超精密机床的主动隔振系统研究_王加春
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在文献[ 3 ] 中利用 Terfenol-D 作动器对平台进行 主动隔振 ,实验表明对 62. 4Hz 激励的减振效果相当 显著 。
图 3 为磁致伸缩作动器结构简图 。预压弹簧产
生预压力 ,保证 Terfenol-D 棒在预压力状态下工作 ;永 久磁铁提供偏置磁场 ;高渗透性铁质材料是为了减少 磁通量的边缘散射 。
图 4 和图 5 为作动器的幅频和相频特性曲线 。
图 4 幅频特性曲线
图 5 相频特性曲线
图 6 控制系统框图
3 反馈控制
测振仪测得质量 m 和基础的振动信号 ,传给控制 器 ,由控制算法产生控制信号并经放大器放大后驱动 作用器动作 ,达到主动隔振的目的 。
设作动器控制力是质量 m 和基础的位移 、速度和
Abstract Waveform distortion is a primary factor affecting the measure precision of steady sine standard vibration cali2 bration system. In the paper ,based on the analysis of conventional low frequency standard vibrator ,kinetic equation of ultra-low frequency standard vibrator is studied ,and the approximate expression and formula for waveform distortion are given Analyzing this formula ,the factors affecting waveform distortion such as damping ,vibration amplitude ,frequency ,nonlinear coefficient of suspension spring are detailedly discussed ,The conclusions are help ful to develop ultra-low frequency standard vibrator in fu2 ture . Key words :ultra-low frequency standard vibrator ,waveform distortion ,nonlinear equation
一览表 。7 、8 、9 属传统型作动器 ,体积 、重量大 ,多用
于地面及固定系统的主动振动控制 ;1 —6 是基于机敏
材料的智能型作动器 。
磁致伸缩材料在外加磁场的作用下 ,其尺寸 、体
积等会发生改变 。譬如 Terfenol-D ,其应变是镍合金的
50 倍 ,是压电陶瓷的 10 倍 ,其弹性模量为 2. 5～3. 5 ×
本文以哈尔滨工业大学自行研制的 HCM- I 型超 精密车床为背景 ,研究了超精密机床的主动隔振 。
1 力学模型的建立
响合起来看成是外扰力 p 对机床的影响 。建立机床 的隔振系统力学模型如图 2 所示 。m 为机床质量 , k 为 空气弹簧刚度 , c 为空气弹簧阻尼 , f 为作动器作动 力。
( PVDF) 电致伸缩陶瓷
( ES) 形状记忆合金
( SMA) 磁致伸缩合金
(MS) 电流变流体
( ERF)
液体作动
气体作动
电气作动
工作机理 主要性能 主要应用场合
压电效应
响应快 ,
位移 、力较小
柔性板 、 壳智能结构
压电效应
响应快 ,
位移 、力小
柔性板 、 壳智能结构
响应快 、
电致效应
柔性智能珩架
位移小 、力较大
金属相变
响应慢 ,
柔性智能结构
位移 、力较大
磁致效应
响应快 ,
柔性智能珩架
位移 、力大
流体相变
响源自文库快 , 力较大
主动阻尼
液压传动 响应中等 , 大型土木结构 位移 、力很大
气压传动 响应中等 ,
车辆减振
位移大 、力较大
电气传动
响应快 ,
位移 、力较大
通用型
图 3 磁致伸缩作动器结构简图 1 —压紧螺母 ;2 —压紧弹簧 ;3 —外套 ;4 —线圈 ; 5 —永久磁铁 ;6 —Terfenol-D 棒 ;7 —高渗透性铁 ;8 —基座
控制系统框图如图 6 所示 。
图中 : G1 ( s)
=
cs + k , G2 ( s)
=
1
ms2
+
cs
+
, k
B ( s) = kd + kvs
4 实 验
实验在 HCM- I 型亚微米级超精密车床上进行 。 图 7 (a) 是未控制时的机床台面时域响应曲线 ;图 7 (b) 是采用加速度反馈控制后得到的台面时域响应曲线 。 图 8 (a) 是未控制时的台面对地面的传递率曲线 ;图 8 (b) 是采用加速度反馈控制后得到的传递率曲线 。由 图 7 (a) 、(b) 比较可见 ,采用主动控制 ,机床振动明显 减小 (加速度幅值由 4. 31 ×10 - 4g 减小到 2. 40 ×10 - 4 g) 。
振系统的力学模型 。通过几种作动器的性能对比选择了磁致伸缩作动器为执行器 。通过反馈控制分析和实验 ,表明 :采 用主动隔振可以明显提高机床减振性能 ,尤其对低频隔振效果较好 。
关键词 :超精密机床 ,振动 ,主动隔振 ,磁致伸缩作动器 中图分类号 : TH113. 1
0 引 言
在超精密加工中 ,要达到的加工精度在微米 、亚 微米级以上 ,因此对加工环境的要求极为严格 ,其中 对于振动的要求便是非常重要的一项 。对于超精密 机床的设计与制造 ,必须高度重视振动的影响 ,将外 在与内在的各种干扰尽可能消除或隔离掉 ,使机床振 动幅度极低 ,否则很难得到高质量的加工表面[1] 。
图 2 机床隔振系统力学模型
质量 m 的运动方程为 :
m¨x1 + k ( x1 - x0) + c ( x1 - x0) = p + f
(1)
的影响也可忽略掉 。
2 作动器的选择
为了简化分析 ,可以把电机与主轴质量偏心的影
Ξ 收稿日期 :1999 - 11 - 01 修改稿收到日期 :1999 - 11 - 30 第一作者 王加春 男 ,博士研究生 ,讲师 ,1968 年 1 月生 。
第 19 卷第 3 期
振 动 与 冲 击 JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK
Vol . 19 No. 3 2000
超精密机床的主动隔振系统研究 Ξ
王加春 董 申 李 旦
(哈尔滨工业大学精密工程研究所 ,哈尔滨 150001)
摘 要 本文以 HCM- I 型亚微米超精密车床为研究背景 ,在分析了机床结构与振动的基础上 ,建立了机床主动隔
(3)
从上式可以看出 ,经过反馈控制后 ,系统的质量 、
阻尼和刚度以及作用力项都发生了变化 。如果能够
适当地选择反馈增益 ,合理地设计控制器 ,就能获得 良好的隔振性能 。
5 6 振 动 与 冲 击 2000 年第 19 卷
加速度的线性组合 ,即 : f = - ( h1 ¨x1 + d1 x1 + l1 x1 + h0 ¨x0 + d0 x0 + l0 x0)
(2)
则质量 m 的运动方程为 :
( m + h1) ¨x1 + ( c + d1) x1 + ( k + l1) x1 =
p - h0 ¨x0 + ( c - d0) x0 + ( k - l0) x0
然而由图 8 (a) 、( b) 看 ,对于低频的减振效果较 好 ,但对于大于 40Hz 频率的减振效果并不理想 。这 可能与作动器的时滞有关 。
5 结 论
参 考 文 献
1 丁文镜. 减振理论. 北京 :清华大学出版社. 1988 2 顾仲权 ,马扣根 ,陈卫东. 振动主动控制. 北京 :国防工业出
版社 ,1997 3 朱金才. 磁致伸缩材料作动器及其在振动主动控制中的应
用研究 : [ 学位论文 ] . 南京 :南京航空航天大学 ,1997
Vol . 19 No. 3 2000 JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK Ⅴ
图 1 HCM- I 型超精密车床结构 1 —吸振材料 2 —大地 3 —混凝土地基 4 —空气弹簧
5 —机床床身 6 —气浮 x 向溜板 7 —刀架 8 —空气静压轴承主轴 9 —气浮 z 向溜板
图 1 为 HCM- I 型超精密车床的结构简图 。整个
机床通过空气弹簧 4 置于混凝土地基 3 上 ,空气静压
第 3 期 王加春等 :超精密机床的主动隔振系统研究 5 5
作动器又称执行器 ,是实施主动振动控制的关键
部件 ,是主动控制系统的重要环节 。其作用是按照确
定的控制规律对受控对象施加控制力 。
表 1 是目前应用于主动振动控制领域的作动器
轴承主轴 8 在 z 向溜板 9 上 ,刀架 7 在 x 向溜板 6 上 。
机床受到的外在振动干扰主要来自地基 ;受到的
内在振动干扰主要有 :1) 电机引起的振动 ;2) 主轴质
量偏心引起的主轴振动 ,3) 主轴圆度和轴承孔圆度误
差引起的振动 ;4) 横纵溜板运动引起的振动 ;5) 切削
力变化引起的振动等 。作者在主轴的振动测试实验 中 ,发现主轴的振动主要由电机和主轴的质量偏心引 起 ,因此可忽略第 3) 项的影响 ;又由于加工时横纵溜 板的运动速度极低 ,切削力变化很小 ,因此第 4) 、5) 项
由于被动控制装置结构简单 ,易于实现 ,因而一 般机床的振动隔离多采用之 。但是对于超精密机床 , 被动控制显得有些力不从心 。一者被动控制很难隔 离低频振动 ;二者阻尼降低隔振效率 ,但又对降低共 振振幅起极大作用 ,被动控制无法解决此矛盾[2] 。因 此研究超精密机床的主动隔振就显得极为必要 。
本文研究了 HCM- I 型亚微米级超精密机床的振 动 ,建立了机床主动隔振系统力学模型 。经过分析 、 比较选择出磁致伸缩作动器 。通过反馈控制分析与 实验表明 : 采用主动隔振可以明显提高机床减振性 能 ,尤其对低频隔振效果较好 。
图 8 传递率曲线 (a) 控制前 ; (b) 控制后
图 7 机床台面时域响应曲线 (a) 控制前 ; (b) 控制后
NOISE ISOLATION AND RED UCTION WITH BARRIER OF THE 300MW COMBUSTION ENGINE- STEAM ENGINE CIRCULATIVE UNIT IN ZHEN- HAI POWER PLANT
Chen Hanliang
(Measurement & Analysis Center of Zhejiang University ,Hangzhou 310027)
APPROXIMATE ANALYTICAL SOL UTION OF WAVEFORM DISTORTION OF UL TRA-LOW FREQUENCY STANDARD VIBRATOR
Wei Yanding
( Inst . of Prod. Eng. ,The State Key Lab. of FPTC of Zhejiang Uni ,Hangzhou 310027)
Abstract In the paper ,the measurement of sound intensity and sound pressure is carried out to analyse the location ,in2 tensity and frequency components of the noises given out by generators. The distribution and propagation path of main noises are determied. By means of effective noise control measures ,the harmful effects of noises to residents near around the power plant are reduced to the level allowed by national criterion. Key words :sound intensity ,generator ,noise reduction
1010N/ m2 ,具有较好的抗冲击性 , 能提供较大的控制
力 ,并且在低压电流产生的磁场中具有很好的线性度
和对电场变化的响应能力 。磁致伸缩材料作动器的
主要应用在高精度微幅隔振和自适应结构中 。
表 1 作动器一览表
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
类型名称 压电陶瓷
( PZT) 压电薄膜
图 3 为磁致伸缩作动器结构简图 。预压弹簧产
生预压力 ,保证 Terfenol-D 棒在预压力状态下工作 ;永 久磁铁提供偏置磁场 ;高渗透性铁质材料是为了减少 磁通量的边缘散射 。
图 4 和图 5 为作动器的幅频和相频特性曲线 。
图 4 幅频特性曲线
图 5 相频特性曲线
图 6 控制系统框图
3 反馈控制
测振仪测得质量 m 和基础的振动信号 ,传给控制 器 ,由控制算法产生控制信号并经放大器放大后驱动 作用器动作 ,达到主动隔振的目的 。
设作动器控制力是质量 m 和基础的位移 、速度和
Abstract Waveform distortion is a primary factor affecting the measure precision of steady sine standard vibration cali2 bration system. In the paper ,based on the analysis of conventional low frequency standard vibrator ,kinetic equation of ultra-low frequency standard vibrator is studied ,and the approximate expression and formula for waveform distortion are given Analyzing this formula ,the factors affecting waveform distortion such as damping ,vibration amplitude ,frequency ,nonlinear coefficient of suspension spring are detailedly discussed ,The conclusions are help ful to develop ultra-low frequency standard vibrator in fu2 ture . Key words :ultra-low frequency standard vibrator ,waveform distortion ,nonlinear equation
一览表 。7 、8 、9 属传统型作动器 ,体积 、重量大 ,多用
于地面及固定系统的主动振动控制 ;1 —6 是基于机敏
材料的智能型作动器 。
磁致伸缩材料在外加磁场的作用下 ,其尺寸 、体
积等会发生改变 。譬如 Terfenol-D ,其应变是镍合金的
50 倍 ,是压电陶瓷的 10 倍 ,其弹性模量为 2. 5～3. 5 ×
本文以哈尔滨工业大学自行研制的 HCM- I 型超 精密车床为背景 ,研究了超精密机床的主动隔振 。
1 力学模型的建立
响合起来看成是外扰力 p 对机床的影响 。建立机床 的隔振系统力学模型如图 2 所示 。m 为机床质量 , k 为 空气弹簧刚度 , c 为空气弹簧阻尼 , f 为作动器作动 力。
( PVDF) 电致伸缩陶瓷
( ES) 形状记忆合金
( SMA) 磁致伸缩合金
(MS) 电流变流体
( ERF)
液体作动
气体作动
电气作动
工作机理 主要性能 主要应用场合
压电效应
响应快 ,
位移 、力较小
柔性板 、 壳智能结构
压电效应
响应快 ,
位移 、力小
柔性板 、 壳智能结构
响应快 、
电致效应
柔性智能珩架
位移小 、力较大
金属相变
响应慢 ,
柔性智能结构
位移 、力较大
磁致效应
响应快 ,
柔性智能珩架
位移 、力大
流体相变
响源自文库快 , 力较大
主动阻尼
液压传动 响应中等 , 大型土木结构 位移 、力很大
气压传动 响应中等 ,
车辆减振
位移大 、力较大
电气传动
响应快 ,
位移 、力较大
通用型
图 3 磁致伸缩作动器结构简图 1 —压紧螺母 ;2 —压紧弹簧 ;3 —外套 ;4 —线圈 ; 5 —永久磁铁 ;6 —Terfenol-D 棒 ;7 —高渗透性铁 ;8 —基座
控制系统框图如图 6 所示 。
图中 : G1 ( s)
=
cs + k , G2 ( s)
=
1
ms2
+
cs
+
, k
B ( s) = kd + kvs
4 实 验
实验在 HCM- I 型亚微米级超精密车床上进行 。 图 7 (a) 是未控制时的机床台面时域响应曲线 ;图 7 (b) 是采用加速度反馈控制后得到的台面时域响应曲线 。 图 8 (a) 是未控制时的台面对地面的传递率曲线 ;图 8 (b) 是采用加速度反馈控制后得到的传递率曲线 。由 图 7 (a) 、(b) 比较可见 ,采用主动控制 ,机床振动明显 减小 (加速度幅值由 4. 31 ×10 - 4g 减小到 2. 40 ×10 - 4 g) 。
振系统的力学模型 。通过几种作动器的性能对比选择了磁致伸缩作动器为执行器 。通过反馈控制分析和实验 ,表明 :采 用主动隔振可以明显提高机床减振性能 ,尤其对低频隔振效果较好 。
关键词 :超精密机床 ,振动 ,主动隔振 ,磁致伸缩作动器 中图分类号 : TH113. 1
0 引 言
在超精密加工中 ,要达到的加工精度在微米 、亚 微米级以上 ,因此对加工环境的要求极为严格 ,其中 对于振动的要求便是非常重要的一项 。对于超精密 机床的设计与制造 ,必须高度重视振动的影响 ,将外 在与内在的各种干扰尽可能消除或隔离掉 ,使机床振 动幅度极低 ,否则很难得到高质量的加工表面[1] 。
图 2 机床隔振系统力学模型
质量 m 的运动方程为 :
m¨x1 + k ( x1 - x0) + c ( x1 - x0) = p + f
(1)
的影响也可忽略掉 。
2 作动器的选择
为了简化分析 ,可以把电机与主轴质量偏心的影
Ξ 收稿日期 :1999 - 11 - 01 修改稿收到日期 :1999 - 11 - 30 第一作者 王加春 男 ,博士研究生 ,讲师 ,1968 年 1 月生 。
第 19 卷第 3 期
振 动 与 冲 击 JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK
Vol . 19 No. 3 2000
超精密机床的主动隔振系统研究 Ξ
王加春 董 申 李 旦
(哈尔滨工业大学精密工程研究所 ,哈尔滨 150001)
摘 要 本文以 HCM- I 型亚微米超精密车床为研究背景 ,在分析了机床结构与振动的基础上 ,建立了机床主动隔
(3)
从上式可以看出 ,经过反馈控制后 ,系统的质量 、
阻尼和刚度以及作用力项都发生了变化 。如果能够
适当地选择反馈增益 ,合理地设计控制器 ,就能获得 良好的隔振性能 。
5 6 振 动 与 冲 击 2000 年第 19 卷
加速度的线性组合 ,即 : f = - ( h1 ¨x1 + d1 x1 + l1 x1 + h0 ¨x0 + d0 x0 + l0 x0)
(2)
则质量 m 的运动方程为 :
( m + h1) ¨x1 + ( c + d1) x1 + ( k + l1) x1 =
p - h0 ¨x0 + ( c - d0) x0 + ( k - l0) x0
然而由图 8 (a) 、( b) 看 ,对于低频的减振效果较 好 ,但对于大于 40Hz 频率的减振效果并不理想 。这 可能与作动器的时滞有关 。
5 结 论
参 考 文 献
1 丁文镜. 减振理论. 北京 :清华大学出版社. 1988 2 顾仲权 ,马扣根 ,陈卫东. 振动主动控制. 北京 :国防工业出
版社 ,1997 3 朱金才. 磁致伸缩材料作动器及其在振动主动控制中的应
用研究 : [ 学位论文 ] . 南京 :南京航空航天大学 ,1997
Vol . 19 No. 3 2000 JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK Ⅴ
图 1 HCM- I 型超精密车床结构 1 —吸振材料 2 —大地 3 —混凝土地基 4 —空气弹簧
5 —机床床身 6 —气浮 x 向溜板 7 —刀架 8 —空气静压轴承主轴 9 —气浮 z 向溜板
图 1 为 HCM- I 型超精密车床的结构简图 。整个
机床通过空气弹簧 4 置于混凝土地基 3 上 ,空气静压
第 3 期 王加春等 :超精密机床的主动隔振系统研究 5 5
作动器又称执行器 ,是实施主动振动控制的关键
部件 ,是主动控制系统的重要环节 。其作用是按照确
定的控制规律对受控对象施加控制力 。
表 1 是目前应用于主动振动控制领域的作动器
轴承主轴 8 在 z 向溜板 9 上 ,刀架 7 在 x 向溜板 6 上 。
机床受到的外在振动干扰主要来自地基 ;受到的
内在振动干扰主要有 :1) 电机引起的振动 ;2) 主轴质
量偏心引起的主轴振动 ,3) 主轴圆度和轴承孔圆度误
差引起的振动 ;4) 横纵溜板运动引起的振动 ;5) 切削
力变化引起的振动等 。作者在主轴的振动测试实验 中 ,发现主轴的振动主要由电机和主轴的质量偏心引 起 ,因此可忽略第 3) 项的影响 ;又由于加工时横纵溜 板的运动速度极低 ,切削力变化很小 ,因此第 4) 、5) 项
由于被动控制装置结构简单 ,易于实现 ,因而一 般机床的振动隔离多采用之 。但是对于超精密机床 , 被动控制显得有些力不从心 。一者被动控制很难隔 离低频振动 ;二者阻尼降低隔振效率 ,但又对降低共 振振幅起极大作用 ,被动控制无法解决此矛盾[2] 。因 此研究超精密机床的主动隔振就显得极为必要 。
本文研究了 HCM- I 型亚微米级超精密机床的振 动 ,建立了机床主动隔振系统力学模型 。经过分析 、 比较选择出磁致伸缩作动器 。通过反馈控制分析与 实验表明 : 采用主动隔振可以明显提高机床减振性 能 ,尤其对低频隔振效果较好 。
图 8 传递率曲线 (a) 控制前 ; (b) 控制后
图 7 机床台面时域响应曲线 (a) 控制前 ; (b) 控制后
NOISE ISOLATION AND RED UCTION WITH BARRIER OF THE 300MW COMBUSTION ENGINE- STEAM ENGINE CIRCULATIVE UNIT IN ZHEN- HAI POWER PLANT
Chen Hanliang
(Measurement & Analysis Center of Zhejiang University ,Hangzhou 310027)
APPROXIMATE ANALYTICAL SOL UTION OF WAVEFORM DISTORTION OF UL TRA-LOW FREQUENCY STANDARD VIBRATOR
Wei Yanding
( Inst . of Prod. Eng. ,The State Key Lab. of FPTC of Zhejiang Uni ,Hangzhou 310027)
Abstract In the paper ,the measurement of sound intensity and sound pressure is carried out to analyse the location ,in2 tensity and frequency components of the noises given out by generators. The distribution and propagation path of main noises are determied. By means of effective noise control measures ,the harmful effects of noises to residents near around the power plant are reduced to the level allowed by national criterion. Key words :sound intensity ,generator ,noise reduction
1010N/ m2 ,具有较好的抗冲击性 , 能提供较大的控制
力 ,并且在低压电流产生的磁场中具有很好的线性度
和对电场变化的响应能力 。磁致伸缩材料作动器的
主要应用在高精度微幅隔振和自适应结构中 。
表 1 作动器一览表
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
类型名称 压电陶瓷
( PZT) 压电薄膜