[发明专利]在机械系统中用于自适应抑制振动的设备和方法

说明书

本发明涉及在机械系统中抑制振动的有源控制技术。本发明具体的实施例涉及在旋转工件的加工期间抑制刀具的振动。

本发明是与美国空军签订的合同F33615-94-C-2033、由政府支持所作出的。在本发明中政府享有一定的权利。

不需要的机械振动已经困扰了包括活动部件或者在使用中易于机械地耦合到振动噪声源的机械系统的设计者许多年了。这些系统尤其包括用于切削旋转金属工件的机器。这些系统还包括其他用于削减成形工件的机器，以及光学装置和它们的支架，金属板印刷和其他制造工具和它们的支架，各类成象系统和它们的支架，以及自动推进运载工具。

在金属切削操作中，例如在可旋转的工件上能够获得的表面光洁度的质量经常由于切削工具表现出的震颤的倾向或一些其他振动的不稳定性而受到限制。这个问题在要求切削工具安装在相对长的悬臂支撑杆的一端上钻孔操作时显得特别严重。因为这类结构具有很多的麻烦的机械共振问题，所以对于具有圆柱形孔如发动机和抛射体发射器的加工产品中要获得的表面光洁度而言，已经证明震颤是一个重要的限制因素。

实时信号处理被应用于解决机械系统中不需要的振动问题。典型地应用运动传感器产生包含不需要的振动信息的信号。将这些信号传送给数字信号处理器，处理器用传送的信息来产生用于驱动机电致动器的校正信号。而这些致动器接着在机械系统中产生要抵消不需要的振动的响应。

为了给有源振动控制产生校正信号，现代控制理论作为一种公知技术应用在数字信号处理过程中。非常简短的说，现代控制理论(MCT)包含来自由固定的实数值系数进行幅度定标的传感器信号的线性组合而产生的校正致动器驱动信号。于是校正驱动信号几乎同时表示误差传感器输出的状态。这就引入了一个宽带反馈控制系统。简短的说，MCT是单个传感器、单个致动器反馈控制的多维扩展。

例如，将MCT应用于机械刀具的有源控制设备在由K.E.Rouch等人在1992年12月8日发布的美国专利第5,170,103号上作了描述。(以后称为“Rouch专利”)。这种设备包括一个用于分别产生钻杆位移和速度信号的传感器，一个安装在钻杆自由端附近的反馈体，一个用于分别产生反馈体位移和速度信号的传感器，和一个用于替代反馈体的致动器，以这种方式抵消钻杆的不需要的振动。在信号处理器中，两个速度信号和两个位移信号根据MCT的方法按比例定标和组合以产生校正的信号。

在现代控制理论的各种应用中，本领域的专业人员在抑制不需要的振动方面已经取得了显著的进步。但是，例如在机械操作中仍然存在一些用这些方法至今没有完全抑制的振动源。

图1是一个在一般意义上用于完成有源振动控制的调节器的初步设计图。

图2是一个用于有源振动控制的自适应调节器的初步设计图。

图3是一个自适应调节器的初步设计图，其中误差信号和参考信号是相同的。这是调节器使用非超前的参考信号的特殊情况。

图4是具有固定时间延迟的正反馈共振结构的振动特性的初步设计图。

图5是具有多个误差传感器和多个机械致动器的自适应调节器的初步设计图。

图6是一个正反馈系统的图解描述，根据H.E.Merritt的理论模型该系统存在于金属车削操作中。

图7是在表现出宽带震颤的典型的金属车削操作期间，刀具位移的功率谱描述。在这张图里，工件旋转速度为5.75Hz，工件材料是4130号钢，切割深度为0.5mm，并且馈送速率为每圈0.0325mm。一般在每次切割与前一次切割之间有一些重合。重合的精确量值一般取决于馈送速率。刀头安装在悬臂钻杆的外伸比率L/D为6处。参数L代表钻杆的长度，以及参数D代表钻杆的直径。

图8是在表现出窄带震颤的典型的金属车削操作期间，刀具切向位移的功率谱描述。铬镍铁合金工件在切割深度为0.51mm时以0.47Hz旋转，每圈馈送速率为0.25mm，以及11的外伸比率。

图9是窄带震颤的理想功率谱。

图10是宽带震颤的理想功率谱。

图11是包括旋转工件的金属车削机床的图示。在图中也描述了一个实施例用于实现本发明方法的信号处理器和机电致动器。

图12是一个加到图6的反馈系统的控制系统的图示。这个控制系统提供用于控制刀具位移的校正信号Fa(s)。这个校正信号部分地是在一个旋转周期里使用可调整的延迟设备，以及加上一个放大器增益K由延迟工具位移信号而导出的。

图13是根据本发明的一个实施例中包括一个自适应滤波器的控制系统的图示。

图14是用于实验性评估本发明实施例的已控制的金属切削设备的图示。