1.本发明涉及机械制造技术领域，尤其涉及大型叶轮铣削过程中的振动主动抑制装置及其方法。
背景技术：2.大型叶轮是航空航天、能源动力、船舶等装备的核心部件，其加工质量直接影响着这些重大设备运行稳定性和安全性。铣削加工是叶轮的主要制造方式，在大型叶轮铣削过程中，普遍存在加工振动大，造成加工效率和加工精度低，刀具磨损、破损速度快，生产成本高的问题。如何有效抑制大型叶轮铣削过程中的振动已成为必须掌握的关键技术。
3.加工振动可以分为强迫振动、自激振动等形式，目前常用的切削参数优化方法主要针对自激振动，并且切削参数优化方法需要修改加工过程中的工艺参数，操作复杂，更重要的是达不能良好的效果。而加工振动主动抑制方法可以有效抑制加工过程中的强迫振动、自激振动等振动形式，同时不影响加工工艺规划，具有较高的应用价值。因此，如何开发出针对大型叶轮铣削过程中的振动主动抑制装置及方法变得至为重要。
技术实现要素：4.本发明针对大型叶轮铣削过程中，加工振动大、振动难以有效抑制，造成加工效率低、加工精度得不到保证的问题，提出一种大型叶轮铣削过程中的振动主动抑制装置及方法，实现对大型叶轮加工振动有效抑制，达到提高加工质量和效率、降低生产成本的目的。
5.本发明的技术方案为：一种大型叶轮铣削过程中的振动主动抑制装置，包括感知系统、测量系统和控制系统，三者均固定于固定底板1上；
6.感知系统主要由弹性气囊11和变径u型管4组成；弹性气囊11由相连通的底座和柱体组成，底座固定于叶轮毛坯12与机床工作台13之间形成的空隙中，柱体固定于叶轮毛坯12轮毂中间的空腔中；变径u型管4一端为细端，另一端为粗端，两端间呈现过渡形态；细端与控制系统中的电动缸a3相连接，粗端与弹性气囊11的底座相连接，变径u型管4的中间部位与测量系统中的气压缸5的输入侧相连接；
7.测量系统主要由可移动支点的杠杆系统、位移传感器9和电动缸b14组成；可移动支点的杠杆系统包括气压缸5、杠杆6、支点柱7、导杆8和固定套筒10；杠杆6一端与气压缸5的输出侧相连接，另一端与导杆8一端通过铰链相连接；杠杆6的中间部位与支点柱7一端相连接，二者连接处作为支点，杠杆6绕着该支点进行圆周运动；支点柱7另一端安装在电动缸b14的输出端，电动缸b14 固定于固定底板1上，通过控制电动缸b14运动，带动支点柱7沿着杠杆6移动，达到改变杠杆支点的目的，既而实现杠杆放大功能；导杆8为竖直导杆，穿过固定套筒10后另一端与位移传感器9相连接；固定套筒10呈l形，其一端固定于固定底板1上，导杆8在固定套筒10内自由上下移动；位移传感器9 用以测量其与固定底板1间的距离；
8.控制系统主要由电动缸a3组成；电动缸a3通过支座2固定于固定底板1 上。
9.所述变径u型管4的细端与粗端直径比为1:1000。
10.所述气压缸5输出侧内安装有复位弹簧，具有自复位功能。
11.所述杠杆6长度大于500mm，杠杆6两端绕支点运动视为直线运动。
12.一种大型叶轮铣削过程中的振动主动抑制方法，具体包括步骤如下：
13.步骤一、加工开始前，通过电动缸b14调节测量系统中杠杆6的支点，根据加工情况使支点分割杠杆6为若干份，其中杠杆6与气压缸5相连接侧占比小于杠杆6与导杆8相连接侧占比；以比例为1:1000进行说明，其中杠杆6与气压缸5相连接侧占比小，杠杆6与导杆8系统相连接侧占比大，也就是气压缸5运动量程为1，导杆8运量量程为1000。
14.控制系统中的电动缸a3运动，通过变径u型管4向弹性气囊11充气；由于变径u型管4和测量系统中的气压缸5相连通，气压缸5输出位移，带动杠杆6绕着支点运动，杠杆6另一端的导杆8在固定套筒10内运动，位移传感器 9识别其与固定底板1之间的距离；通过实际测量值与设定的加工前目标值进行对比，根据具体差值控制电动缸a3输出情况，使弹性气囊11维持在小压强状态，等待加工开始；
15.步骤二、加工开始后，控制弹性气囊11压强大于加工开始前的弹性气囊11 压强；控制系统中的电动缸a3运动，通过变径u型管4向弹性气囊11充气，增大弹性气囊11压强，测量系统中的气压缸5活塞运动，气压缸5输出端输出位移，带动杠杆6绕支点运动，导杆8在固定套筒10内运动，造成位移传感器 9位置发生变化，通过位移传感器9实际测量与设定的加工中目标值进行对比，根据具体差值控制电动缸a3输出，对弹性气囊11进行排气或充气，使弹性气囊11维持在恒定压强状态；
16.步骤三、叶轮加工过程中产生振动，弹性气囊11受到影响，其中的气压发生变化，测量系统的气压缸5活塞运动，导致位移传感器9测量值发生变化，将位移传感器9实际测量位移量与设定的加工中目标值进行对比，根据具体差值控制电动缸a3输出，达到弹性气囊11维持在恒定压强状态的目的，为叶轮提供支撑，有效抑制加工过程中的振动；
17.步骤四、加工结束后，控制弹性气囊11压强小于加工中的弹性气囊11压强，控制系统中的电动缸a3运动，通过变径u型管4排出气囊充气量，减小弹性气囊11压强，最终导致位移传感器9测量值发生变化，通过位移传感器9 实际测量位移量与设定的加工后目标值进行对比，根据具体差值控制电动缸a3 输出，实现弹性气囊11维持在小压强状态，等待下一次加工开始。
18.所述杠杆系统有两个作用，第一、杠杆系统将变径u型管4内的压强测量问题转化为导杆8位移测量问题；第二、杠杆系统拥有放大功能，变径u型管 4内的压强测量精度是位移传感器9精度的比例倍数，实现通过位移传感器9对弹性气囊11压强进行高精度测试。
19.本发明的有益效果是：选用杠杆系统将气囊压强测量问题转化为导杆位移测量问题，同时利用杠杆系统放大功能显著提高压强测量精度，通过小量程位移传感器实现对加工过程中的振动高精度识别，依靠高精度电动缸不断地对气囊进行充气或排气，使气囊维持在恒定的压强状态，为加工过程中叶轮提供有效支撑，显著降低加工振动，提高加工质量和效率。本发明采用气压传动方式，运动平稳保证了测试过程中无额外振动干扰，同时该装置结构灵巧、布局合理、适应性强、寿命长、测量精度高，解决了大型叶轮加工振动难以有效抑制的问题，具有良好的经济性和推广价值。
附图说明
20.图1是大型叶轮铣削过程中的振动主动抑制装置总体结构的轴测图。
21.图2是大型叶轮铣削过程中的振动主动抑制装置叶轮剖开的总体结构轴测图。
22.图3是大型叶轮铣削过程中的振动主动抑制装置去叶轮的总体结构轴测图。
23.图4是大型叶轮铣削过程中的振动主动抑制装置总体结构的俯视图。
24.图5是大型叶轮铣削过程中的振动主动抑制装置总体结构的左视图。
25.图6是弹性气囊示意图。
26.图7是该装置气压缸剖视图。
27.图8是杠杆系统部分轴测图。
具体实施方式
28.以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
29.如附图1-8所示，装配时零件用煤油清洗，晾干后配合表面涂油，各零件不加工表面应清洗干净，除去毛边毛刺，浸涂防锈漆，在密封口缠绕多层生胶带，严格保证气压缸5及气压缸与软管连接处的密封性；感知系统中的弹性气囊11 底座安装于叶轮毛坯底座与机床工作台13之间的空隙中，弹性气囊11的顶部安装于叶轮毛坯轮毂中间的空腔中。电动缸a3、电动缸b14和固定套筒10固定于底板1上，调整测量系统与控制系统之间的空间关系，避免产生干涉。
30.通过电动缸b14调节测量系统中的杠杆6支点，使支点分割杠杆6为1:1000，其中杠杆6与气压缸5相连接侧占比小，杠杆6与导杆8系统相连接侧占比大，也就是气压缸5运动量程为1，导杆8运动量程为1000。控制系统中的电动缸 a3运动，通过变径u型管4向弹性气囊11充气，同时，变径u型管4向测量系统中的气压缸5输入端充气，气压缸5输出端输出位移，带动杠杆6绕着支点运动，既而杠杆6另一端的导杆8在固定套筒10内运动，而安装在导杆8另一端的位移传感器9便可以识别导杆8运动位移量，通过这个实际测量位移量与设定的加工前目标位移量进行对比，通过pid控制电动缸a3的伺服电机，使弹性气囊11维持在较小的压强状态，等到加工开始。
31.加工开始后，弹性气囊11压强需要大于加工开始前的弹性气囊11压强，控制系统中的电动缸a3运动，通过变径u型管4向弹性气囊11充气，增大弹性气囊11压强，由于弹性气囊11压强增大，测量系统的导杆8自动带动位移传感器9运动，通过位移传感器9实际测量位移量与设定的加工开始后位移量进行对比，根据具体差值控制电动缸a3输出，实现弹性气囊11维持在足够大的恒定压强状态。
32.叶轮加工过程中产生振动，弹性气囊11受到影响，弹性气囊11中的气压发生变化，测量系统的气压缸5会发生变化，一旦杠杆6一端的气压缸5发生变化，杠杆6另一端的导杆8会自动带动激光位移传感器9运动，通过位移传感器9实际测量位移量与设定的加工开始后位移量进行对比，通过pid控制电动缸a的伺服电机，实现弹性气囊11维持在足够大的恒定输出压强状态，为叶轮提供支撑，有效抑制加工过程中的振动。
33.此次加工结束后，控制系统中的电动缸a3运动，通过变径u型管4排出弹性气囊11充气量，减小弹性气囊11压强，由于弹性气囊11压强减小，测量系统的导杆8带动位移传感器9运动，通过实际测量位移量与设定的加工结束后的位移量进行对比，根据具体差值通过
pid控制电动缸a3的伺服电机，实现弹性气囊11维持在较小的压强状态，等待下一次加工开始。
34.该装置结构灵巧、布局合理、适应性强、寿命长、测量精度高，解决了大型叶轮加工振动难以有效抑制的问题，具有良好的经济性和推广价值。
技术特征：1.一种大型叶轮铣削过程中的振动主动抑制装置，其特征在于，该振动主动抑制装置包括感知系统、测量系统和控制系统，三者均固定于固定底板(1)上；感知系统主要由弹性气囊(11)和变径u型管(4)组成；弹性气囊(11)由相连通的底座和柱体组成，底座固定于叶轮毛坯(12)与机床工作台(13)之间形成的空隙中，柱体固定于叶轮毛坯(12)轮毂中间的空腔中；变径u型管(4)一端为细端，另一端为粗端，两端间呈现过渡形态；细端与控制系统中的电动缸a(3)相连接，粗端与弹性气囊(11)的底座相连接，变径u型管(4)的中间部位与测量系统中的气压缸(5)的输入侧相连接；测量系统主要由可移动支点的杠杆系统、位移传感器(9)和电动缸b(14)组成；可移动支点的杠杆系统包括气压缸(5)、杠杆(6)、支点柱(7)、导杆(8)和固定套筒(10)；杠杆(6)一端与气压缸(5)的输出侧相连接，另一端与导杆(8)一端通过铰链相连接；杠杆(6)的中间部位与支点柱(7)一端相连接，二者连接处作为支点，杠杆(6)绕着该支点进行圆周运动；支点柱(7)另一端安装在电动缸b(14)的输出端，电动缸b(14)固定于固定底板(1)上，通过控制电动缸b(14)运动，带动支点柱(7)沿着杠杆(6)移动，达到改变杠杆支点的目的，既而实现杠杆放大功能；导杆(8)为竖直导杆，穿过固定套筒(10)后另一端与位移传感器(9)相连接；固定套筒(10)呈l形，其一端固定于固定底板(1)上，导杆(8)在固定套筒(10)内自由上下移动；位移传感器(9)用以测量其与固定底板(1)间的距离；控制系统主要由电动缸a(3)组成；电动缸a(3)通过支座(2)固定于固定底板(1)上。2.根据权利要求1所述的大型叶轮铣削过程中的振动主动抑制装置，其特征在于，所述变径u型管(4)的细端与粗端直径比为1:1000。3.根据权利要求1或2所述的大型叶轮铣削过程中的振动主动抑制装置，其特征在于，所述气压缸(5)输出侧内安装有复位弹簧，具有自复位功能。4.根据权利要求3所述的大型叶轮铣削过程中的振动主动抑制装置，其特征在于，所述杠杆(6)长度大于500mm，杠杆(6)两端绕支点运动视为直线运动。5.一种大型叶轮铣削过程中的振动主动抑制方法，其特征在于，具体包括步骤如下：步骤一、加工开始前，通过电动缸b(14)调节测量系统中杠杆(6)的支点，根据加工情况使支点分割杠杆(6)为若干份，其中杠杆(6)与气压缸(5)相连接侧占比小于杠杆(6)与导杆(8)相连接侧占比；控制系统中的电动缸a(3)运动，通过变径u型管(4)向弹性气囊(11)充气；由于变径u型管(4)和测量系统中的气压缸(5)相连通，气压缸(5)输出位移，带动杠杆(6)绕着支点运动，杠杆(6)另一端的导杆(8)在固定套筒(10)内运动，位移传感器(9)识别其与固定底板(1)之间的距离；通过实际测量值与设定的加工前目标值进行对比，根据具体差值控制电动缸a(3)输出情况，使弹性气囊(11)维持在小压强状态，等待加工开始；步骤二、加工开始后，控制弹性气囊(11)压强大于加工开始前的弹性气囊(11)压强；控制系统中的电动缸a(3)运动，通过变径u型管(4)向弹性气囊(11)充气，增大弹性气囊(11)压强，测量系统中的气压缸(5)活塞运动，气压缸(5)输出端输出位移，带动杠杆(6)绕支点运动，导杆(8)在固定套筒(10)内运动，造成位移传感器(9)位置发生变化，通过位移传感器(9)实际测量与设定的加工中目标值进行对比，根据具体差值控制电动缸a(3)输出，对弹性气囊(11)进行排气或充气，使弹性气囊(11)维持在恒定压强状态；步骤三、叶轮加工过程中产生振动，弹性气囊(11)受到影响，其中的气压发生变化，测
量系统的气压缸(5)活塞运动，导致位移传感器(9)测量值发生变化，将位移传感器(9)实际测量位移量与设定的加工中目标值进行对比，根据具体差值控制电动缸a(3)输出，达到弹性气囊(11)维持在恒定压强状态的目的，为叶轮提供支撑，有效抑制加工过程中的振动；步骤四、加工结束后，控制弹性气囊(11)压强小于加工中的弹性气囊(11)压强，控制系统中的电动缸a(3)运动，通过变径u型管(4)排出气囊充气量，减小弹性气囊(11)压强，最终导致位移传感器(9)测量值发生变化，通过位移传感器(9)实际测量位移量与设定的加工后目标值进行对比，根据具体差值控制电动缸a(3)输出，实现弹性气囊(11)维持在小压强状态，等待下一次加工开始。
技术总结本发明属于机械制造技术领域，提出了一种大型叶轮铣削过程中的振动主动抑制装置及其方法，该装置选用杠杆系统将气囊压强测量问题转化为导杆位移测量问题，同时利用杠杆系统放大功能显著提高压强测量精度，通过小量程位移传感器实现对加工过程中的振动高精度识别，依靠高精度电动缸不断地对气囊进行充气或排气，使气囊维持在恒定的压强状态，为加工过程中叶轮提供有效支撑，显著降低加工振动，提高加工质量和效率。本发明采用气压传动方式，运动平稳保证了测试过程中无额外振动干扰，同时该装置结构灵巧、布局合理、适应性强、寿命长、测量精度高，解决了大型叶轮加工振动难以有效抑制的问题，具有良好的经济性和推广价值。具有良好的经济性和推广价值。具有良好的经济性和推广价值。
技术研发人员：代月帮 李宏坤 杨超 欧佳玉
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2022.06.24
技术公布日：2022/11/1
