專利名稱：一種用于精密機床的智能隔振裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
—種用于精密機床的智能隔振裝置技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型涉及一種隔振裝置，尤其是涉及一種用于精密機床的智能隔振裝置， 能夠減少外界對機床的振動影響。
背景技術(shù)：
[0002]在精密機床的工作過程中，外界環(huán)境的振動會影響設(shè)備的加工精度，嚴(yán)重時甚至 會導(dǎo)致設(shè)備無法正常運行。因此，采用隔振措施對來自外界的振動和設(shè)備負(fù)載的擾動進行 有效隔離顯得非常有必要。一般常用的隔振裝置采用的減振材料大多為橡膠、樹脂等高分 子材料，它主要是利用高分子材料中粘彈性效果和摩擦效果，將機械振動能轉(zhuǎn)換為熱能，從 而達到減振目的。然而，這類材料的最大減振效果，一般是在該類材料玻璃化溫度(Tg)附 近，因此應(yīng)用受到一定的限制，如果使用溫度不在該材料的玻璃化溫度附近時，則減振效果 就大打折扣。此外,該類材料本身不具備智能性和主動性,系統(tǒng)的阻尼特性不能適應(yīng)外部環(huán) 境的變化。[0003]主動隔振就是隔振過程中利用外界能源以產(chǎn)生控制振動所需的作用力，產(chǎn)生作用 力的作動器可以是壓電陶瓷、液壓元件、氣動元件和電動元件等。對于低頻振動，主動隔振 器通過伺服控制作動器實現(xiàn)低頻共振峰值的最小化。[0004]壓電材料是指受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料，壓電材料可以 因機械變形產(chǎn)生電場，也可以因電場作用產(chǎn)生機械變形，這種固有的機一電耦合效應(yīng)使得 壓電材料在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。利用壓電效應(yīng)進行結(jié)構(gòu)振動控制的研究始于20世 紀(jì)80年代初，人們利用壓電元件的正壓電效應(yīng)來檢測振動參數(shù)，利用壓電元件的逆壓電效 應(yīng)來抑制振動。振動控制的結(jié)構(gòu)類型有薄板類、梁類、珩架等，所用的壓電材料有壓電陶瓷 和壓電聚合物，壓電陶瓷如鋯鈦酸鉛，壓電聚合物如聚偏氟乙烯。[0005]聚偏氟乙烯(PVDF)是目前壓電性能最優(yōu)的壓電材料之一，作為一種新型薄膜狀換 能材料，具有質(zhì)地輕軟、可繞性好、壓電特性好等特點。與目前常用的無機物壓電材料(如石 英、壓電陶瓷類)相比，它還具有聲阻抗小、頻率響應(yīng)寬、介電常數(shù)小、耐沖擊性強以及便于 加工成任意形狀等優(yōu)點。[0006]壓電復(fù)合材料是由兩相或多相材料復(fù)合而成的，通常見到的是由壓電陶瓷和壓電 聚合物組成的兩相復(fù)合材料，這種材料兼有壓電陶瓷和聚合材料的優(yōu)點，與傳統(tǒng)的壓電陶 瓷或與壓電單晶相比，它具有更好的柔順性和機械加工性能，克服了易碎和不易加工成形 的缺點，且密度小，聲速低，易與空氣、水及生物組織實現(xiàn)聲阻抗匹配。與壓電聚合物材料相 比，它具有較高的壓電常數(shù)和機電耦合系數(shù)，因此靈敏度很高。[0007]目前也有一些其他結(jié)構(gòu)的防振結(jié)構(gòu)，如
公開日為2010年11月17日，公開號為 CN101887741A的中國專利中，公開了一種防振結(jié)構(gòu)，該防振結(jié)構(gòu)用以使一儲存裝置防振，其 包括有一殼體、一支撐架及至少一第一緩沖材料，其中殼體具有一底板及一頂板，且殼體的 底板及頂板相互對合并包覆于儲存裝置外，該防振結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠合理，對精密設(shè)備 的防振效果差。又如
公開日為2010年11月24日，公開號為CN201656656U的中國專利中，公開了一種電機冷卻器的防振結(jié)構(gòu)，該防振結(jié)構(gòu)包括電機的機座、冷卻器及橡膠圈，冷卻器 通過連接件安裝在機座的上端面，橡膠圈設(shè)在冷卻器的底面與機座的上端面之間，機座的 上端面上均布地設(shè)有若干限位凸塊；橡膠圈在機座上的限位凸塊的相應(yīng)位置開設(shè)缺口，橡 膠圈的厚度大于限位凸塊的高度；在安裝冷卻器時，將被壓縮后的橡膠圈的厚度與限位凸 塊的高度一致，以使冷卻器的底面與限位凸塊的上端面接觸，該防振結(jié)構(gòu)專用于消除電機 在運行中冷卻器會產(chǎn)生晃動的現(xiàn)象，適用面較窄。[0008]綜上所述，目前還沒有一種結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計合理，性能可靠，減振作用明顯，屬于智 能型減振裝置的用于精密機床的智能隔振裝置。實用新型內(nèi)容[0009]本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，而提供一種結(jié)構(gòu)設(shè)計合 理，減振作用明顯，性能可靠的用于精密機床的智能隔振裝置。[0010]本實用新型解決上述問題所采用的技術(shù)方案是該用于精密機床的智能隔振裝置 的結(jié)構(gòu)特點在于包括支架、檢測單元、控制單元和執(zhí)行單元，所述檢測單元、控制單元和執(zhí) 行單元均安裝在支架上，所述執(zhí)行單元位于支架的上表面，所述檢測單元位于支架的下表 面，所述控制單元和檢測單元連接，所述執(zhí)行單元和控制單元連接。由此使得本實用新型的 性能可靠，減振作用明顯，能夠達到智能控制的目的。[0011 ] 作為優(yōu)選，本實用新型還包括輔助單元，所述輔助單元安裝在支架上，該輔助單元 連接在檢測單元和執(zhí)行單元之間。[0012]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和效果結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計合理，適用性 廣，減振作用明顯，屬于智能型減振裝置，具有良好的隔振和抗振功能。本實用新型利用檢 測單元中的PVDF薄片檢測外界振動，通過檢測單元中的信號處理系統(tǒng)將外部振動轉(zhuǎn)化為 電信號，然后提供給控制單元，控制單元采用自適應(yīng)運算得出智能信號，并傳遞給執(zhí)行單 元，利用壓電復(fù)合材料制成的執(zhí)行單元進行信號逆轉(zhuǎn)換，通過執(zhí)行單元的變形實現(xiàn)裝置的 減振和隔振功能。


[0013]圖1是本實用新型實施例中用于精密機床的智能隔振裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。[0014]圖2是本實用新型實施例中控制部分的自適應(yīng)控制系統(tǒng)原理示意圖。
具體實施方式
[0015]
以下結(jié)合附圖并通過實施例對本實用新型作進一步的詳細說明，以下實施例是對 本實用新型的解釋而本實用新型并不局限于以下實施例。[0016]實施例。[0017]參見圖1至圖2，本實施例中用于精密機床的智能隔振裝置包括支架、檢測單元1、 控制單元2、執(zhí)行單元3和輔助單元4。[0018]本實施例中的檢測單元1、控制單元2、執(zhí)行單元3和輔助單元4均安裝在支架上， 且執(zhí)行單元3位于支架的上表面，檢測單元I位于支架的下表面。本實施例中的控制單元 2和檢測單元I連接，執(zhí)行單元3和控制單元2連接，輔助單元4連接在檢測單元I和執(zhí)行單元3之間。[0019]本實施例中的檢測單元I包括PVDF壓電薄片和信號處理系統(tǒng)，其中，PVDF壓電薄片用于檢測外部振動的振動方向、振動頻率和振幅，信號處理系統(tǒng)用于將外部振動轉(zhuǎn)化為電信號，并將電信號進行校正和放大，以達到能夠提供準(zhǔn)確的執(zhí)行參數(shù)的目的。[0020]本實施例中的控制單元2接收到來自檢測單元I的信號后，通過自適應(yīng)運算，計算出與外部振動的相位相反和振幅相等的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號。[0021]本實施例中的執(zhí)行單元3采用壓電復(fù)合材料制成，該執(zhí)行單元3接收到來自控制單元2的電信號后，利用逆壓電效應(yīng)將電信號轉(zhuǎn)換為運動信號，然后通過自身變形來抵消和減弱外部振動，從而實現(xiàn)智能隔振裝置的減振和隔振功能。[0022]本實施例中采用PVDF壓電薄膜作為隔振裝置中用于檢測信號的檢測單元1，利用壓電復(fù)合材料作為隔振裝置的執(zhí)行單元3，該執(zhí)行單元3和檢測單元I分別位于隔振裝置的支架上表面和下表面，執(zhí)行單元3和檢測單元I通過中間的控制單元2及輔助單元4聯(lián)接為一體。[0023]本實施例選取PVDF壓電材料中的PVDF壓電薄片形式，可根據(jù)不同要求制作成不同尺寸和規(guī)格的壓電薄片，用于檢測外部振動信號的振動方向、頻率和振幅等參數(shù)，極化方向定義為垂直于材料平面的方向。[0024]本實施例通過檢測單元I中的信號處理系統(tǒng)將外部的振動信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過信號處理系統(tǒng)對轉(zhuǎn)化后的電信號進行校正和放大，然后提供給控制單元2。控制單元2接收到來自檢測單元I的信號后，通過自適應(yīng)運算，計算出與外界振動相位相反、振幅相等的數(shù)據(jù)，將其提供給執(zhí)行單元3。控制單元2采用自適應(yīng)控制算法，控制系統(tǒng)可以分為兩部分 控制信號的產(chǎn)生和控制算法的加權(quán)自適應(yīng)。本實施例中的執(zhí)行單元3接收到來自控制單元2的控制信號后，通過采用壓電復(fù)合材料制成的執(zhí)行單元3的變形實現(xiàn)抵消和減弱外部振動，執(zhí)行單元3執(zhí)行來自控制單元 2的控制信號，是利用其逆壓電效應(yīng)。制作執(zhí)行單元3的復(fù)合材料，可以根據(jù)不同的使用要求制成不同的外形和規(guī)格。[0026]本實施例中的檢測單元I包括PVDF壓電薄片和信號處理系統(tǒng)，PVDF壓電薄片用于檢測外部振動的振動方向、頻率和振幅等參數(shù)，并通過信號處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電信號，給執(zhí)行單元2提供準(zhǔn)確的執(zhí)行參數(shù)。[0027]本實施例的PVDF壓電薄片選取的PVDF壓電材料的壓電晶軸取向為極化方向定義為方向3,即垂直于材料平面的方向，垂直于方向3的另外兩個方向分別定義為方向I和方向2。對于沿方向3極化處理后的PVDF壓電薄片，具有特定的聚合物薄片結(jié)構(gòu)，僅在方向 3產(chǎn)生電荷，其壓電方程為[0028]D3 = Ci31T1+ Ci32T2 + Cl33T31(I)[0029]其中-.D3為方向3的電位移iCAh 'dij為壓電系數(shù)，表示在j方向作用的應(yīng)力在 i方向檢出'Ti為i方向的應(yīng)力Wm2)。[0030]本實施例的控制單元2的控制過程采用自適應(yīng)控制算法，實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化減振，控制單元2的控制系統(tǒng)分為兩部分控制信號的產(chǎn)生和控制算法的加權(quán)自適應(yīng)，原理圖如圖2所示。其中，x(k)為參考信號，它要求與振動信號具有相關(guān)性；P(k)為期望信號，是外界振動作用于執(zhí)行系統(tǒng)的相應(yīng)。在k時刻，N階有限脈沖響應(yīng)濾波器的輸出為[0031]y (k) = Σ Wj (k) X {k~i) =Wt (k) X (k)(2)[0032]在前饋控制中，控制信號s (k)并不等于濾波器的輸出y(k)。因為執(zhí)行單元(或稱為控制器)和誤差傳感器之間存在著距離，所以從控制器的輸出到誤差傳感器之間形成了一個路徑傳遞函數(shù)[0033]C = [c0, C1,…，Cnri]τ(3)[0034]s ⑷=Σ y (A-1) C1=Y1(A)C(4)[0035]其中，Y⑷=XtWr。[0036]代入式(4)，得[0037]s ⑷=[Xt(^)W]tC = W1Xf (^)(5)[0038]其中，Xf(￡) = X(A)Ct,為濾波后的參考信號序列。[0039]算法的目的是尋求最優(yōu)W(幻，使誤差信號最小，即[0040]J=min E e2 (A) = min [p (k) + s (^) ]2 = min [p (k) + W1X1-(k) ]2 (6)[0041]對于梯度下降算法，權(quán)系數(shù)的更新采用下列形式[0042]ff(^ + I) = W^) - μ Δ ff(^)(7)[0043]其中μ為提高系統(tǒng)的性能而加入到加權(quán)系數(shù)的部分負(fù)梯度，即收斂系數(shù)。式(6 )對權(quán)系數(shù)w⑷進行求導(dǎo),得[0045]Λ W⑷ ^ 3 e2 (A) / ^W= 2e(k)xf(k)(8)[0046]將式(8)代入式(7)，得[0047]w{k + I ) = w {k) — 2 μ e (^) X1-(A)(9)[0048]算法執(zhí)行的本質(zhì)是依據(jù)式(9)，利用檢測單元I采集到的信號e (幻X/(幻不斷地更新權(quán)系數(shù)w (Jc)，使執(zhí)行單元的輸出信號與振動信號相位相反，振幅相等，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的減振。[0049]本實施例利用壓電復(fù)合材料作為執(zhí)行單元3，利用其逆壓電效應(yīng)來抵消或減小來自外界的振動。利用壓電復(fù)合材料更好的機械加工性能，針對不同的使用場合制作大小合適的隔振裝置的執(zhí)行單元3。利用壓電復(fù)合材料更高的壓電常數(shù)和機電耦合系數(shù)，從而可以產(chǎn)生更大的驅(qū)動力和輸出位移，進而更有效的執(zhí)行來自信號檢測單元I的信號。[0050]檢測單元I位于裝置的最下面，和地面接觸。采用PVDF薄片結(jié)構(gòu)，利用其頻率響應(yīng)寬和介電常數(shù)小的特點，檢測來自地面的不同頻率、不同振幅的振動。并在測得來自不同測點的相應(yīng)數(shù)據(jù)后，通過信號處理系統(tǒng)對其進行校正和放大，轉(zhuǎn)換后提供給控制單元2。 控制單元2接收來自檢測單元I的信號后，通過自適應(yīng)運算，計算出與外界振動相位相反、振幅相等的數(shù)據(jù)，將其提供給執(zhí)行單元3。執(zhí)行單元3采用壓電復(fù)合材料制成。執(zhí)行單元3接收到來自控制單元的控制信號后，利用其逆壓電效應(yīng)將電信號轉(zhuǎn)換為執(zhí)行單元 3的運動信號，從而實現(xiàn)裝置的減振和隔振。[0052] 此外，需要說明的是，本說明書中所描述的具體實施例，其零、部件的形狀、所取名稱等可以不同，本說明書中所描述的以上內(nèi)容僅僅是對本實用新型結(jié)構(gòu)所作的舉例說明。 凡依據(jù)本實用新型專利構(gòu)思所述的構(gòu)造、特征及原理所做的等效變化或者簡單變化，均包括于本實用新型專利的保護范圍內(nèi)。本實用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，只要不偏離本實用新型的結(jié)構(gòu)或者超越本權(quán)利要求書所定義的范圍，均應(yīng)屬于本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求1.一種用于精密機床的智能隔振裝置，其特征在于包括支架、檢測單元、控制單元和執(zhí)行單元，所述檢測單元、控制單元和執(zhí)行單元均安裝在支架上，所述執(zhí)行單元位于支架的上表面，所述檢測單元位于支架的下表面，所述控制單元和檢測單元連接，所述執(zhí)行單元和控制單兀連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于精密機床的智能隔振裝置，其特征在于還包括輔助單元，所述輔助單元安裝在支 架上，該輔助單元連接在檢測單元和執(zhí)行單元之間。
專利摘要本實用新型涉及一種用于精密機床的智能隔振裝置，能夠減少外界對機床的振動影響。目前還沒有一種結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計合理，性能可靠，減振作用明顯，屬于智能型減振裝置的用于精密機床的智能隔振裝置。本實用新型的結(jié)構(gòu)特點在于包括支架、檢測單元、控制單元和執(zhí)行單元，所述檢測單元、控制單元和執(zhí)行單元均安裝在支架上，所述執(zhí)行單元位于支架的上表面，所述檢測單元位于支架的下表面，所述控制單元和檢測單元連接，所述執(zhí)行單元和控制單元連接。本實用新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，減振作用明顯，性能可靠，能夠達到智能控制的目的。
文檔編號F16F7/00GK202851783SQ201220408989
公開日2013年4月3日 申請日期2012年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月17日
發(fā)明者高濤 申請人:中國聯(lián)合工程公司