CN103644243A

CN103644243A - 虚拟弹性可控阻尼器

Info

Publication number: CN103644243A
Application number: CN201310677017.6A
Authority: CN
Inventors: 陈春俊; 何洪阳; 林建辉; 刘璐; 孙宇
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2033-12-12
Also published as: CN103644243B

Abstract

本发明公开了一种能够抑制振动位移的虚拟弹性可控阻尼器。该虚拟弹性可控阻尼器通过位移传感器实时地测量机械结构系统的振动位移，并通过信号采集与处理模块对振动位移信号进行处理得到嵌入式控制模块能够识别的信号，然后通过嵌入式控制模块的算法处理得到最佳阻尼值，将最佳阻尼值信号传给可控阻尼器模块，可控阻尼模块对机械结构系统的阻尼参数进行调节来改变系统的阻尼，从而使振动位移越来越小，无论系统运行环境如何变化，都不会影响机床等机械结构系统的效率和精准性。另外，该虚拟弹性可控阻尼器能够很好地实现可控自动调节的效果，具有很强的实用性，不会增加系统的结构复杂性。适合在阻尼器领域推广运用。

Description

虚拟弹性可控阻尼器

技术领域

本发明属于阻尼器领域，具体涉及一种虚拟弹性可控阻尼器的提出和实现。

背景技术

近些年来，随着科学技术迅猛发展、生产力水平空前提高，人们对结构和机械系统动态性能提出了更高的要求。随着现代化生产技术的发展，机床（铣床、刨床、车床等等）面临着高精度、高速度、高效率和被切削材料多样化的要求，对零件的加工质量的要求越来越高，高效和精准是目前机床等机械结构系统发展的主题。在机床加工过程中，不可避免地会产生机械振动，这些振动可能会带来一定的位移偏差，从而影响工件表面质量、加速刀具和机床之间的磨损，严重会造成机床不能正常工作，使机床的工作效率大为降低。如何尽量减小机床加工过程的振动位移是关键。

一直以来，许多学者致力于减小机床等机械结构系统的振动位移，取得很大的发展。早些时候，采用被动控制技术提高机床的抗振性，被动控制技术结构简单，但是很难满足机床工作平稳性的要求，因为其参数确定后，其频率也唯一确定，不具备自动调节功能。相比于被动控制，主动控制效率更高、范围更广，但是需要外界提供能量来控制或改变结构的运动，其实现过程复杂，成本较高。在此基础上，半主动悬挂迅速发展起来，是近年来国际上研究的一个热点，半主动悬挂是针对系统的反应信息或外界载荷的变化情况，及时调整控制系统的阻尼参数，从而改善悬挂系统的动力学性能，实现对系统结构的可调控制，旨在接近被动悬挂系统的造价和复杂程度提供接近主动悬挂控制的性能，不但具有良好的性价比，而且能保证失效状态下机床的效率和精准。

近些年来，随着对机床精准性要求的不断提高,其控制方式必须智能化动态地与机床状态相匹配，可控阻尼减振器就是适时完成悬挂阻尼参数匹配的部件，因而成为国内外研究的重点。可控阻尼减振器是指其阻尼系数可通过外加控制信号进行调节的减振器，可以用物理元件直接进行实现。目前，随着各种试验、检验技术的完善，液压阻尼减振器的制造技术不断提高，应用越来越广泛，最普遍的是电流变液、磁流变液的可控阻尼减振器。液压阻尼减振器的工作原理是利用充满液压油的液压缸,通过阻尼控制阀的作用，在液压缸两腔产生压力差，从而对负载产生阻尼力，该阻尼力与运动速度成正比，而与速度方向相反，表示为：

f=-C_cv

式中，C_c为传统意义上的阻尼系数，其单位以N·s/m，该阻尼在系统中主要抑制振动速度。

目前，这些传统意义上的可控阻尼减振器主要是抑制振动速度。在质量-弹簧-阻尼器减振系统中，质量和弹簧为贮能元件，只有减振器作为唯一的耗能元件，能将振动能量转化为热能消耗掉，表征振动强弱的物理量有振动位移、振动速度和振动加速度，不同的减振系统需要抑制振动物理量不同，阻尼器的阻尼力大小与相对振动速度成正比，而与相对振动速度方向相反，由于振动速度是振动位移的微分，因此振动速度相位超前位移相位，在振动位移较大时，振动速度却较小。可见，阻尼器在抑制振动速度的同时，振动位移没有很好的被的抑制。然而，高效和精准作为机床等机械系统主要性能指标，尤其是精密工件的加工，细小的振动位移可能会导致工件的报废，所以减小振动位移在机械加工中至关重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够抑制振动位移的虚拟弹性可控阻尼器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：该虚拟弹性可控阻尼器，包括传感器模块、信号采集与处理模块、嵌入式控制模块和可控阻尼器模块；所述传感器模块包括位移传感器和测量电路，用于测量机械结构系统的振动位移并将测得的振动位移信号传递给信号采集与处理模块；所述信号采集与处理模块包括微分器、多路开关、采样保持器和A/D，所述微分器将振动位移信号转化为振动速度信号，多路开关和采样保持器对振动位移信号和振动速度信号进行采样，通过A/D转化把采样得到的模拟信号转化为嵌入式控制模块能够识别的振动位移信号y和振动速度信号并将得到振动位移信号y和振动速度信号传递给嵌入式控制模块；所述嵌入式控制模块对振动位移信号y和振动速度信号

进形如下所述的算法处理得到最佳阻尼值C：

C = \{\begin{matrix} C_{\max}, y \times \overset{\cdot}{y} > 0 \cap \frac{y}{\overset{\cdot}{y}} C_{k} > C_{\max} \\ \frac{y (t)}{\overset{\cdot}{y} (t)} C_{k}, y \times \overset{\cdot}{y} > 0 \cap C_{\min} \leq \frac{y}{\overset{\cdot}{y}} C_{k} \leq C_{\max} \\ C_{\min}, y \times \overset{\cdot}{y} < 0 \cup \frac{y}{\overset{\cdot}{y}} C_{k} < C_{\min} \end{matrix}

其中，C_k为其选定的弹性阻尼系数，其单位为N/m，C_min为阻尼器能提供的最小阻尼值，C_max为阻尼器能提供的最大阻尼值，嵌入式控制模块将最佳阻尼值C输出给可控阻尼模块，所述可控阻尼模块对机械结构系统的阻尼参数进行调整。

进一步的是，所述嵌入式控制模块的控制芯片为单片机。

进一步的是，所述可控阻尼器模块采用执行器实现，所述执行器为液压执行器。

进一步的是，所述执行器为磁流变液减振器。

本发明的有益效果在于：本发明所述虚拟弹性可控阻尼器通过位移传感器实时地测量机械结构系统的振动位移，并通过信号采集与处理模块对振动位移信号进行处理得到嵌入式控制模块能够识别的振动位移信号y和振动速度信号

然后通过嵌入式控制模块的算法处理得到最佳阻尼值，将最佳阻尼值信号传给可控阻尼器模块，可控阻尼模块对机械结构系统的阻尼参数进行调节来改变系统的阻尼，从而使振动位移越来越小，无论系统运行环境如何变化，都不会影响机床等机械结构系统的效率和精准性。另外，本发明所述的虚拟弹性可控阻尼器能够很好地实现可控自动调节的效果，具有很强的实用性，不会增加系统的结构复杂性，在一定的程度上控制了成本。

附图说明

图1为本发明虚拟弹性可控阻尼器的原理结构框图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

如图1所示，该虚拟弹性可控阻尼器，包括传感器模块、信号采集与处理模块、嵌入式控制模块和可控阻尼器模块；所述传感器模块包括位移传感器和测量电路，用于测量机械结构系统的振动位移并将测得的振动位移信号传递给信号采集与处理模块；所述信号采集与处理模块包括微分器、多路开关、采样保持器和A/D，所述微分器将振动位移信号转化为振动速度信号，多路开关和采样保持器对振动位移信号和振动速度信号进行采样，通过A/D转化把采样得到的模拟信号转化为嵌入式控制模块能够识别的振动位移信号y和振动速度信号

并将得到振动位移信号y和振动速度信号

传递给嵌入式控制模块；所述嵌入式控制模块对振动位移信号y和振动速度信号

进行如下所述的算法处理得到最佳阻尼值C：

C = \{\begin{matrix} C_{\max}, y \times \overset{\cdot}{y} > 0 \cap \frac{y}{\overset{\cdot}{y}} C_{k} > C_{\max} \\ \frac{y (t)}{\overset{\cdot}{y} (t)} C_{k}, y \times \overset{\cdot}{y} > 0 \cap C_{\min} \leq \frac{y}{\overset{\cdot}{y}} C_{k} \leq C_{\max} \\ C_{\min}, y \times \overset{\cdot}{y} < 0 \cup \frac{y}{\overset{\cdot}{y}} C_{k} < C_{\min} \end{matrix}

其中，C_k为其选定的弹性阻尼系数，其单位为N/m，C_k值的选定根据不同情况而定，C_min为阻尼器能提供的最小阻尼值，C_max为阻尼器能提供的最大阻尼值，嵌入式控制模块将最佳阻尼值C输出给可控阻尼模块，所述可控阻尼模块对机械结构系统的阻尼参数进行调整。本发明所述虚拟弹性可控阻尼器通过位移传感器用来测量机械结构系统的振动位移，可以进行实时采集；测量电路是进行传感器测量不可或缺的环节，把微小的振动变量转化成的电压或电流信号，获得较高的精度，信号采集与处理模块与传感器模块相连，信号采集与处理模块包括微分器、多路开关、采样保持器和A/D，由于速度是位移的微分，微分器的作用是获得机械结构系统振动速度信号，多路开关和采样保持器是满足采样定理的基础上对模拟信号进行采样，通过A/D转化把采样得到的模拟信号转化为嵌入式控制模块能够识别的有用数字信号，即得到嵌入式控制模块能够识别的振动位移信号y和振动速度信号

在上述实施方式中，所述嵌入式控制模块可以采用现有的各种控制器，作为优选的方式是：所述嵌入式控制模块的控制芯片为单片机。

所述可控阻尼器模块的主要作用是用来对机械结构系统的阻尼参数进行调整，所述可控阻尼器模块采用执行器实现，所述执行器可以是电动执行器、气动执行器、液压执行器，执行器根据输入的信号调节机构改变被调介质的流量或能量，从而改变系统的阻尼，使之达到预定要求，为了精确的调整机械结构系统的阻尼参数，使之达到预定要求，作为优选的是：所述执行器为液压执行器，进一步的是，所述液压执行器可以选择电流变液、磁流变液减振器作为执行器实现阻尼值的改变。作为优选的是：所述执行器为磁流变液减振器。

Claims

1.虚拟弹性可控阻尼器，其特征在于：包括传感器模块、信号采集与处理模块、嵌入式控制模块和可控阻尼器模块；所述传感器模块包括位移传感器和测量电路，用于测量机械结构系统的振动位移并将测得的振动位移信号传递给信号采集与处理模块；所述信号采集与处理模块包括微分器、多路开关、采样保持器和A/D，所述微分器将振动位移信号转化为振动速度信号，多路开关和采样保持器对振动位移信号和振动速度信号进行采样，通过A/D转化把采样得到的模拟信号转化为嵌入式控制模块能够识别的振动位移信号y和振动速度信号并将得到振动位移信号y和振动速度信号

进行如下所述的算法处理得到最佳阻尼值C：

C = \{\begin{matrix} C_{\max}, y \times \overset{\cdot}{y} > 0 \cap \frac{y}{\overset{\cdot}{y}} C_{k} > C_{\max} \\ \frac{y (t)}{\overset{\cdot}{y} (t)} C_{k}, y \times \overset{\cdot}{y} > 0 \cap C_{\min} \leq \frac{y}{\overset{\cdot}{y}} C_{k} \leq C_{\max} \\ C_{\min}, y \times \overset{\cdot}{y} < 0 \cup \frac{y}{\overset{\cdot}{y}} C_{k} < C_{\min} \end{matrix}

2.如权利要求1所述的虚拟弹性可控阻尼器，其特征在于：所述嵌入式控制模块的控制芯片为单片机。

3.如权利要求1或2所述的虚拟弹性可控阻尼器，其特征在于：所述可控阻尼器模块采用执行器实现，所述执行器为液压执行器。

4.如权利要求3所述的虚拟弹性可控阻尼器，其特征在于：所述执行器为磁流变液减振器。