JPH0198723A

JPH0198723A - アクテイブ防振制御方法

Info

Publication number: JPH0198723A
Application number: JP25354787A
Authority: JP
Inventors: Yuji Sugita; 雄二杉田
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
Priority date: 1987-10-09
Filing date: 1987-10-09
Publication date: 1989-04-17

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はアクティブ防振制御方法、より詳しくは例えば
曲げあるいはねじり振動をする片持梁などの防振として
好適なアクティブ防振制御方法に関するものである。

〔従来技術〕

梁などの構造体に外乱が作用すると固有振動が生じる。

このとき、構造体の減衰が大きいほど変位振幅は小さく
、パルス状の外乱に対しては振動の継続時間も短かくな
る。しかるに、構造体の減衰能力には限界があるため、
アクチュエータを用いて能動的に減衰特性を改善する方
法が考えられるようになってきた。

例えばロボットアームではアームの先端に加速度検出器
を取付け、そこから得られる速度信号に基づいてアーム
根元部のアクチュエータを駆動する方法が提案されてい
る。

しかしながら、すでに提案されている方法はいずれも物
体の振動変位、速度、加速度を検出するもので、アクチ
ュエータと振動検出器を別々に取付ける必要があり、装
置が複雑化するという問題があった。

かかることから、本発明者は直列に配置したアクチュエ
ータと力検出器からなる支持装置を用い、力検出器の信
号に基づきアクチュエータを駆動する防振制御方法を発
明し、先に提案した。

即ち、第８図及び第９図に示されるように、振動体１を
ジルコン、チタン酸鉛等の圧電セラミックによって製作
された複数の圧電素子ディスクで形成された圧電アクチ
ュエータ４　（変位発生部）と、この圧電アクチュエー
タ４と同軸上に配置された力検出器５（センサ部）から
なる支持装置３を支持台２に取付けている。そして力検
出器５はひずみゲージ、圧電体による荷重センサあるい
は圧電アクチュエータ４と同じ圧電素子ディスクにより
構成されている。

そして力検出器５によって検出される振動体ｌの変動荷
重を出力電圧■、として取出し、これを演算部６に導き
これを感度調節し、−階の積分器１０を通した後、加算
器１１で圧電アクチュエータ４が必要とするバイアス電
圧を加えて電圧信号Ｖとし、これを増幅器７で増幅して
印加電圧■、とし、この信号により圧電アクチュエータ
４を駆動するようにしたものである。

これにより、振動体１と支持台２の間に減衰作用が働き
、振動エネルギが吸収される。したがって、振動体１が
共振するのを抑さえ、振動体１から支持台２に伝搬する
力も抑制することができる。また、振動体１に加えられ
る起振力と振動体１の振動変位が干渉して生じる自動振
動も、減衰作用により、その発生が抑えられる。

ところで、かかるアクティブ防振制御方法によれば、振
動体ｌが矢印Ａ−Ａ方向に振動する場合は極めて有効な
ものであるが、例えばこの振動体１がＢ−Ｂ方向に回転
する曲げ振動が生じた場合、良好な支持装置として使用
することができないと云う問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は前記したような従来技術の問題点を解決するた
めになされたものであって、その目的とするところは、
小型でかつ制御系が簡単な方式で直線方向及び曲げ方向
の両方の振動を個別に、あるいは同時に制御するアクテ
ィブ防振方法を提供するものである。

〔発明の概要〕

本発明は前記したような目的を達成するために、複数個
のアクチュエータからなる変位発生部と、複数個の力検
出器からなるセンサ部を積層して支持装置とし、前記支
持装置に負荷されるモーメントあるいは軸力に対応する
信号をセンサ部から取り出し、各信号ごとに最適なゲイ
ン調整と時間に関する一階積分を含む演算を加えて得ら
れる各信号に基づいて支持装置のたわみ角あるいは軸変
位を個別にあるいは同時に制御するように変位発生部の
各アクチュエータを駆動することを特徴とするアクティ
ブ防振制御方法である。

〔実施例−１〕以下、第１図ないし第３図に基づき本発明によるアクテ
ィブ防振制御方法の第１の実施例を説明する。

第１図は中ぐり加工用の切削工具の平面図、第２図はそ
の斜視図である。

切削工具２１はホルダ２２の先端に支持装置２３を介し
て工具チップ２９の支持部を支持している。

この支持装置２３は、圧電アクチュエータ２４ａ。

２４ｂからなる変位発生部と、この電圧アクチエエータ
２４ａ、２４ｂの同軸上に直列に積層して取付けられた
力検出器２５ａ、２５ｂからなるセンサ部と、圧電アク
チエエータ２４ａ、２４ｂに予圧縮を与えるための曲げ
剛性をもたない弾性ばね構造部２４とにより構成されて
いる。

これら圧電アクチュエータ２４ａ、２４ｂおよび力検出
器２５ａ、２５ｂはそれぞれホルダ２２の中心軸Ｃの両
側にそれぞれの中心軸Ｃと平行になるように離間して配
置されている。そして力検出器２５ａ、２５ｂの信号は
、ライン２５ａ、２６ｂにより制御装置！２７に導かれ
るとともに、圧電アクチュエータ２４ａ、２４ｂには制
御装ｒａ、２７から後述する印加電圧信号がライン２８
ａ、２８ｂを介して与えられるように構成されている。

なお、２９Ａは被加工物である。

前記構成の切削工具２１において、被加工物２９Ａを切
削する場合、その先端部に曲げ振動である「再生ビビリ
振動」が工具チップ２９を介して矢印Ｂ−Ｂ方向に生じ
、これが切削工具２１にその中心軸Ｃを中心とする変動
曲げモーメントとして作用する。

この変動曲げモーメントが作用すると、これを力検出器
２５ａ、２５ｂにより検知し、信号として出力電圧Ｖｆ
ｌｌ　Ｖｆｔを制御装置２７に導く。この制御装置２７
に導かれた出力電圧Ｖ、、、Ｖ、、は、第３図に示すよ
うにそれぞれ感度調整されて減算器３０に導かれ、ここ
で相対量が算出される。

なお、この相対量は変動曲げモーメントの信号に対応す
る。

その相対量信号が積分器３１に導かれ、ここで時間に関
して一階積分が加えられ、電圧信号Ｖとされる。この電
圧信号Ｖは支持装置２３に減衰作用を働させるためのた
わみ角の制御量である。

そこで、圧電アクチュエータ２４ａ、２４ｂを用いて支
持装置２３にこのたわみ角を生じさせるために、この電
圧信号Ｖは一方の圧電アクチュエータ２４ａを駆動する
ための電圧信号ｖ１と他方の圧！アクチュエータ２４ｂ
を駆動するための電圧信号ｖ２とに分けられ、この電圧
信号ｖ２は反転器３２で反転される。

そして電圧信号ｖＩ及び■２は圧電アクチュエータ２４
ａ、２４ｂが必要とするバイアス電圧が加算器３３．３
４により加えられ、増幅器３５．３６を通って印加電圧
信号Ｖａｌ、　　Ｖａｚとなる。この印加電圧信号Ｖａ
ｌＶａｚがライン２８ａ、２８ｂにより圧電アクチュエ
ータ２４ａ、２４ｂに与えられると、この圧電アクチュ
エータ２４ａ、２４ｂは大きさが同じで符号が互いに反
対の変位が生じ、支持装置２３の両端面間にたわみ角が
生じる。

このたわみ角は、支持装置２３を伝達する曲げモーメン
トに附して９０°の位相遅れをもっことから、このたわ
み角と支持装置２３を伝達する曲げモーメントによって
減衰作用が働き、曲げ振動エネルギが散逸し、再生ビビ
リ振動が制御されるのである。

前記実施例は、本発明を切削工具に適用した場合につい
て説明したが、例えば片持梁の曲げ振動の防止手段とし
ても適用可能である。

更に、圧電アクチュエータ２４ａ、２４ｂおよび力検出
器２５ａ、２５ｂはホルダ２２の中心軸Ｃに対して左右
平行にそれぞれ各１個を配置したが、本発明は無論これ
に限定されるものではなく、必要に応じて複数個設ける
ことができるものであり、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変更することができることは明らかである。

また、制御装置２７の積分器３１を減算器３０の前段階
にそれぞれ別個に挿入しても第３図と本質的に何ら相違
ないことは明らかである。

〔実施例−２〕。

次に、第４図ないし第７図に基づき本発明によるアクテ
ィブ防振制御方法の第２の実施例を説明する。

第４図は先端にｔ量４０をもつ片持ちの帯板４１の支持
構成を示す図、第５図は支持装置の平断面図、第６図は
その側断面図であり、そして第７図は帯板４１の曲げ振
動とねじり振動を同時に減衰させるための制御回路であ
る。

質量４０を支える帯Ｆｉ４１は支持装置４２を介してフ
レーム４３に固定されている。前記フレーム４３に外乱
が入ると、この帯板４１には第４図に示す方向の曲げ振
動Ｍとねじり振動Ｔが顕著に現われる。これは帯板４１
の剛性がこれらの振動に対して弱いためである。

支持装置４２は第５図及び第６図に示すようにＸ−Ｙ軸
より離間して平行に配置された４つの圧電アクチュエー
タ４３　ａ　、　４３　ｂ　、　４３　Ｃ、４３ｄから
なる変位発生部と、それらと同一軸上に配置された４つ
の力検出器４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄからなるセ
ンサ部を積層配置して構成している。

そして、前記変位発生部４３ａ〜４３ｄとセンサ部４４
ａ、４４ｄを隔離するコア４５が介挿され、前記変位発
生部の一面に上板４６が、またセンサ部の一面に下板４
７がそれぞれ設けられている。更に、前記上板４６とコ
ア４５と下板４７とコア４５はボルト４８．４９で締結
されて一体に組立てられている。

ここで、圧電アクチュエータ４３ａと力検出器４４ａ２
同様に４３ｂと４４ｂ、４３Ｃと４４ｃ、４３ｄと４４
ｄはそれぞれ同軸上になるように配置されている。

力検出器４４ａ　〜４４ｄの出力信号ｖｒ＆、”　ｆｂ
＋Ｖ　ｙｃ、　　Ｖ　（４は制御装置５０に導かれると
ともに、圧電アクチュエータ４３ａ〜４３ｄには制御装
置５０から後述する印加電圧信号が与えられるように構
成されている。

いま、フレーム４３が振動すると支持装置４２に振動力
が作用する。これを力検出器４４ａ〜４４ｄにより検知
し、信号として出力電圧ｖｆｌｌ＋　　ｖｆｂ＋ＶｆＣ
＋　　Ｖｆｄを制御装置５０に導く。

このとき、第５図に示すＹ−Ｙ軸が第４図の帯板４１の
長手方向と一致するように支持装置４２を配置したとす
ると、帯板４１の曲げ振動Ｍにより支持装置４２に加え
られるモーメントは力検出器４４ａと４４ｄの出力電圧
ＶｆｍとＶｆｄの平均値と力検出ＷＷ４４ｂと４４Ｃの
出力電圧■。とＶｆｅの平均値の差として検出でき、帯
板４１のねじり振動Ｔにより支持装置４２に加えられる
モーメントは力検出器４４ａと４４ｂの出力電圧Ｖｆａ
とＶｆｂの平均値と力検出器４４ｃと４４ｄの出力電圧
Ｖｆｃとｖｆｄの平均値の差として検出できる。

したがって、制御装置５０では第７図に示すように出力
電圧Ｖ　１＠、　　Ｖ　１ｂ、　　Ｖ　１ｃ、　　Ｖ　
１４はそれぞれ感度調整されて平均値回路５１に導かれ
る。

そして、２組に分けられ減算器５２に入力され、出力電
圧ｖ１およびｖ２を得る。なお、前記出力電圧Ｖ、およ
びＶ２は曲げ振動Ｍに対するモーメントおよびねじり振
動Ｔに対するモーメントに対応している。

そこでこの出力電圧Ｖ、および■２を一階の積分器５３
に導き、さらに、それぞれの振動モードに対して最適な
減衰■を与えるように個別にゲイン調整される。その後
、各圧電アクチュエータ４３ａ、４３ｄを駆動するため
に加減算器５４で４つの信号に分解し、圧電アクチュエ
ータが必要とするバイアス電圧を加算器５５で加え、さ
らに増幅器５６で増幅して印加電圧信号Ｖ　ｍ＆＋　　
Ｖａｂ。

Ｖ　ｍｅｔ　　Ｖａｄを得る。

コノ印加電圧信号Ｖ　１ｌｌｌｔ　　Ｖａｂ＋　　Ｖ　
　ａｃｔ　　Ｖａｄが電圧アクチュエータ４３　ａ　、
　４３　ｂ　、　４３　ｃ　、　４３　ｄに与えられる
と、これらの圧電アクチュエータ４３３〜４３ｄは個別
に変位し、支持装置４２の端面に２方向のたわみ角が生
じる。このたわみ角と支持装置４２を伝達する各モーメ
ントによって前記第１の実施例と同様にして減衰作用が
働き、曲げ振動Ｍおよびねじり振動Ｔの振動エネルギが
散逸し、フレーム４３の振動にともなう帯板４１の曲げ
およびねじりの固有振動が抑制される。

前記実施例では４つの圧電アクチエエータと４つの力検
出器を用いたが、本発明は熱論これに限定されるもので
はなく、必要に応じて個数および配置を変更することが
できる。

さらに、例えば４つの検出器の出力電圧の総和を用いた
同様の制御回路を追加することにより支持装置の軸方向
、つまり、Ｘ−Ｘ方向およびＹ−Ｙ方向に垂直な方向の
振動も同時に減衰させることができることは言うまでも
ない。

また、制御装置５０の積分器５３は制御回路中の他の場
所に移しても各信号が各１回積分器を通る構成であれば
本質的に何ら相違しないことは明らかである。

前記実施例１及び実施例２ではともに、アクチュエータ
の数と力検出器の数を同数とし、それぞれ各１が同一軸
上に配置されている。

しかしながら、本発明では少なくとも変位発生部を伝達
する軸力、せん断力、曲げモーメント、ねじりモーメン
トをセンサ部で検出できるように変位発生部とセンサ部
が直列に配置されておれば十分であり、したがって変位
発生部を構成するアクチュエータの数とセンサ部を構成
する力検出器の数は必ずしも同数である必要はなく、ま
た、個々のアクチュエータと力検出器を同一軸上に配置
する必要がない。

ただし、この場合には実施例２に示すように、変位発生
部とセンサ部との間に剛体板が必要となる。

〔発明の効果〕以上の説明から明らかなように、本発明によるアクティ
ブ防振制御方法では、２つの物体を結合する支持装置内
にアクチュエータからなる変位発生部と力検出器からな
るセンサ部を積層して配置したから、センサ部によって
変位発生部を伝達する力およびモーメントが検出でき、
この検出信号を一階積分して得られる信号に基づき、変
位発生部に変位およびたわみ角を発生させるように制御
することから、アクチュエータが発生する変位およびた
わみ角はアクチュエータを伝達する力およびモーメント
に対して９０゜の位相遅れをもち、アクチュエータによ
る仕事は系の振動エネルギーを散逸させるように働く。

したがって、支持装置で支持された物体の定常振動時の
共振応答倍率は散逸による減衰作用によって大幅に低下
し、また、切削工具の再生ビビリ振動などに見られる自
動振動も防止される。

さらに固有振動数の低い梁構造を支持装置を介してフレ
ームに固定すると、フレームが振動しても、支持装置内
のエネルギ散逸作用により、振動エネルギが梁構造の固
有振動エネルギに変換されるのを抑制することができる
。また、変位発生部とセンサ部を一体化させることによ
りコンパクトな制振装置が実現できる。

さらにまた、支持装置を伝達する力およびモーメントを
利用して振動エネルギを吸収することから、大きな制御
力を必要としない。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明によるアクティブ防振制御
方法の第１の実施例を示すものであって、第１図は中ぐ
り加工用切削工具の平面図、第２図はその斜視図、第３
図は制御ブロック図である。第４図ないし第７図は第２の実施例を示すものであって
、第４図は片持ち帯板支持構造の斜視図、第５図は前記
支持支持構造に使用した支持装置の平面図、第６図はそ
の断面図、第７図は制御ブロック図である。第８図及び第９図は従来のアクティブ防振制御方法の説
明図で、第８図は防振制御構成図、第９図はその演算ブ
ロック図である。１・・・振動体、２・・・支持台、３・・・支持装置、
４・・・電圧アクチュエータ、５・・・力検出器、６・
・・演算部、７・・・増幅器、１０・・・積分器、１１
・・・加算器、２１・・・切削工具、２２・・・ホルダ
、２３・・・支持装置、２４・・・弾性ばね構造部、２
４ａ、２４ｂ・・・圧電アクチュエータ、２５ａ、２５
ｂ−力検出器、２６ａ、２６ｂ。２８ａ、２８ｂ・・・ライン、２７・・・制御装置、２
９・・・工具チップ、２９Ａ・・・被加工物Ｊ３０・・
・減算器、３１・・・積分器、３２・・・反転器、３３
．３４・・・加算器、４０・・・￥ｔ′量、４１・・・
帯板、４２・・・支持装置、４３・・・フレーム、４３
ａ、４３ｄ・・・圧電アクチュエータ、４４ａ〜４４ｄ
・・・力検出器、５０・・・制御装置、５１・・・平均
値回路、５２・・・減算器、５３・・・積分器、５４・
・・加減算器、５５・・・加算器、５６・・・増幅器。代理人　弁理士　小　川　信　−

Claims

【特許請求の範囲】

複数個のアクチュエータからなる変位発生部と複数個の
力検出器からなるセンサ部とを積層して支持装置とし、
該支持装置に負荷されるモーメントあるいは軸力に対応
する信号をセンサ部から取り出し、各信号ごとに最適な
ゲイン調整と時間に関する一階積分を含む演算を加えて
得られる各信号に基づいて支持装置のたわみ角あるいは
軸変位を個別にあるいは同時に制御するように変位発生
部の各アクチュエータを駆動することを特徴とするアク
ティブ防振制御方法。