多台銑床與柔性基礎耦合（hé）振動主動控製實驗研究-數控機床市場網

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多（duō）台（tái）銑床與柔性基礎耦合（hé）振動主動控製實驗研究（jiū）

2019-10-24 來（lái）源：華北理（lǐ）工大學北京科技大學作（zuò）者：楚京龍海洋裴未遲張碩葉曉蒙

摘要：針對數控銑床安裝上樓（lóu）時與樓板耦合振（zhèn）動問題展（zhǎn）開研（yán）究。為了建立符（fú）合研究的實驗模型，首先采用３個鑄鋼質量塊模擬３台銑床，用（yòng）四邊簡支柔性板（bǎn）模擬柔性（xìng）基礎；然後利用Ｌａｂ　ＶＩＥＷ圖形化編程軟件對基本（běn）流程進行程序（xù）設計，建（jiàn）立實驗的軟件係統，進而實現不（bú）同參（cān）數下的（de）振動控製；最後（hòu）運用（yòng）最優控製方法進行控製係統的設計。實驗結果表（biǎo）明：應用壓電陶瓷作動器對實（shí）驗係統實施振（zhèn）動主（zhǔ）動控製的方案可行，且效果明顯。多點激勵的振動實驗不僅控製效果良（liáng）好，同時也（yě）應該（gāi）是當今振動實驗技術（shù）的發展方向。

關鍵詞：主動控製；柔性基礎；銑床；耦合

隨（suí）著數控銑床的廣泛應用，以及多層廠（chǎng）房的不斷（duàn）興（xìng）建，械設備安裝上樓成為發展趨勢，從而導致數控（kòng）銑床與樓板耦合振動問題（tí）日益突出。很多機械設備（bèi）在操作、運輸以及維護維修時（shí）都會產生振動，且產生的振動並不是（shì）單一（yī）的，是比較（jiào）複雜的振動。

以前所（suǒ）進行的實驗研究都是（shì）針對單一（yī）的振動，很多問題不能解決，有一定的局限性，因為沒有考慮各機械設備之間的振源耦合特性和動態耦合作用（yòng）。故本文模擬係統結構在真實情（qíng）況下的振動，進行多點激勵的振動實驗及（jí）其仿真研究（jiū）。

１　、主動隔振實驗係（xì）統設（shè）計

１．１　實驗台搭建與實驗原理（lǐ）

本文搭建的主動（dòng）隔振實驗係（xì）統如圖１所（suǒ）示，主動隔（gé）振實（shí）驗原理如圖2所示。

圖１　主動隔振實驗（yàn）係統

圖２　主（zhǔ）動隔振實驗（yàn）原理

在所建立的（de）實驗台中，有兩套激勵振動係統，第一套激勵振動係統產生符合機構振動情況（kuàng）的振動，應用於激勵銑床模型；另（lìng）一套激勵振動係統用於驅動作動器抑製柔性基礎運動。

主動隔振實驗原理如下（xià）：信號發生器發出的（de）信號經過功率（lǜ）放大器後傳輸到激（jī）振器上，然（rán）後將其發出的激勵經過（guò）一係列元件加（jiā）載（zǎi）到薄板上，薄板（bǎn）上的傳感器將（jiāng）信號傳輸（shū）到電荷放大器（qì），經過電荷放大器放大的信號再通過濾波器濾波，然後收集到數（shù）據采集係（xì）統；轉換的數字信號通過最優控製器的邏輯分析將信（xìn）號轉換成模擬電（diàn）信號，然後通過功率放大器的放大作（zuò）用使（shǐ）作動器做出相匹配的運動，使計算機得（dé）出一些數據結果，最後再按照（zhào）最優（yōu）控製準則來調節作動器的動作（zuò），從（cóng）而就可（kě）以抑製數控銑床的振動。

１．２　實（shí）驗模型的設計與製作

為驗證仿真模型的可靠性，進（jìn）行柔性隔振係統的模（mó）型實（shí）驗。實（shí）驗係統模型如圖３所示，采用３個鑄鋼質量塊模擬３台銑床，用四邊簡支柔性板模擬柔性基礎，３台機床模型通過隔振（zhèn）係（xì）統安裝在四端簡支的矩形板上，在每台機床上均安裝一個激振器使其振動。由於實驗條件的限製（zhì），本文僅在（zài）第二台機床下安裝３組主被動一體隔振器，其中主動隔（gé）振器與被動隔振器並聯，第一台和第三台機床下均安裝３組被動隔振器。主動隔振實驗係（xì）統簡化模型如圖４所示。

圖３　實驗係統模型

圖４　主動隔（gé）振實（shí）驗係統簡化模型

本實驗用（yòng）模型來模擬實際原件，原型尺寸與質量上的比例關係符合實際原件實驗（yàn）模型。主動隔振實驗係統參（cān）數見表１。

表１　主動隔振實驗係統參

２　、實驗多通道控製（zhì）耦合特性描述

因為通道之間會有耦合作用，所以在對實驗（yàn）進行多通道控製的過程當中需要對多個點進行控製，取其（qí）中一點ｃ進行研究，其振動響應方程為：

當ｄ和ｄ＋１兩點的振動控製力在ｃ點的作用相互抵消時，ｃ點所受的（de）力就會削弱，所以在（zài）主動控製作用中應考慮通道之間的耦合（hé）作用。

３　、數（shù）據采集及輸（shū）出控製係統（tǒng）

實驗（yàn）的控製係統是由采集控製硬件和（hé）軟件（jiàn）構成，通過輸出（chū）控製程（chéng）序獲取主動控（kòng）製前、後柔性板振動狀態的數據，將數據進行（háng）對比分析來驗證（zhèng）控製方法的（de）正確性（xìng）。

實驗過程中，模擬信號采集、信（xìn）號調理（lǐ）、線性二次型最優控製器以及模擬信（xìn）號（hào）輸出等多個模塊也是由Ｌａｂ　ＶＩＥＷ軟件進（jìn）行編寫（xiě）。控製係統界麵如圖５所示，主動控製程序代碼顯示界麵如圖６所示。

圖５　控製係統界麵

圖６　主動控製程序代碼顯示界麵

圖５中，控製麵板顯示了頻域內柔性基礎的振動響應、作動器的輸出電壓以及時域內作動器對（duì）應處柔性基礎的振（zhèn）動狀態。

４　、仿真（zhēn）與實（shí）驗結果分（fèn）析（xī）

控製前功率（lǜ）流仿真曲線和實驗曲線（xiàn）對比如圖７所示，控製前、後功率流（liú）仿真曲線對比如（rú）圖８所示。

圖７　控製前（qián）功率流仿真曲線（xiàn）和（hé）實驗曲線對比（bǐ）

圖８　控製前（qián）、後功率（lǜ）流仿真曲線對比

由圖（tú）７可以看出：功率流傳遞曲線有走向平穩的趨勢，但是在反共振區域（１５０Ｈｚ～３００Ｈｚ）和別的地方不太一樣，傳遞到基礎上的功率流有所（suǒ）增加。由圖８中可以看出：中、低頻段作動力對振動（dòng）控製的（de）影響很大（dà），功率流的傳遞效（xiào）率明顯下滑，但在高頻段明（míng）顯與低頻段有所不同，主動（dòng）控製力的影響逐漸下滑甚至消失（在圖中表示為控製前、後的曲（qǔ）線重疊），說明主動控製力對中（zhōng）低頻的振（zhèn）動控（kòng）製具有良好效果，在高頻段幾乎沒有起到控製作用。加入控製後，在輸入隨機幹擾信號的情況下（xià），隔振（zhèn）係統位移仿真曲線與實驗曲線如圖９和（hé）圖１０所（suǒ）示。

在輸入（rù）正（zhèng）弦幹擾信號下，隔振係統位移仿真曲線與實驗曲（qǔ）線如（rú）圖１１和圖１２所示。通過（guò）對（duì）比圖９與圖１０發現：實驗結果和仿真雖有一定誤差，但測試值和仿真值（zhí）基本一致。

圖９　隨機幹（gàn）擾信號下隔振（zhèn）係統位移仿真曲線

圖１０　隨機幹擾信（xìn）號下隔振係統位移實驗曲線

圖１１　正弦幹擾信號（hào）下隔振係統位移仿真曲線

圖１２　正弦幹（gàn）擾信號下隔振係統位移實驗曲線

５　、結（jié）語

本文從實驗的角度模擬了多台銑床柔性基礎耦合振動控製。在實（shí）驗研究的過程（chéng）當中，主動控（kòng）製的方法對於控製係統的振動是很有效的，減少了由機床傳遞至基礎板的能量。通過實（shí）驗數據和仿真數（shù）據波形的（de）對比分析，雖然兩者有一定的誤差，但整體來看（kàn），控製過程還是比較穩定的。采用最優（yōu）控製（zhì）的線性二次型（xíng）性能指標尋求最優控製力，在中、低頻段的振動中，ＬＱＲ線性二次型控製器對於控製實（shí）驗係統中的振（zhèn）動是很有效的（de），但在高頻段振動中並不是很實用，因為（wéi）ＬＱＲ線性二次型控（kòng）製器對控製高頻段振動信（xìn）號（hào）作用不大。

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