多臺(tái)銑床與柔性基礎(chǔ)耦合振動(dòng)主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)研究
2019-10-24 來源：華北理工大學(xué) 北京科技大學(xué) 作者：楚京 龍海洋 裴未遲 張碩 葉曉蒙
摘要：針對(duì)數(shù)控銑床安裝上樓時(shí)與樓板耦合振動(dòng)問題展開研究。為了建立符合研究的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停紫炔捎茫硞€(gè)鑄鋼質(zhì)量塊模擬３臺(tái)銑床，用四邊簡支柔性板模擬柔性基礎(chǔ)；然后利用 Ｌａｂ ＶＩＥＷ 圖形化編程軟件對(duì)基本流程進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，建立實(shí)驗(yàn)的軟件系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)下的振動(dòng)控制；最后運(yùn)用最優(yōu)控制方法進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：應(yīng)用壓電陶瓷作動(dòng)器對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)施振動(dòng)主動(dòng)控制的方案可行，且效果明顯。多點(diǎn)激勵(lì)的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)不僅控制效果良好，同時(shí)也應(yīng)該是當(dāng)今振動(dòng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞：主動(dòng)控制；柔性基礎(chǔ)；銑床；耦合
隨著數(shù)控銑床的廣泛應(yīng)用，以及多層廠房的不斷興建，械設(shè)備安裝上樓成為發(fā)展趨勢，從而導(dǎo)致數(shù)控銑床與樓板耦合振動(dòng)問題日益突出。很多機(jī)械設(shè)備在操作、運(yùn)輸以及維護(hù)維修時(shí)都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，且產(chǎn)生的振動(dòng)并不是單一的，是比較復(fù)雜的振動(dòng)。
以前所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究都是針對(duì)單一的振動(dòng)，很多問題不能解決，有一定的局限性，因?yàn)闆]有考慮各機(jī)械設(shè)備之間的振源耦合特性和動(dòng)態(tài)耦合作用。故本文模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在真實(shí)情況下的振動(dòng)，進(jìn)行多點(diǎn)激勵(lì)的振動(dòng)實(shí)驗(yàn)及其仿真研究 。
１ 、主動(dòng)隔振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
１．１ 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建與實(shí)驗(yàn)原理
本文搭建的主動(dòng)隔振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖１所示，主動(dòng)隔振實(shí)驗(yàn)原理如圖2所示。
圖１ 主動(dòng)隔振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
圖２ 主動(dòng)隔振實(shí)驗(yàn)原理
在所建立的實(shí)驗(yàn)臺(tái)中，有兩套激勵(lì)振動(dòng)系統(tǒng)，第一套激勵(lì)振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生符合機(jī)構(gòu)振動(dòng)情況的振動(dòng)，應(yīng)用于激勵(lì)銑床模型；另一套激勵(lì)振動(dòng)系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器抑制柔性基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)。
主動(dòng)隔振實(shí)驗(yàn)原理如下：信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的信號(hào)經(jīng)過功率放大器后傳輸?shù)郊ふ衿魃希缓髮⑵浒l(fā)出的激勵(lì)經(jīng)過一系列元件加載到薄板上，薄板上的傳感器將信號(hào)傳輸?shù)诫姾煞糯笃?/font>，經(jīng)過電荷放大器放大的信號(hào)再通過濾波器濾波，然后收集到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)通過最優(yōu)控制器的邏輯分析將信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，然后通過功率放大器的放大作用使作動(dòng)器做出相匹配的運(yùn)動(dòng)，使計(jì)算機(jī)得出一些數(shù)據(jù)結(jié)果，最后再按照最優(yōu)控制準(zhǔn)則來調(diào)節(jié)作動(dòng)器的動(dòng)作，從而就可以抑制數(shù)控銑床的振動(dòng)。
１．２ 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)與制作
為驗(yàn)證仿真模型的可靠性，進(jìn)行柔性隔振系統(tǒng)的模型實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型如圖３所示，采用３個(gè)鑄鋼質(zhì)量塊模擬３臺(tái)銑床，用四邊簡支柔性板模擬柔性基礎(chǔ)，３臺(tái)機(jī)床模型通過隔振系統(tǒng)安裝在四端簡支的矩形板上，在每臺(tái)機(jī)床上均安裝一個(gè)激振器使其振動(dòng)。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本文僅在第二臺(tái)機(jī)床下安裝３組主被動(dòng)一體隔振器，其中主動(dòng)隔振器與被動(dòng)隔振器并聯(lián)，第一臺(tái)和第三臺(tái)機(jī)床下均安裝３組被動(dòng)隔振器。主動(dòng)隔振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡化模型如圖４所示。
圖３ 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型
圖４ 主動(dòng)隔振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)簡化模型
本實(shí)驗(yàn)用模型來模擬實(shí)際原件，原型尺寸與質(zhì)量上的比例關(guān)系符合實(shí)際原件實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｖ鲃?dòng)隔振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)見表１。
表１ 主動(dòng)隔振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參
２ 、實(shí)驗(yàn)多通道控制耦合特性描述
因?yàn)橥ǖ乐g會(huì)有耦合作用，所以在對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多通道控制的過程當(dāng)中需要對(duì)多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行控制，取其中一點(diǎn)ｃ進(jìn)行研究，其振動(dòng)響應(yīng)方程為：
當(dāng)ｄ 和ｄ＋１兩點(diǎn)的振動(dòng)控制力在ｃ點(diǎn)的作用相互抵消時(shí)，ｃ點(diǎn)所受的力就會(huì)削弱，所以在主動(dòng)控制作用中應(yīng)考慮通道之間的耦合作用。
３ 、數(shù)據(jù)采集及輸出控制系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)的控制系統(tǒng)是由采集控制硬件和軟件構(gòu)成，通過輸出控制程序獲取主動(dòng)控制前、后柔性板振動(dòng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析來驗(yàn)證控制方法的正確性。
實(shí)驗(yàn)過程中，模擬信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理、線性二次型最優(yōu)控制器以及模擬信號(hào)輸出等多個(gè)模塊也是由Ｌａｂ ＶＩＥＷ 軟件進(jìn) 行 編寫。控制系統(tǒng)界面如圖 ５ 所示，主動(dòng)控制程序代碼顯示界面如圖６所示。
圖５ 控制系統(tǒng)界面
圖６ 主動(dòng)控制程序代碼顯示界面
圖５中，控制面板顯示了頻域內(nèi)柔性基礎(chǔ)的振動(dòng)響應(yīng)、作動(dòng)器的輸出電壓以及時(shí)域內(nèi)作動(dòng)器對(duì)應(yīng)處柔性基礎(chǔ)的振動(dòng)狀態(tài)。
４ 、仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
控制前功率流仿真曲線和實(shí)驗(yàn)曲線對(duì)比如圖７所示，控制前、后功率流仿真曲線對(duì)比如圖８所示。
圖７ 控制前功率流仿真曲線和實(shí)驗(yàn)曲線對(duì)比
圖８ 控制前、后功率流仿真曲線對(duì)比
由圖７可以看出：功率流傳遞曲線有走向平穩(wěn)的趨勢，但是在反共振區(qū)域（１５０ Ｈｚ～３００Ｈｚ）和別的地方不太一樣，傳遞到基礎(chǔ)上的功率流有所增加。由圖８中可以看出：中、低頻段作動(dòng)力對(duì)振動(dòng)控制的影響很大，功率流的傳遞效率明顯下滑，但在高頻段明顯與低頻段有所不同，主動(dòng)控制力的影響逐漸下滑甚至消失（在圖中表示為控制前、后的曲線重疊），說明主動(dòng)控制力對(duì)中低頻的振動(dòng)控制具有良好效果，在高頻段幾乎沒有起到控制作用。加入控制后，在輸入隨機(jī)干擾信號(hào)的情況下，隔振系統(tǒng)位移仿真曲線與實(shí)驗(yàn)曲線如圖 ９ 和圖 １０ 所示。
在輸入正弦干擾信號(hào)下，隔振系統(tǒng)位移仿真曲線與實(shí)驗(yàn)曲線如圖１１和圖１２所示。通過對(duì)比圖９與圖１０發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真雖有一定誤差，但測試值和仿真值基本一致。
圖９ 隨機(jī)干擾信號(hào)下隔振系統(tǒng)位移仿真曲線
圖１０ 隨機(jī)干擾信號(hào)下隔振系統(tǒng)位移實(shí)驗(yàn)曲線
圖１１ 正弦干擾信號(hào)下隔振系統(tǒng)位移仿真曲線
圖１２ 正弦干擾信號(hào)下隔振系統(tǒng)位移實(shí)驗(yàn)曲線
５ 、結(jié)語
本文從實(shí)驗(yàn)的角度模擬了多臺(tái)銑床柔性基礎(chǔ)耦合振動(dòng)控制。在實(shí)驗(yàn)研究的過程當(dāng)中，主動(dòng)控制的方法對(duì)于控制系統(tǒng)的振動(dòng)是很有效的，減少了由機(jī)床傳遞至基礎(chǔ)板的能量。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)波形的對(duì)比分析，雖然兩者有一定的誤差，但整體來看，控制過程還是比較穩(wěn)定的。采用最優(yōu)控制的線性二次型性能指標(biāo)尋求最優(yōu)控制力，在中、低頻段的振動(dòng)中，ＬＱＲ線性二次型控制器對(duì)于控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的振動(dòng)是很有效的，但在高頻段振動(dòng)中并不是很實(shí)用，因?yàn)?ＬＱＲ 線性二次型控制器對(duì)控制高頻段振動(dòng)信號(hào)作用不大。
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