本发明公开一种永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置及工作方法，适用于采掘机械截割力控制领域。包括外圈、内圈、压电柔性梁单元、刚性连接臂Ⅰ、刚性连接臂Ⅱ、刚性连接臂Ⅲ、电荷适调器组、信号采集卡、信号处理模块、PID控制模块组、D/A转换模块、电压放大器；通过压电柔性梁单元的弹性变形实现截割头冲击扭振的缓冲，抑制截割头冲击扭振能流向系统连接轴传递，通过压电陶瓷的主动控制可有效保证截割头的截割力，与现有销式联轴器无缝连接，无需改变永磁直驱式巷道掘进机截割部结构；具有使用方便、控制结构简单等优点，可保证大功率永磁电机在巷道掘进机截割部上的高效可靠应用。
1.一种永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置，其特征在于：包括外圈（1）、内圈（2）、压电柔性梁单元（3）、刚性连接臂Ⅰ（4）、刚性连接臂Ⅱ（5）、刚性连接臂Ⅲ（6）、电荷适调器组（7）、信号采集卡（8）、信号处理模块（9）、PID控制模块组（10）、D/A转换模块（11）、电压放大器（12）；
其中外圈（1）设置在内圈（2）上，内圈（2）圆心处为凸起的柱状轴，外圈（1）和内圈（2）嵌套设置，柱状轴通过多个均匀分布的压电柔性梁单元（3）与外圈（1）内表面固定连接，压电柔性梁单元（3）为弧形结构，在压电柔性梁单元（3）之间的间隙中，在柱状轴与外圈（1）内表面之间等距离分布设有刚性连接臂Ⅰ（4）、刚性连接臂Ⅱ（5）和刚性连接臂Ⅲ（6），刚性连接臂Ⅰ（4）、刚性连接臂Ⅱ（5）和刚性连接臂Ⅲ（6）一端与柱状轴刚性连接，另一端与外圈（1）内部面活动连接；
压电柔性梁单元（3）包括弧形结构的柔性梁（3-1），柔性梁（3-1）的弧形结构外弧形面上分别粘贴有加速度传感器（3-2）和压电作动器（3-3），其中加速度传感器（3-2）靠近柔性梁（3-1）的内圈连接处，压电作动器（3-3）靠近柔性梁（3-1）的外圈连接处，加速度传感器（3-2）通过导线与电荷适调器组（7）的输入端相连接，压电作动器（3-3）通过导线与电压放大器（12）的输出端连接，电荷适调器组（7）的输出端顺序连接信号采集卡（8）、信号处理模块（9）、PID控制模块组（10）和D/A转换模块（11），其中信号采集卡（8）采集电荷适调器组（7）的输出信号并传输给信号处理模块（9），PID控制模块组（10）根据信号处理模块（9）的输出信号进行运算处理确定压电作动器（3-3）的驱动电压信号，经D/A转换模块（11）与电压放大器（12）驱动所有压电作动器（3-3）动作。
2.根据权利要求1所述的一种永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置，其特征在于：所述的刚性连接臂Ⅰ（4）、刚性连接臂Ⅱ（5）、刚性连接臂Ⅲ（6）与外圈（1）内表面接触端设有滚轮，滚轮与外圈（1）内表面接触处设有限位槽，用于限制与刚性连接臂Ⅰ（4）、刚性连接臂Ⅱ（5）、刚性连接臂Ⅲ（6）固定连接的内圈（2）的周向位移，位移上限为压电作动器（3-3）驱动柔性梁（3-1）后弹性变形的最大值。
3.根据权利要求1所述的一种永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置，其特征在于：所述的压电柔性梁单元（3）有6组，压电柔性梁单元（3）中的柔性梁（3-1）结构尺寸关系满足：长度/宽度＞10，长度/高度＞10。
4.根据权利要求1所述的一种永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置，其特征在于：所述的外圈（1）周向均匀设有多个法兰孔，内圈（2）直径大的一端周向均匀设有多个法兰孔，并且外圈（1）的法兰孔与内圈（2）直径大的一端的法兰孔轴线不重合。
5.一种使用权利要求1所述永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置的工作方
法，其特征在于使用大功率永磁电机（13），大功率永磁电机（13）的电机输出轴（14）通过销式联轴器Ⅰ（15）连接有系统连接轴（16），系统连接轴（16）与永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置（18）的一端连接，永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置（18）的另一端设有截割头传动轴（19），截割头传动轴（19）上设有截割头，其中永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置（18）与系统连接轴（16）和截割头传动轴（19）之间均设有销式联轴器Ⅱ（17）；
步骤1、将永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置（18）通过法兰连接安装在大功率永磁电机直接驱动的销式联轴器Ⅱ（17）上，安装位置靠近截割头，并且外圈（1）靠近系统连接轴（16），内圈（2）靠近截割头传动轴（19）；
步骤2、工作时，内圈（2）与外圈（1）之间产生转角差，柔性梁（3-1）弹性变形从而实现冲击负载的主动顺应，刚性连接臂Ⅰ（4）、刚性连接臂Ⅱ（5）和刚性连接臂Ⅲ（6）随着内圈（2）的旋转一起旋转，并被限位槽控制转动范围，以防止旋转角度超过柔性梁（3-1）的弹性变形区间从而造成柔性梁（3-1）的损坏，当停止工作后通过柔性梁（3-1）的回弹回复初始状态；
利用信号采集卡（8）与电荷适调器组（7）实时工作后采集柔性梁（3-1）上加速度传感器（3-2）的输出加速度信号并实时传输给信号处理模块（9），由信号处理模块（9）处理获得内圈（2）所受的瞬时转矩值为 ，式中：m为柔性梁（3-1）单位长度上的质量，a1、a2……ai为i组加速度传感器（3-2）所测位置的加速度值，L为i组加速度传感器（3-2）中心到内圈（2）圆心径向距离，各个加速度传感器（3-2）到内圈圆心的距离相等；
步骤3、利用截割负载计算内圈（2）期望转矩值，利用信号处理模块（9）处理得到的内圈（2）所受瞬时转矩值，计算期望转矩值与瞬时转矩值的差值，PID控制模块组（10）通过差值运算得到压电作动器（3-3）的驱动电压信号，经D/A转换模块（11）与电压放大器（12）传输，控制6组压电作动器（3-3）驱动柔性梁（3-1）发生主动形变，实现截割头输出转矩的主动顺应，抑制截割头所受冲击负载扭振。
6.根据权利要求5所述的工作方法，其特征在于，大功率永磁电机（13）通过法兰连接固定在截割部外壳上，同样系统连接轴（16）、截割头传动轴（19）通过轴承连接等其他公知的方法固定在截割部外壳上，确保大功率永磁电机（13）的输出转速及转矩可有效传递给截割头。
永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置及工作方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种冲击负载扭振主动顺应装置及工作方法，尤其适用于采掘机械截割力控制领域使用的永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置及工作方法。
背景技术
[0002] 截割部是巷道掘进机的主要工作部件，在使用过程中消耗的功率占巷道掘进机总消耗功率的65%以上。现阶段巷道掘进机截割部主要采用“三相异步电机+减速器+截割头”的传动模式，这种方式传动环节多，因电机匹配不合理、调控方式落后，造成了该传动方式下巷道掘进机截割部传动效率低下，电能浪费现象明显。另一方面，截割头在切割煤岩时，由于煤岩体强度的不均匀性、煤岩赋层结构的复杂性，使得作用在截割头上的负载具有随机性、大波动、强冲击的特点。导致传统的巷道掘进机截割部传动系统很容易出现诸多故障，并且齿轮传动系统还需保证良好的润滑。在高效率、高可靠性以及大功率的发展趋势下，传统的异步电机驱动系统面临着不少挑战。
[0003] 近年来，随着矢量控制和直接转矩控制在交流调速系统中的不断发展和完善，永磁直驱传动模式得到了越来越多的应用。采用大功率永磁电机直接驱动模式替代传统的异步电机加减速机的传动方式，可有效减少传动环节以提高系统可靠性及传动效率。但是，巷道掘进机截割部工况复杂，若采用大功率永磁电机直接驱动截割头，在复杂截割工况下系统连接轴扭振现象会更加突出，可能会出现连接轴扭振破坏等恶劣情况。因此，为了实现大功率永磁电机在巷道掘进机截割部上的高效可靠应用，必须对截割部冲击负载扭振进行抑制。中国专利CN201380017016.7设计了一种双质量飞轮用于机车马达驱动轴与变速器输入轴之间的转动振动减振，但是该装置主要采用弓形弹簧进行能量储存与释放，抑制马达驱动轴转动振动向变速器输入轴的传递，是一种被动的调节方式，若直接应用在截割头上，虽能保证可靠传动，但无法有效保证所需的主动截割力。因此，实际作业过程中，要充分考虑如何保证截割头所需的截割力，设计相应装置及方法在抑制截割头冲击负载扭振的基础上保证截割头的截割能力，确保大功率永磁电机在巷道掘进机截割部上的高效可靠应用。
发明内容
[0004] 针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置及工作方法，克服现有技术中为抑制传动系统扭振而无法有效保证截割头截割力的问题，在设计过程中，充分考虑截割力的主动保持问题，为永磁直驱传动模式在巷道掘进机截割部上的高效可靠应用提供保证。
[0005] 为了实现上述目的，本发明永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置，其特征在于：它包括外圈、内圈、压电柔性梁单元、刚性连接臂Ⅰ、刚性连接臂Ⅱ、刚性连接臂Ⅲ、电荷适调器组、信号采集卡、信号处理模块、PID控制模块组、D/A转换模块、电压放大器；
[0006] 其中外圈设置在内圈上，内圈圆心处为凸起的柱状轴，外圈和内圈嵌套设置，柱状轴通过多个均匀分布的压电柔性梁单元与外圈内表面固定连接，压电柔性梁单元为弧形结构，在压电柔性梁单元之间的间隙中，在柱状轴与外圈内表面之间等距离分布设有刚性连接臂Ⅰ、刚性连接臂Ⅱ和刚性连接臂Ⅲ，刚性连接臂Ⅰ、刚性连接臂Ⅱ和刚性连接臂Ⅲ一端与柱状轴刚性连接，另一端与外圈内部面活动连接；
[0007] 压电柔性梁单元包括弧形结构的柔性梁，柔性梁的弧形结构外弧形面上分别粘贴有加速度传感器和压电作动器，其中加速度传感器靠近柔性梁与内圈连接处，压电作动器靠近柔性梁与外圈连接处，加速度传感器通过导线与电荷适调器组的输入端相连接，压电作动器通过导线与电压放大器的输出端连接，电荷适调器组的输出端顺序连接信号采集卡、信号处理模块、PID控制模块组和D/A转换模块，其中信号采集卡采集电荷适调器组的输出信号并传输给信号处理模块，PID控制模块组根据信号处理模块的输出信号进行运算处理确定压电作动器的驱动电压信号，经D/A转换模块与电压放大器驱动所有压电作动器动作。
[0008] 所述的刚性连接臂Ⅰ、刚性连接臂Ⅱ、刚性连接臂Ⅲ与外圈内表面接触端设有滚轮，滚轮与外圈内表面接触处设有限位槽，用于限制与刚性连接臂Ⅰ、刚性连接臂Ⅱ、刚性连接臂Ⅲ固定连接的内圈的周向位移，位移上限为压电作动器驱动柔性梁后弹性变形的最大值。
[0009] 所述的压电柔性梁单元有6组，压电柔性梁单元中的柔性梁结构尺寸关系满足：长度/宽度＞10，长度/高度＞10。
[0010] 所述的外圈周向均匀设有多个法兰孔，内圈直径大的一端周向均匀设有多个法兰孔，并且外圈的法兰孔与内圈直径大的一端的法兰孔轴线不重合；
[0011] 一种永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应方法，使用大功率永磁电机，大功率永磁电机的电机输出轴通过销式联轴器Ⅰ连接有系统连接轴，系统连接轴与永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置的一端连接，永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置的另一端设有截割头传动轴，截割头传动轴上设有截割头，其中永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置与系统连接轴和截割头传动轴之间均设有销式联轴器Ⅱ；
[0012] 具体步骤如下：
[0013] 步骤1、将永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置通过法兰连接安装在大功率永磁电机直接驱动的销式联轴器Ⅱ上，安装位置靠近截割头，并且外圈靠近系统连接轴，内圈靠近截割头传动轴；
[0014] 步骤2、工作时，内圈与外圈之间产生转角差，柔性梁弹性变形从而实现冲击负载的主动顺应，刚性连接臂Ⅰ、刚性连接臂Ⅱ和刚性连接臂Ⅲ随着内圈的旋转一起旋转，并被限位槽控制转动范围，以防止旋转角度超过柔性梁的弹性变形区间从而造成柔性梁的损坏，当停止工作后通过柔性梁的回弹回复初始状态；
[0015] 利用信号采集卡与电荷适调器组实时工作后采集柔性梁上加速度传感器的输出加速度信号并实时传输给信号处理模块，由信号处理模块处理获得内圈所受的瞬时转矩值为 ，式中：m为柔性梁单位长度上的质量，a1、a2……ai为i组加速度传感器所测位置的加速度值，L为i组加速度传感器中心到内圈圆心径向距离，各个加速度传感器到内圈圆心的距离应该相等；
[0016] 步骤3、利用截割负载计算内圈期望转矩值，利用信号处理模块处理得到的内圈所受瞬时转矩值，计算期望转矩值与瞬时转矩值的差值，PID控制模块组通过差值运算得到压电作动器的驱动电压信号，经D/A转换模块与电压放大器传输，控制6组压电作动器驱动柔性梁发生主动形变，实现截割头输出转矩的主动顺应，抑制截割头所受冲击负载扭振。
[0017] 大功率永磁电机通过法兰连接或其他公知的方法固定在截割部外壳上，同样系统连接轴、截割头传动轴通过轴承连接等其他公知的方法固定在截割部外壳上，确保大功率永磁电机的输出转速及转矩可有效传递给截割头。
[0018] 有益效果：（1）本发明利用压电作动器主动驱动柔性梁弹性变形实现截割头冲击振动的缓冲，抑制截割头冲击振动向系统连接轴传递，并通过压电陶瓷的主动顺应有效保证截割头的主动截割力；（2）本装置可直接通过法兰与现有销式联轴器进行连接，继而安装在巷道掘进机截割部连接轴上，不改变永磁直驱式截割部结构，使用方便；（3）利用三组刚性操作臂一方面可有效防止外圈发生径向位移损坏压电作动器，通过滚轮与限位槽配合，通过刚性连接臂限制外圈周向转动角度，避免超出压电作动器和柔性梁的作用范围。
附图说明
[0019] 图1为本发明永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置的结构示意图；
[0020] 图2为本发明永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置的A-A剖视图；
[0021] 图3为本发明永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置的轴视图；
[0022] 图4为本发明永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置的实施例简图；
[0023] 图5为本发明永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置的控制流程框图。
[0024] 附图标记说明：1—外圈，2—内圈，3—压电柔性梁单元，4—刚性连接臂Ⅰ，5—刚性连接臂Ⅱ，6—刚性连接臂Ⅲ，7—电荷适调器组，8—信号采集卡，9—信号处理模块，10—PID控制模块组，11—D/A转换模块，12—电压放大器，3-1—柔性梁，3-2—加速度传感器，3-3—压电作动器，13—大功率永磁电机，14—电机输出轴，15—销式联轴器Ⅰ，16—系统连接轴，17—销式联轴器Ⅱ，18—永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置，19—截割头传动轴。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述，但本发明的实施不限于此。
[0026] 如图1所示，本发明的永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置，其特征在于：它包括外圈1、内圈2、压电柔性梁单元3、刚性连接臂Ⅰ4、刚性连接臂Ⅱ5、刚性连接臂Ⅲ6、电荷适调器组7、信号采集卡8、信号处理模块9、PID控制模块组10、D/A转换模块11、电压放大器12；所述的外圈1周向均匀设有多个法兰孔，内圈2直径大的一端周向均匀设有多个法兰孔，并且外圈1的法兰孔与内圈2直径大的一端的法兰孔轴线不重合；
[0027] 如图2和图3所示，外圈1设置在内圈2上，内圈2圆心处为凸起的柱状轴，外圈1和内圈2嵌套设置，柱状轴通过多个均匀分布的压电柔性梁单元3与外圈1内表面固定连接，压电柔性梁单元3为弧形结构，在压电柔性梁单元3之间的间隙中，在柱状轴与外圈1内表面之间等距离分布设有刚性连接臂Ⅰ4、刚性连接臂Ⅱ5和刚性连接臂Ⅲ6，刚性连接臂Ⅰ4、刚性连接臂Ⅱ5和刚性连接臂Ⅲ6一端与柱状轴刚性连接，另一端与外圈1内部面活动连接；刚性连接臂Ⅰ4、刚性连接臂Ⅱ5、刚性连接臂Ⅲ6与外圈1内表面接触端设有滚轮，滚轮与外圈1内表面接触处设有限位槽，用于限制与刚性连接臂Ⅰ4、刚性连接臂Ⅱ5、刚性连接臂Ⅲ6固定连接的内圈2的周向位移，位移上限为压电作动器3-3驱动柔性梁3-1后弹性变形的最大值；
[0028] 压电柔性梁单元3有6组，压电柔性梁单元3中的柔性梁3-1结构尺寸关系满足：长度/宽度＞10，长度/高度＞10；压电柔性梁单元3包括弧形结构的柔性梁3-1，柔性梁3-1的弧形结构外弧形面上分别粘贴有加速度传感器3-2和压电作动器3-3，其中加速度传感器3-2靠近柔性梁3-1与内圈连接处，压电作动器3-3靠近柔性梁3-1与外圈连接处，加速度传感器3-2通过导线与电荷适调器组7的输入端相连接，压电作动器3-3通过导线与电压放大器
12的输出端连接，电荷适调器组7的输出端顺序连接信号采集卡8、信号处理模块9、PID控制模块组10和D/A转换模块11，其中信号采集卡8采集电荷适调器组7的输出信号并传输给信号处理模块9，PID控制模块组10根据信号处理模块9的输出信号进行运算处理确定压电作动器3-3的驱动电压信号，经D/A转换模块11与电压放大器12驱动所有压电作动器3-3动作。
[0029] 如图4所示，一种永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置的工作方法，使用大功率永磁电机13，大功率永磁电机13的电机输出轴14通过销式联轴器Ⅰ15连接有系统连接轴16，系统连接轴16与永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置18的一端连接，永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置18的另一端设有截割头传动轴19，截割头传动轴19上设有截割头，其中永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置18与系统连接轴16和截割头传动轴19之间均设有销式联轴器Ⅱ17；
[0030] 如图5所示，具体步骤如下：
[0031] 步骤1、将永磁直驱式截割部冲击负载扭振主动顺应装置18通过法兰连接安装在大功率永磁电机直接驱动的销式联轴器Ⅱ17上，安装位置靠近截割头，并且外圈1靠近系统连接轴16，内圈2靠近截割头传动轴19；
[0032] 步骤2、工作时，内圈2与外圈1之间产生转角差，柔性梁3-1弹性变形从而实现冲击负载的主动顺应，刚性连接臂Ⅰ4、刚性连接臂Ⅱ5和刚性连接臂Ⅲ6随着内圈2的旋转一起旋转，并被限位槽控制转动范围，以防止旋转角度超过柔性梁3-1的弹性变形区间从而造成柔性梁3-1的损坏，当停止工作后通过柔性梁3-1的回弹回复初始状态；
[0033] 利用信号采集卡8与电荷适调器组7实时工作后采集柔性梁3-1上加速度传感器3-2的输出加速度信号并实时传输给信号处理模块9，由信号处理模块9处理获得内圈2所受的瞬时转矩值为 ，式中：m为柔性梁3-1单位长度上的质量，a1、a2……ai为i组加速度传感器3-2所测位置的加速度值，L为i组加速度传感器3-2中心到内圈2圆心径向距离，各个加速度传感器3-2到内圈圆心的距离应该相等；
[0034] 步骤3、利用截割负载计算内圈2期望转矩值，利用信号处理模块9处理得到的内圈2所受瞬时转矩值，计算期望转矩值与瞬时转矩值的差值，PID控制模块组10通过差值运算得到压电作动器3-3的驱动电压信号，经D/A转换模块11与电压放大器12传输，控制6组压电作动器3-3驱动柔性梁3-1发生主动形变，实现截割头输出转矩的主动顺应，抑制截割头所受冲击负载扭振。
[0035] 大功率永磁电机13通过法兰连接或其他公知的方法固定在截割部外壳上，同样系统连接轴16、截割头传动轴19通过轴承连接等其他公知的方法固定在截割部外壳上，确保大功率永磁电机13的输出转速及转矩可有效传递给截割头。
