专利名称：用于精密机床的智能隔振装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种隔振装置，尤其是涉及一种用于精密机床的智能隔振装置，能够减少外界对机床的振动影响。
背景技术：
在精密机床的工作过程中，外界环境的振动会影响设备的加工精度，严重时甚至会导致设备无法正常运行。因此，采用隔振措施对来自外界的振动和设备负载的扰动进行有效隔离显得非常有必要。一般常用的隔振装置采用的减振材料大多为橡胶、树脂等高分子材料，它主要是利用高分子材料中粘弹性效果和摩擦效果，将机械振动能转换为热能，从 而达到减振目的。然而，这类材料的最大减振效果，一般是在该类材料玻璃化温度(Tg)附近，因此应用受到一定的限制，如果使用温度不在该材料的玻璃化温度附近时，则减振效果就大打折扣。此外,该类材料本身不具备智能性和主动性,系统的阻尼特性不能适应外部环境的变化。主动隔振就是隔振过程中利用外界能源以产生控制振动所需的作用力，产生作用力的作动器可以是压电陶瓷、液压元件、气动元件和电动元件等。对于低频振动，主动隔振器通过伺服控制作动器实现低频共振峰值的最小化。压电材料是指受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料，压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机一电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用。利用压电效应进行结构振动控制的研究始于20世纪80年代初，人们利用压电元件的正压电效应来检测振动参数，利用压电元件的逆压电效应来抑制振动。振动控制的结构类型有薄板类、梁类、珩架等，所用的压电材料有压电陶瓷和压电聚合物，压电陶瓷如锆钛酸铅，压电聚合物如聚偏氟乙烯。聚偏氟乙烯(PVDF)是目前压电性能最优的压电材料之一，作为一种新型薄膜状换能材料，具有质地轻软、可绕性好、压电特性好等特点。与目前常用的无机物压电材料(如石英、压电陶瓷类)相比，它还具有声阻抗小、频率响应宽、介电常数小、耐冲击性强以及便于加工成任意形状等优点。压电复合材料是由两相或多相材料复合而成的，通常见到的是由压电陶瓷和压电聚合物组成的两相复合材料，这种材料兼有压电陶瓷和聚合材料的优点，与传统的压电陶瓷或与压电单晶相比，它具有更好的柔顺性和机械加工性能，克服了易碎和不易加工成形的缺点，且密度小，声速低，易与空气、水及生物组织实现声阻抗匹配。与压电聚合物材料相t匕，它具有较高的压电常数和机电耦合系数，因此灵敏度很高。目前也有一些其他结构的防振结构，如
公开日为2010年11月17日，公开号为CN101887741A的中国专利中，公开了一种防振结构，该防振结构用以使一储存装置防振，其包括有一壳体、一支撑架及至少一第一缓冲材料，其中壳体具有一底板及一顶板，且壳体的底板及顶板相互对合并包覆于储存装置外，该防振结构的结构设计不够合理，对精密设备的防振效果差。又如
公开日为2010年11月24日，公开号为CN201656656U的中国专利中，公开了一种电机冷却器的防振结构，该防振结构包括电机的机座、冷却器及橡胶圈，冷却器通过连接件安装在机座的上端面，橡胶圈设在冷却器的底面与机座的上端面之间，机座的上端面上均布地设有若干限位凸块；橡胶圈在机座上的限位凸块的相应位置开设缺口，橡胶圈的厚度大于限位凸块的高度；在安装冷却器时，将被压缩后的橡胶圈的厚度与限位凸块的高度一致，以使冷却器的底面与限位凸块的上端面接触，该防振结构专用于消除电机在运行中冷却器会产生晃动的现象，适用面较窄。综上所述，目前还没有一种结构简单，设计合理，性能可靠，减振作用明显，属于智能型减振装置的用于精密机床的智能隔振装置。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理， 减振作用明显，性能可靠的用于精密机床的智能隔振装置。本发明解决上述问题所采用的技术方案是该用于精密机床的智能隔振装置的结构特点在于包括
通过PVDF压电薄片检测外部振动的振动方向、振动频率和振幅，以及通过信号处理系统将外部振动转化为电信号，并将电信号进行校正和放大，以提供准确的执行参数的检测单元；
接收到来自检测单元的信号后，通过自适应运算，计算出与外部振动的相位相反和振幅相等的数据，然后将数据转化为电信号的控制单元；
采用压电复合材料制成，接收到来自控制单元的电信号后，利用逆压电效应将电信号转换为运动信号，通过自身变形来抵消和减弱外部振动，从而实现智能隔振装置的减振和隔振功能的执行单元；
所述控制单元和检测单元连接，所述执行单元和控制单元连接。由此使得本发明的性能可靠，减振作用明显，能够达到智能控制的目的。作为优选，本发明所述控制单元的控制过程为PVDF压电薄片选取的PVDF压电材料的压电晶轴取向为极化方向定义为方向3,即垂直于材料平面的方向，垂直于方向3的另外两个方向分别定义为方向I和方向2，对于沿方向3极化处理后的PVDF压电薄片，具有特定的聚合物薄片结构，仅在方向3产生电荷，其压电方程为
D3 = d3lTj+ H + d33T31式(I)
其中必为方向3的电位移if/m2、;成/为压电系数，表示在J方向作用的应力在i方向检出；G为i方向的应力Wm2)；
控制单元的控制过程采用自适应控制算法实现系统的智能化减振，控制单元的控制系统分为两部分控制信号的产生和控制算法的加权自适应，其中，x(k)为参考信号，它要求与振动信号具有相关性；P(k)为期望信号，是外界振动作用于执行系统的相应，w,{k)为系数矢量；在A时刻，N阶有限脉冲响应滤波器的输出为
y Qd = Σ Wj {k) X {k~i) =Wt {k) X {k)式(2)
在前馈控制中，控制信号s (k)并不等于滤波器的输出y(k)，因为执行单元和误差传感器之间存在着距离，所以从控制器的输出到误差传感器之间形成了一个路径传递函数
C = [c0, C1,…，Cdi-Jt式(3)s {k) = Σ y {k~i) C1=Yt {k)C式(4)
其中，Y⑷=Xt⑷W,代入式(4)，得 s ⑷=[XTWW]TC = WTXf ⑷式(5)
其中，Xf O) =X (Ji) C,为滤波后的参考信号序列；
算法的目的是寻求最优W (幻，使误差信号最小，即
J=min E e2 {k) = min [p {k) + s (^) ]2 = min [p (A) + W1Xi-(A) ]2 式(6)
对于梯度下降算法，权系数的更新采用下列形式 ff(^ + I) = W⑷-μ Λ W⑷式(7)
其中μ为提高系统的性能而加入到加权系数的部分负梯度，即收敛系数；
式(6)对权系数W (幻进行求导，得
Λ W⑷ ^ 3 e2 (A) / 3F = 2e (A) Xf(Ji)式(8)
将式(8)代入式(7)，得
w(A + I ) = w (A) — 2 e (Jc) xf {k)式(9)
依据式(9)，利用检测单元采集到的信号e (幻X/(幻不断地更新权系数w (幻，使执行单元的输出信号与振动信号相位相反，振幅相等，从而实现智能隔振装置的减振功能。由此使得本发明控制单元的控制效果更好，能够更加有效的达到智能控制的目的，更加有效的实现装置的减振和隔振功能。作为优选，本发明还包括支架，所述执行单元位于支架的上表面，所述检测单元位于支架的下表面。作为优选，本发明还包括辅助单元，所述辅助单元连接在检测单元和执行单元之间。本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果结构简单，设计合理，适用性广，减振作用明显，属于智能型减振装置，具有良好的隔振和抗振功能。本发明利用检测单元中的PVDF薄片检测外界振动，通过检测单元中的信号处理系统将外部振动转化为电信号，然后提供给控制单元，控制单元采用自适应运算得出智能信号，并传递给执行单元，利用压电复合材料制成的执行单元进行信号逆转换，通过执行单元的变形实现装置的减振和隔振功倉泛。
图I是本发明实施例中用于精密机床的智能隔振装置的结构示意图。
图2是本发明实施例中控制部分的自适应控制系统原理示意图。
具体实施例方式下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。实施例。参见图I至图2，本实施例中用于精密机床的智能隔振装置包括支架、检测单元I、控制单元2、执行单元3和辅助单元4。本实施例中的检测单元I、控制单元2、执行单元3和辅助单元4均连接在支架上，且执行单元3位于支架的上表面，检测单元I位于支架的下表面。本实施例中的控制单元2和检测单元I连接，执行单元3和控制单元2连接，辅助单元4连接在检测单元I和执行单元3之间。本实施例中的检测单元I包括PVDF压电薄片和信号处理系统，其中，PVDF压电薄片用于检测外部振动的振动方向、振动频率和振幅，信号处理系统用于将外部振动转化为电信号，并将电信号进行校正和放大，以达到能够提供准确的执行参数的目的。本实施例中的控制单元2接收到来自检测单元I的信号后，通过自适应运算，计算出与外部振动的相位相反和振幅相等的数据，然后将数据转化为电信号。本实施例中的执行单元3采用压电复合材料制成，该执行单元3接收到来自控制单元2的电信号后，利用逆压电效应将电信号转换为运动信号，然后通过自身变形来抵消和减弱外部振动，从而实现智能隔振装置的减振和隔振功能。 本实施例中采用PVDF压电薄膜作为隔振装置中用于检测信号的检测单元1，利用压电复合材料作为隔振装置的执行单元3，该执行单元3和检测单元I分别位于隔振装置的支架上表面和下表面，执行单元3和检测单元I通过中间的控制单元2及辅助单元4联接为一体。本实施例选取PVDF压电材料中的PVDF压电薄片形式，可根据不同要求制作成不同尺寸和规格的压电薄片，用于检测外部振动信号的振动方向、频率和振幅等参数，极化方向定义为垂直于材料平面的方向。本实施例通过检测单元I中的信号处理系统将外部的振动信号转化为电信号，通过信号处理系统对转化后的电信号进行校正和放大，然后提供给控制单元2。控制单元2接收到来自检测单元I的信号后，通过自适应运算，计算出与外界振动相位相反、振幅相等的数据，将其提供给执行单元3。控制单元2采用自适应控制算法，控制系统可以分为两部分控制信号的产生和控制算法的加权自适应。本实施例中的执行单元3接收到来自控制单元2的控制信号后，通过采用压电复合材料制成的执行单元3的变形实现抵消和减弱外部振动，执行单元3执行来自控制单元2的控制信号，是利用其逆压电效应。制作执行单元3的复合材料，可以根据不同的使用要求制成不同的外形和规格。本实施例中的检测单元I包括PVDF压电薄片和信号处理系统，PVDF压电薄片用于检测外部振动的振动方向、频率和振幅等参数，并通过信号处理系统转化为电信号，给执行单元2提供准确的执行参数。 本实施例的PVDF压电薄片选取的PVDF压电材料的压电晶轴取向为极化方向定义为方向3,即垂直于材料平面的方向，垂直于方向3的另外两个方向分别定义为方向I和方向2。对于沿方向3极化处理后的PVDF压电薄片，具有特定的聚合物薄片结构，仅在方向3产生电荷，其压电方程为
D3 = d3lTj+ H + d33T31式(I)
其中必为方向3的电位移if/m2、;成/为压电系数，表示在J方向作用的应力在i方向检出；G为i方向的应力Wm2)。本实施例的控制单元2的控制过程采用自适应控制算法，实现系统的智能化减振，控制单元2的控制系统分为两部分控制信号的产生和控制算法的加权自适应，原理图如图2所示。其中，x(k)为参考信号，它要求与振动信号具有相关性；P(k)为期望信号，是外界振动作用于执行系统的相应。在k时刻，N阶有限脉冲响应滤波器的输出为y Qd = Σ Wj {k) X {k~i) =Wt {k) X {k)式(2)
在前馈控制中，控制信号s (k)并不等于滤波器的输出y(k)。因为执行单元(或称为控制器)和误差传感器之间存在着距离，所以从控制器的输出到误差传感器之间形成了一个路径传递函数
C = [c0, C1,…，Cdi-Jt式(3)
s {k) = Σ y{k~i) C1=Yt{k)C式(4)
其中，Y⑷=Xt⑷#。代入式(4)，得
S ⑷=[XTWW]TC = WTXf ⑷式(5)
其中，Xf O) =x Ud c,为滤波后的参考信号序列。算法的目的是寻求最优W(幻，使误差信号最小，即
J=min E e2 {k) = min [p {k) + s (^) ]2 = min [p (A) + W1Xi-(A) ]2 式(6)
对于梯度下降算法，权系数的更新采用下列形式 ff(^ + I) = W⑷-μ Λ W⑷式(7)
其中μ为提高系统的性能而加入到加权系数的部分负梯度，即收敛系数。式(6 )对权系数w⑷进行求导,得
Λ W⑷ ^ 3 e2 (A) / 3W = 2e (A) Xf(Ji)式(8)
将式(8)代入式(7)，得
w(A + I ) = w (A) — 2 e (Jc) xf {k)式(9)
算法执行的本质是依据式(9)，利用检测单元I采集到的信号e⑷不断地更新权系数w {k)，使执行单元的输出信号与振动信号相位相反，振幅相等，从而实现系统的减振。本实施例利用压电复合材料作为执行单元3，利用其逆压电效应来抵消或减小来自外界的振动。利用压电复合材料更好的机械加工性能，针对不同的使用场合制作大小合适的隔振装置的执行单元3。利用压电复合材料更高的压电常数和机电耦合系数，从而可以产生更大的驱动力和输出位移，进而更有效的执行来自信号检测单元I的信号。检测单元I位于装置的最下面，和地面接触。采用PVDF薄片结构，利用其频率响应宽和介电常数小的特点，检测来自地面的不同频率、不同振幅的振动。并在测得来自不同测点的相应数据后，通过信号处理系统对其进行校正和放大，转换后提供给控制单元2。控制单元2接收来自检测单元I的信号后，通过自适应运算，计算出与外界振动相位相反、振幅相等的数据，将其提供给执行单元3。执行单元3 采用压电复合材料制成。执行单元3接收到来自控制单元的控制信号后，利用其逆压电效应将电信号转换为执行单元3的运动信号，从而实现装置的减振和隔振。此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围 。
权利要求
1.一种用于精密机床的智能隔振装置，其特征在于包括 通过PVDF压电薄片检测外部振动的振动方向、振动频率和振幅，以及通过信号处理系统将外部振动转化为电信号，并将电信号进行校正和放大，以提供准确的执行参数的检测单元； 接收到来自检测单元的信号后，通过自适应运算，计算出与外部振动的相位相反和振幅相等的数据，然后将数据转化为电信号的控制单元； 采用压电复合材料制成，接收到来自控制单元的电信号后，利用逆压电效应将电信号转换为运动信号，通过自身变形来抵消和减弱外部振动，从而实现智能隔振装置的减振和隔振功能的执行单元； 所述控制单元和检测单元连接，所述执行单元和控制单元连接。
2.根据权利要求I所述的用于精密机床的智能隔振装置，其特征在于所述控制单元的控制过程为=PVDF压电薄片选取的PVDF压电材料的压电晶轴取向为极化方向定义为方向3,即垂直于材料平面的方向，垂直于方向3的另外两个方向分别定义为方向I和方向2,对于沿方向3极化处理后的PVDF压电薄片，具有特定的聚合物薄片结构，仅在方向3产生电荷，其压电方程为 D3 = d3lTj+ H + d33T31式(I) 其中必为方向3的电位移if/m2、;成/为压电系数，表示在J方向作用的应力在i方向检出；G为i方向的应力Wm2)； 控制单元的控制过程采用自适应控制算法实现系统的智能化减振，控制单元的控制系统分为两部分控制信号的产生和控制算法的加权自适应，其中，x(k)为参考信号，它要求与振动信号具有相关性；P(k)为期望信号，是外界振动作用于执行系统的相应，WjQd为系数矢量；在A时刻，N阶有限脉冲响应滤波器的输出为 y Qd = Σ Wj {k) X {k~i) =Wt {k) X {k)式(2) 在前馈控制中，控制信号s (k)并不等于滤波器的输出y(k)，因为执行单元和误差传感器之间存在着距离，所以从控制器的输出到误差传感器之间形成了一个路径传递函数 C = [c0, C1,…，Cdi-Jt式(3) s {k) = Σ y{k~i) C1=Yt{k)C式(4) 其中，Y⑷=Xt⑷W,代入式(4)，得 s ⑷=[XTWW]TC = WTXf ⑷式(5) 其中，Xf O) =X (Ji) C,为滤波后的参考信号序列； 算法的目的是寻求最优W (幻，使误差信号最小，即J=min E e2 {k) = min [p {k) + s (^) ]2 = min [p (A) + W1Xi-(A) ]2 式(6) 对于梯度下降算法，权系数的更新采用下列形式 ff(^ + I) = W⑷-μ Λ W⑷式(7) 其中μ为提高系统的性能而加入到加权系数的部分负梯度，即收敛系数； 式(6)对权系数W (幻进行求导，得 Λ W⑷ ^ 3 e2 (A) / 3F = 2e (A) Xf(Ji)式(8) 将式(8)代入式(7)，得 w(A + I ) = w (A) — 2 e (Jc) xf {k)式(9)依据式(9)，利用检测单元采集到的信号e (幻X/(幻不断地更新权系数w (幻，使执行单元的输出信号与振动信号相位相反，振幅相等，从而实现智能隔振装置的减振功能。
3.根据权利要求I所述的用于精密机床的智能隔振装置，其特征在于还包括支架，所述执行单元位于支架的上表面，所述检测单元位于支架的下表面。
4.根据权利要求I所述的用于精密机床的智能隔振装置，其特征在于还包括辅助单元，所述辅助单元连接在检测单元和执行单元之间。
全文摘要
本发明涉及一种用于精密机床的智能隔振装置。目前还没有一种结构设计合理，减振作用明显的用于精密机床的智能隔振装置。本发明的特点是包括通过PVDF压电薄片检测外部振动的振动方向、频率和振幅，以及通过信号处理系统将外部振动转化为电信号，并将电信号校正和放大，以提供执行参数的检测单元；接收到来自检测单元的信号后，计算出与外部振动的相位相反和振幅相等的数据，并转化为电信号的控制单元；接收到来自控制单元的电信号后，利用逆压电效应将电信号转换为运动信号，通过自身变形来抵消和减弱外部振动，实现减振和隔振功能的执行单元；执行单元、控制单元和检测单元依次连接。本发明的结构设计合理，减振作用明显，性能可靠。
文档编号F16F7/00GK102777527SQ20121029376
公开日2012年11月14日 申请日期2012年8月17日 优先权日2012年8月17日
发明者高涛 申请人:中国联合工程公司