磁偏移式动平衡砂轮颤振抑制装置及方法与流程

本发明涉及磨削加工技术领域，特别涉及磁偏移式动平衡砂轮颤振抑制装置及方法。

背景技术：

在轧辊磨削过程中，磨削颤振是轧辊加工中一种十分有害的现象，它直接妨碍着加工质量和生产效率的提高。磨削加工过程始终是一个不稳定的过程，磨削颤振始终存在，且随磨削时间的延长而逐渐增大。在磨削加工的伊始，即使没有其它因素的振动产生，但由于砂轮本身硬度不均及磨耗不均而产生交变力，也会引起砂轮的再生效应引起磨削颤振产生。根据研究表明，由于轧辊质量大、体积大，对颤振影响不明显，轧辊磨削过程中砂轮的颤振起到了主导作用。

现有技术中对于砂轮的减振方案一般采用主动式在线动平衡或者砂轮结构减振的方法。由于工艺成熟度和制造成本的限制，需要广泛使用并且稳定可靠，对于砂轮结构和材料的改进推广度不高，加工制造方面更倾向于采用能够外置改进磨削颤振现象的结构。对于主动式在线动平衡方法，中国专利cn201710812132.8提出了一种步进电机驱动两平衡盘双向调节在线动平衡头，包括平衡盘部分、控制盘部分；其中，平衡盘部分与控制盘部分分别通过轴承和过盈配合连接到动平衡头轴套上，轴套通过涨紧套固连在主轴上，平衡盘通过步进电机驱动实现相对于主轴自由转动、而控制盘则是实时与主轴同步转动；采用双配重固定半径极坐标方式，由平衡盘a、b组成用于提供双配重，虽然双配重中每个配重提供的平衡质量是固定的，但是通过改变双配重的相对夹角，从而改变最终整体输出的平衡质量。中国专利cn201510404986.3公开了一种用于高转速情况下的注排液式在线动平衡头结构，包括底盘及水槽盖，底盘的侧面开设有第一通孔及若干储液腔，各储液腔均匀的分布于第一通孔的外周，第一通孔的内壁上沿周向开设有相互平行的若干环形槽，各环形槽的底部设有与对应储液腔相连通的进液孔，底盘的外侧设有若干分别与对应储液腔相连通的第二通孔，各第二通孔内均设有节流阀，水槽盖固定于底盘的侧面，通过改变各个腔体的液体体积调整动平衡。

对于现有技术中的砂轮平衡装置，普遍存在以下不足：1、单纯使用动平衡原理进行减振，消振效果不足，采用调整重心的方式实现在线实时动平衡操作，目的是减轻由于转子工作过程中不平衡造成的振动，但是，我们最终目的是减少甚至消除振动，转子运行更平稳，而不是减少振动增量，让转子更平稳地振动；2、配重设置不合理，配重的位置和大小等参数没有一套完整的基础理论进行支撑，不容易进行调整，在航空领域，飞机的机翼末端颤振量最大，基于仿生学，由蜻蜓翼眼得到启发，采用机翼末端增加配重的方式减小了飞机颤振，改变砂轮配重的大小、位置等参数可以抑制颤振；3、传统减振方法所采用的的弹簧-阻尼系统，对于高转速的砂轮转子颤振来说减振效果不够好，需要响应迅速、控制灵活的减振方法，新型的电磁阻尼器原理为我们提供了一个思路；4、对于颤振量较大的情况，为了更好地抑制颤振，需要调控磁偏移量以增大电磁阻尼的效果。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供磁偏移式动平衡砂轮颤振抑制装置及方法，减振球之间存在摩擦阻尼和非线性弹性阻尼、非线性弹性力来消耗砂轮主体颤振的能量，线圈组在环形磁铁的磁场力作用下产生涡流减缓砂轮主体振动，环形磁铁与硅钢片之间的电磁力形成电磁阻尼，根据砂轮主体颤振时的相位偏差抑制颤振，颤振幅度较大时，调整各个绕组线圈的电流强度，使颤振振幅在特定瞬间最大的方向上电磁阻尼力最大，通过电控磁偏移增强减振效果，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了磁偏移式动平衡砂轮颤振抑制装置及方法，技术方案如下：

磁偏移式动平衡砂轮颤振抑制装置，砂轮主体6固定在主轴4的一端；主轴4为中空结构，平衡轴9设置在主轴4内，平衡轴9的轴线与主轴4的轴线重合；平衡轴9由伺服电机8驱动旋转；所述砂轮主体6的侧面固定设有减振盒10，所述减振盒10的内圈设为环形磁铁12；

所述减振盒10通过螺栓连接盖子11密封，所述减振盒10均匀划分为四组以上的偶数组减振单元13，所述减振单元13的上侧和下侧分别插接有弹性片14，所述减振单元13的上侧通过弹性片14固定有上压电片15，所述减振单元13的下侧通过弹性片14固定有下压电片16；所述减振单元13内填充有减振网兜17，所述减振网兜17内包覆有若干个减振球18，所述减振网兜17靠近环形磁铁12的内侧连接有线圈组19，所述线圈组19分别与上压电片15、下压电片16之间通过电路连接；

所述动平衡轴9靠近砂轮主体6的顶端固定有偏心动平衡转子20，所述偏心动平衡转子20为偏心转盘状结构，所述偏心动平衡转子20的外表面均匀设有十组以上硅钢片21，所述硅钢片21的四周绕接有绕组线圈22，每一组硅钢片21周围的绕组线圈22分别为独立电路与控制箱29连接；所述硅钢片21的顶端与环形磁铁12的内圈之间设置1-5毫米间隙。

砂轮架1为中空结构，所述砂轮架1的中部设有支撑架2，所述支撑架2的一端侧壁通过螺栓连接到支撑台3，所述砂轮架1的内壁转动连接有主轴4，所述砂轮架1的一端卡接有与主轴4转动连接的垫圈5，所述主轴4靠近垫圈5的一端安装有砂轮主体6，所述砂轮架1的另一端通过螺栓安装有电机支架7，所述电机支架7的侧面固定设有伺服电机8，所述伺服电机8的输出轴通过联轴器紧固连接有动平衡轴9；所述砂轮架1的上表面安装有三轴振动传感器30，所述三轴振动传感器30通过电路连接到控制箱29，所述控制箱29通过电路与伺服电机8连接。

所述环形磁铁12的两个磁极分布在环形磁铁12的内圈和外圈。

所述支撑台3设为以阶梯状垫块为主体的结构，所述支撑台3的一侧设有与砂轮架1平行的进给机构23，所述支撑台3的底部设有支撑机构24，所述进给机构23采用液压动力单元。

所述环形磁铁12为汝铁硼，所述弹性片14为波浪形弹性簧片，所述减振网兜17为弹性网兜，所述减振球18包括中心的铜球25以及铜球25表面的包覆橡胶26。

所述上压电片15、下压电片16均为压电陶瓷片，所述上压电片15、下压电片16的两侧表面分别连接有正极接线柱27和负极接线柱28，所述线圈组19的一端分别通过不同极性的接线柱连接到上压电片15、下压电片16，所述线圈组19的另一端分别通过不同极性的接线柱连接到上压电片15、下压电片16。

所述控制箱29内置plc可编程控制器和py2770-g型砂轮动平衡仪，plc可编程控制器和砂轮动平衡仪之间通过电路连接。

所述主轴4靠近电机支架7的一端固定连接有皮带轮31，所述电机支架7设为三面结构，所述电机支架7的底面空置。

所述支撑架2的两端均为圆弧结构，所述支撑架2的底边水平设置，所述支撑架2的顶边倾斜设置，所述支撑架2整体呈现为大圆角三角形。

本发明进一步公开了一种磁偏移式动平衡砂轮颤振抑制方法，启动轧辊磨床，砂轮主体6和轧辊分别启动到正常转速时，通过进给机构23调整进给速度，在砂轮主体6的外表面和轧辊的外表面接触磨削过程中，由于轧辊表面的损伤和磨削过程中的时滞作用，当砂轮主体6发生颤振的情况时，颤振的振动量通过砂轮架1上的三轴振动传感器30进行采集，并通过电路将振动量传输到控制箱29，控制箱29控制伺服电机8的旋转速度和幅度，通过动平衡轴9带动偏心动平衡转子20旋转；

砂轮主体6颤振会被弹性片14及弹性片14连接的上压电片15、下压电片16吸收，在此过程中，由于线圈组19的两端分别通过不同极性的接线柱连接到上压电片15、下压电片16，上压电片15、下压电片16由振动量产生的电荷量对线圈组19施加相同的电流方向，通电的线圈组19在环形磁铁12的磁场力作用下会产生涡流使环形磁铁12及其连接的砂轮主体6振动减缓；

减振单元13内由减振网兜17包覆的若干个减振球18之间存在摩擦阻尼和非线性弹性阻尼、非线性弹性力，若干个减振球18之间消耗颤振的能量，而且减振球18包括中心的铜球25，增加了砂轮主体6的配重和惯性，减振球18可以形成微型非线性动力吸振器的效果，由于惯性，减振球18在颤振方向上的位移滞后，会给相应方向的上压电片15、下压电片16施加压力，增加线圈组19涡流的效果；

环形磁铁12作为连接媒介，控制箱29分别控制各个绕组线圈22的电流强度，当各个绕组线圈22的电流强度相等时，偏心动平衡转子20外表面的硅钢片21与绕组线圈22之间形成电磁效应，环形磁铁12与硅钢片21之间的电磁力形成电磁阻尼，根据砂轮主体6颤振时的相位偏差进行减振，当颤振量增大时，为了增强减振效果，通过控制箱29调整各个绕组线圈22的电流强度，使颤振振幅在特定瞬间最大的方向上电磁阻尼力最大，通过电控磁偏移增强减振效果。

本发明至少包括以下有益效果：

1、通过伺服电机驱动偏心动平衡转子旋转，根据成熟的转子动平衡原理和控制方案进行动平衡减振，可靠性高，能实现较好的减振效果；

2、砂轮颤振时自激振动的能量冲击压电陶瓷片，通过调整压电陶瓷片接线柱的方向实现对线圈组施加相同的电流方向，通电的线圈组在环形磁铁的磁场力作用下会产生涡流，根据楞次定律涡流会使环形磁铁及其连接的砂轮主体振动减缓；

3、减振单元内由减振网兜包覆的若干个减振球之间存在摩擦阻尼和非线性弹性阻尼、非线性弹性力，若干个减振球之间消耗砂轮主体颤振的能量，以抑制颤振；

4、减振球采用中心铜球和包覆橡胶组合的结构，增加了砂轮主体的配重，同时形成非线性动力吸振器的效果，以抑制颤振；

5、减振球在颤振方向上的位移滞后，会给相应方向的压电陶瓷片施加压力，增加线圈组上的电流强度以及涡流抑制颤振的效果；

6、颤振幅度较小时，绕组线圈电流强度相等，环形磁铁与硅钢片之间的电磁力形成电磁阻尼原理，根据砂轮主体颤振时的相位偏差抑制颤振；

7、颤振幅度较大时，调整各个绕组线圈的电流强度，使颤振振幅在特定瞬间最大的方向上电磁阻尼力最大，通过电控磁偏移增强减振效果。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明的前侧结构示意图；

图2为本发明的后侧结构示意图；

图3为本发明的右视图；

图4为本发明的主视图；

图5为减振单元的局部示意图；

图6为减振球的结构示意图；

图7为线圈组的电路连接图。

图中：1、砂轮架；2、支撑架；3、支撑台；4、主轴；5、垫圈；6、砂轮主体；7、电机支架；8、伺服电机；9、动平衡轴；10、减振盒；11、盖子；12、环形磁铁；13、减振单元；14、弹性片；15、上压电片；16、下压电片；17、减振网兜；18、减振球；19、线圈组；20、偏心动平衡转子；21、硅钢片；22、绕组线圈；23、进给机构；24、支撑机构；25、铜球；26、包覆橡胶；27、正极接线柱；28、负极接线柱；29、控制箱；30、三轴振动传感器；31、皮带轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

根据图1-7所示，本发明提供了磁偏移式动平衡砂轮颤振抑制装置及方法，技术方案如下：

包括

砂轮架1，砂轮架1为中空结构，砂轮架1的中部设有支撑架2，支撑架2的两端均为圆弧结构，支撑架2的底边水平设置，支撑架2的顶边倾斜设置，支撑架2整体呈现为大圆角三角形，支撑架2的结构设计是为了提高刚度和稳定性，支撑架2的一端侧壁通过螺栓连接到支撑台3，支撑台3设为以阶梯状垫块为主体的结构，支撑台3的一侧设有与砂轮架1平行的进给机构23，进给机构23采用液压动力单元，用于为支撑台3提供横向的进给力，支撑台3的底部设有支撑机构24，用于控制支撑台3的高度，砂轮架1的内壁转动连接有主轴4，主轴4为空心圆柱结构，主轴4靠近电机支架7的一端固定连接有皮带轮31，主轴4通过皮带轮31带动旋转，砂轮架1的一端卡接有与主轴4转动连接的垫圈5，主轴4靠近垫圈5的一端安装有砂轮主体6，砂轮主体6用于磨削轧辊，砂轮架1的一端通过螺栓安装有电机支架7，电机支架7设为三面结构，电机支架7的底面空置，为皮带轮31传动的皮带留出空间，电机支架7的侧面固定设有伺服电机8，伺服电机8的输出轴通过联轴器紧固连接有动平衡轴9，动平衡轴9的轴线与主轴4的轴线重合，伺服电机8用于控制动平衡轴9的旋转速度和幅度；

砂轮主体6的侧面固定设有减振盒10，其为双层圆环形盒状结构，减振盒10的外侧通过螺栓连接有与其匹配的盖子11，减振盒10的内圈设为环形磁铁12，环形磁铁12为汝铁硼，环形磁铁12的两个磁极分布在内圈和外圈，减振盒10均匀划分为四组以上的偶数组减振单元13，减振单元13按照对称关系成对使用，通过调节减振单元13使用的个数能够实现调节砂轮主体6的配重，减振单元13的上侧和下侧分别插接有弹性片14，弹性片14为波浪形弹性簧片，减振单元13的上侧通过弹性片14固定有上压电片15，减振单元13的下侧通过弹性片14固定有下压电片16，上压电片15、下压电片16均为压电陶瓷片，上压电片15、下压电片16的两侧表面分别连接有正极接线柱27和负极接线柱28，减振单元13内填充有减振网兜17，减振网兜17为弹性网兜，减振网兜17内包覆有若干个减振球18，减振网兜17用于约束减振球18之间的距离，减振球18包括中心的铜球25以及铜球25表面的包覆橡胶26，减振网兜17靠近环形磁铁12的内侧连接有线圈组19，线圈组19分别与上压电片15、下压电片16之间通过电路连接，线圈组19的一端分别通过不同极性的接线柱连接到上压电片15、下压电片16，线圈组19的另一端分别通过不同极性的接线柱连接到上压电片15、下压电片16；

动平衡轴9的顶端固定有偏心动平衡转子20，偏心动平衡转子20为偏心转盘状结构，偏心动平衡转子20的外表面均匀设有十组以上硅钢片21，硅钢片21为t形结构用于防止绕组线圈22在离心力的作用下分散，硅钢片21的四周绕接有绕组线圈22，每一组硅钢片21周围的绕组线圈22分别为独立电路连接，硅钢片21的顶端与环形磁铁12的内壁之间设置1-5毫米间隙。

支撑台3的上方安装有控制箱29，砂轮架1的上表面安装有三轴振动传感器30，三轴振动传感器30通过电路连接到控制箱29，控制箱29通过电路与伺服电机8连接，控制箱29内置plc可编程控制器和py2770-g型砂轮动平衡仪，plc可编程控制器和砂轮动平衡仪之间通过电路连接。

颤振抑制方法为：

启动轧辊磨床，砂轮主体6和轧辊分别启动到正常转速时，通过进给机构23调整进给速度，在砂轮主体6的外表面和轧辊的外表面接触磨削过程中，由于轧辊表面的损伤和磨削过程中的时滞作用，当砂轮主体6发生颤振的情况时，颤振的振动量通过砂轮架1上的三轴振动传感器30进行采集，并通过电路将振动量传输到控制箱29，控制箱29中的砂轮动平衡仪提供动平衡算法，控制伺服电机8的旋转速度和幅度，通过动平衡轴9带动偏心动平衡转子20旋转，根据动平衡原理进行砂轮的动平衡处理；

砂轮的颤振直接影响到插接在减振单元13上的弹性片14，由于弹性片14的刚度小，容易跟随砂轮进行共振，即砂轮主体6颤振会被弹性片14及弹性片14连接的上压电片15、下压电片16吸收，在此过程中，由于线圈组19的两端分别通过不同极性的接线柱连接到上压电片15、下压电片16，上压电片15、下压电片16由振动量产生的电荷量对线圈组19施加相同的电流方向，通电的线圈组19在环形磁铁12的磁场力作用下会产生涡流，根据楞次定律涡流会使环形磁铁12及其连接的砂轮主体6振动减缓；

由颤振瞬间分析，减振单元13内由减振网兜17包覆的若干个减振球18之间存在摩擦阻尼和非线性弹性阻尼、非线性弹性力，若干个减振球18之间消耗颤振的能量，而且减振球18包括中心的铜球25，增加了砂轮主体6的配重和惯性，由振动理论得到配重增加会抑制颤振，减振球18可以形成微型非线性动力吸振器的效果，而减振单元13相当于内置若干个微型非线性动力吸振器抑制砂轮主体6的颤振，由于惯性，减振球18在颤振方向上的位移滞后，会给相应方向的上压电片15、下压电片16施加压力，增加线圈组19涡流的效果；

环形磁铁12作为连接媒介，控制箱29分别控制各个绕组线圈22的电流强度，当各个绕组线圈22的电流强度相等时，偏心动平衡转子20外表面的硅钢片21与绕组线圈22之间形成电磁效应，环形磁铁12与硅钢片21之间的电磁力形成电磁阻尼原理，根据砂轮主体6颤振时的相位偏差进行减振，当颤振量增大时，为了增强减振效果，通过控制箱29调整各个绕组线圈22的电流强度，使颤振振幅在特定瞬间最大的方向上电磁阻尼力最大，通过电控磁偏移增强减振效果。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。