加工过程中振动幅度大，进而影响加工效率与加工表面质量的问题，本发明设计了一种内置刚度阻尼可变减振器的减振镗杆。

2、为了解决上述技术问题，本发明提出的一种内置刚度阻尼可变减振器的减振镗杆，包括镗杆主体、刀头和智能控制单元；所述镗杆主体的前部设有空腔，所述镗杆主体的后部同轴的设有与所述空腔贯通的轴孔；所述刀头通过连接盖安装在所述镗杆主体的空腔端口处；所述空腔内沿镗杆主体的轴向自前向后依次设有电磁铁、振子、滑动支撑、悬臂座和推动体；所述电磁铁与所述连接盖固接，所述悬臂座与所述镗杆主体固定，所述滑动支撑和悬臂座均分别设有中心孔，所述推动体上设有中心螺纹孔，所述悬臂座通过中心孔固接有悬臂杆；所述振子与所述悬臂杆固定，所述电磁铁与所述振子之间存在有不大于3mm的气隙；所述滑动支撑通过中心孔与所述悬臂杆滑动配合，所述轴孔内设有丝杠，所述丝杠的前端与所述推动体的中心螺纹孔配合，所述丝杠的后端通过联轴器与步进电机的输出端相连；所述滑动支撑、悬臂座和推动体均设有围绕中心轴线周向布置的n+m个通孔，其中，n个通孔为平衡气压孔，m个为连杆孔，n和m均≥2；所述滑动支撑、悬臂座和推动体上的m个连杆孔的轴线分别重合，每个连杆孔中穿过一连接杆，所述滑动支撑和所述推动体分别与所述连接杆的两端固接，所述悬臂座上连杆孔的直径大于所述连接杆的直径；所述镗杆主体上、位于所述刀头一侧的外壁上设有加速度传感器；所述加速度传感器、电磁铁和步进电机均与所述的智能控制单元相连；所述的智能控制单元包括有中央处理器，加速度信号采集卡、直流电磁铁电压控制器和步进电机控制器，所述中央处理器中包括刚度与阻尼控制程序，通过分析所述加速度传感器的信号，提取当前激振频率，根据二自由度系统动力学模型的激振频率-振动幅值函数，得到当前激振频率下能使振动幅值最小的振子刚度与阻尼值，并通过调节所述电磁铁的电压与所述步进电机的转角使所述振子的阻尼与刚度调节到所述的当前激振频率下能使振动幅值最小的振子刚度与阻尼值。

3、进一步讲，本发明所述的减振镗杆，其中，

4、所述电磁铁通过螺栓与所述连接盖固接，所述连接盖设有预留孔，所述电磁铁的导线自所述预留孔穿出后连接至所述智能控制单元。

5、所述镗杆主体的后端设有电机连接架，所述步进电机固定在所述电机连接架上。

6、所述悬臂座通过两个径向顶丝与所述镗杆主体定位并固定。

7、所述电磁铁包括励磁线圈和杯型铁芯，所述励磁线圈产生磁场后，磁场经过所述电磁铁与所述振子之间的气隙、所述振子、所述杯型铁芯的杯壁形成闭合回路。

8、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

9、(1)本发明通过采用合理的变刚度与变阻尼机理，以精巧的组合方式与结构设计实现了在刀杆内部有限的空腔内能够同时分别独立调节减振器的阻尼与刚度，比只调节阻尼或刚度的同类发明有更广泛的调节空间、适应范围和更好的减振效果；

10、(2)本发明的三段式悬臂结构(即，滑动支撑8、悬臂座9和推动体12),可以在不改变质量块与悬臂位置的情况下改变悬臂的悬伸，为阻尼的调节创造了基础，最终实现分别独立调节振子刚度与阻尼；

11、(3)本发明通过改变悬臂杆的悬伸长度来控制振子的刚度变化，相比用橡胶提供刚度不易老化、可以调节；采用电磁涡流阻尼原理，相比于采用阻尼液的产品，不易泄露，安装方便，可控性强，反应灵敏，寿命长；

12、(4)本发明采用智能控制模块对采集到的加速度信号进行实时处理与分析，通过内部存储的对应关系得到最优的阻尼与刚度，并对执行器进行控制，实现不同工况下的自适应调节，不需人为干预。

技术特征：

1.一种内置刚度阻尼可变减振器的减振镗杆，包括镗杆主体(13)、刀头(1)和智能控制单元(17)；其特征在于，

2.根据权利要求1所述的内置刚度阻尼可变减振器的减振镗杆，其特征在于，所述电磁铁(5)通过螺栓(4)与所述连接盖(3)固接，所述连接盖(3)设有预留孔，所述电磁铁(5)的导线自所述预留孔穿出后连接至所述智能控制单元(17)。

3.根据权利要求1所述的内置刚度阻尼可变减振器的减振镗杆，其特征在于，所述镗杆主体(13)的后端设有电机连接架(14)，所述步进电机(16)固定在所述电机连接架(14)上。

4.根据权利要求1所述的内置刚度阻尼可变减振器的减振镗杆，其特征在于，所述悬臂座(9)通过两个径向顶丝(19)与所述镗杆主体(13)定位并固定。

5.根据权利要求1所述的内置刚度阻尼可变减振器的减振镗杆，其特征在于，所述电磁铁(5)包括励磁线圈(51)和杯型铁芯(52)，所述励磁线圈产生磁场后，磁场经过所述电磁铁(5)与所述振子(6)之间的气隙、所述振子(6)、所述杯型铁芯(52)的杯壁形成闭合回路。

技术总结
本发明公开了一种内置刚度阻尼可变减振器的减振镗杆，包括刀头、连接盖、镗杆主体、电磁铁、振子、悬臂杆，滑动支撑、悬臂座、连接杆、推动体、丝杠、联轴器、电机座、步进电机、智能控制单元和加速度传感器；镗杆主体前端空腔内设置有电磁铁，电磁铁与振子间存在轴向间隙，通过电压大小来控制振子的电涡流阻尼大小；振子另一端为悬臂杆，穿过滑动支撑与悬臂座连接，悬臂座与镗杆固接；通过电机控制滑动支撑位置改变悬臂杆的悬伸进而改变振子的刚度；加速度传感器置于镗杆外位于刀头的一侧，智能控制单元通过分析振动信号，改变电机转角与电磁铁电压控制振子系统阻尼与刚度，实现最优减振。本发明用于深孔加工。

技术研发人员：李士鹏,杨天霖,秦旭达,李皓,赵庆
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7