一种应用于机械振动系统的两自由度主动抑制装置的制作方法

1.本实用新型具体涉及机械振动抑制技术领域，具体地说是一种应用于机械振动系统的两自由度主动抑制装置。


背景技术：

2.振动大小是影响机械设备性能的重要因素，有效的降低机械振动对于提升机械设备的性能而言无疑是具有重要意义。在实际工程中采用包括吸振、隔振、消振、阻振以及结构修改等一系列方法来进行结构减振，这些方法归纳起来可分为振动的主动控制和被动控制。被动控制不需要外界能量的输入，减振装置结构简单，易于实现，兼具经济性和可靠性的特点，因此在实际工程中得到了广泛的应用。但是被动减振具有天然的不可逾越的缺陷，例如当减振系统结构确定以后，减振效果也随之确定，对于外扰频率变化激励力引起的振动，减振效果不佳；随着人们对于振动控制精度越来越高的要求，人们开始寻求新的更为有效的减振技术，此时振动主动控制技术由于具有减振效果好、有效减振频带宽等优势，很自然成为人们关注的对象。通常情况下机械系统的振动是在一定的频带范围内，且振动也存在于多个方向。根据机械振动理论，多方向的变频振动需要两个或这两个以上的动力减振装置才能实现复杂激励条件下的高效减振。而以往的动力减振装置多以单轴向为主，减振效率有限；基于此需求，本实用新型提出了一种可应用于机械振动的两自由度主动振动控制装置。
3.现有的cn108155773b是一种可调谐式两自由度振动主动控制装置，它由壳体、共振装置、固有频率调节装置、耗能装置等组成。其中共振装置包括永磁体、磁铁以及连接他们的柔性连接杆；固有频率调节装置由步进电机、双向滚珠滑动丝杠、可移动支撑梁等部分组成。在cn108155773b中，固有频率调节装置接受来自单元内加速度传感器的实时信号，通过控制系统的dsp计算处理后，控制系统通过对步进电机进行调整，进一步带动滑动丝杠来调节柔性连接杆参与振动长度的目的，进而达到改变固有频率、实现对于减振对象振动控制的目的。
4.但是由于该振动控制装置在振动主动控制过程中，具有较多的机械结构，执行机构亦比较复杂，因此整个系统传递函数的不可控性及非线性度大幅增加，从而造成系统的控制难度和精度增强；此外，由于受到双向滚珠滑动丝杠运动过程中的变形、部件加工精度、步进电机旋转精控制等多方面的因素影响，整个自调谐两自由度电磁吸振器系统的控制精度也会受到影响，这对于微小幅度的振动精确控制是不利的。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本实用新型提供一种应用于机械振动系统的两自由度主动抑制装置。
6.一种应用于机械振动系统的两自由度主动抑制装置，包括振动主动控制数据采集运算部分、功率放大部分、振动主动控制执行机构；其中：
7.振动主动控制数据采集运算部分包括两个三轴向的加速度传感器、控制器、带有控制软件的计算机；
8.功率放大部分包括辅助电源、一个多通道功率放大器；
9.振动主动控制执行机构包括壳体，所述壳体内设置有永磁铁动子组件，所述永磁铁动子组件数量有三个，一个垂直设置、另外两个位于两侧且水平设置，所述壳体通过高导磁外壳分为3个腔室，每个腔室设置一个永磁铁动子组件；所述永磁铁动子组件包括永磁铁动子、光滑导杆，所述光滑导杆穿过永磁铁动子并可相对滑动，光滑导杆上套有弹簧，弹簧一端与壳体内壁连接，另一端与连接锁紧螺母；光滑导杆两端部固定在壳体内壁，所述永磁铁动子周围设置有电磁线圈，在电磁线圈通电时，形成交变磁场，永磁铁动子在交变磁场作用下上下运动，对外输出加速度。
10.所述永磁铁动子由永磁铁、导磁压块、锁紧螺母组成，永磁铁是构成运动副的一部分，永磁铁被两端的导磁压块压着，用锁紧螺母先从两端锁住。用上下两个螺母将中间整个运动副固定起来，而运动副与中间光滑导轨是有一定的间隙的。
11.所述加速度传感器为iepe型。
12.所述永磁铁动子周围设置有设置有电磁线圈支撑架，电磁线圈支撑架上设置电磁线圈。
13.本实用新型针对现有技术中机械执行机构复杂、响应速度慢、控制精度不高等存在的相关缺点和问题，提出了一种新的两自由度电磁耦合振动控制装置。与现有技术相比，本实用新型的主要优势在于：
14.(1)与现有振动控制技术相比，本实用新型没有复杂繁琐的机械执行机构，结构简单、响应速度快，通过控制系统提供的信号即可进行实时的高精度控制；
15.(2)与现有振动控制技术相比，本实用新型的控制系统采用了滤波自适应控制算法和数字信号处理技术，灵敏度高，控制过程可靠稳定；
16.(3)与现有振动控制技术相比，本实用新型所涉及的振动控制装置可同时在两个方向上进行振动控制，亦可也在单方向进行振动控制，拥有更多样化的控制选择；
17.(4)本实用新型有效集成了振动数据采集运算部分、功率放大部分、机械执行机构三部分，形成了振动控制的单元化模式；
18.(5)本实用新型中所设计的机械执行机构，通过电磁感应原理来实现惯性质量单元的往复运动；
19.(6)本实用新型采用滤波自适应算法，通过控制器运算的驱动信号经功放后实现对于机械执行机构驱动，从而达到振动控制的目的；
20.(7)本实用新型所涉及到的振动控制装置的机械执行机构中设计了三个正方形截面腔室，每个截面腔室中设置了一个惯性质量单元，三个正方形截面腔室的方向相互垂直，因此这种结构设计确保了机械执行机构在振动控制过程中时刻对外输出的力相互垂直、且无偏心力矩产生；
21.(8)本实用新型所涉及到的振动控制装置的机械执行机构由三个单独的惯性质量组成，每个质量单元之间由永磁体、导磁压铁等结构组成，在沿着光滑导轨方向形成双层导磁磁场。
附图说明
22.图1为本实用新型的结构示意图；
23.图2为图1的a-a剖视图；
24.图3为图2的b-b剖视图
25.图4为基于x-lms算法的振动主动抑制系统框图。
26.图中标记：1—三轴向加速度传感器、2—电磁线圈支撑架、3—电磁线圈、4—永磁铁动子、41—导磁压块、5—锁紧螺母、6—弹簧、7—光滑导杆、8—高导磁外壳、9—接线柱。
具体实施方式
27.下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.实施例一
29.如图1至图3所示，一种应用于机械振动系统的两自由度主动抑制装置，包括振动主动控制数据采集运算部分、功率放大部分、振动主动控制执行机构；其中：
30.振动主动控制数据采集运算部分包括两个三轴向的加速度传感器1、控制器、带有控制软件的计算机；
31.功率放大部分包括辅助电源、一个多通道功率放大器；
32.振动主动控制执行机构包括壳体，所述壳体内设置有永磁铁动子组件，所述永磁铁动子组件数量有三个，一个垂直设置、另外两个位于两侧且水平设置，所述壳体通过高导磁外壳8分为3个腔室，每个腔室设置一个永磁铁动子组件；所述永磁铁动子组件包括永磁铁动子4、光滑导杆7，所述光滑导杆7穿过永磁铁动子4并可相对滑动，光滑导杆上套有弹簧6，弹簧6一端与壳体内壁连接，另一端与连接锁紧螺母5，光滑导杆7两端部固定在壳体内壁，所述永磁铁动子周围设置有电磁线圈3，在电磁线圈3通电时，形成交变磁场，永磁铁动子在交变磁场作用下上下运动，对外输出加速度。
33.优选的，所述永磁铁动子由永磁铁、导磁压块41、锁紧螺母5组成，永磁铁是构成运动副的一部分，永磁铁被两端的导磁压块压着，用锁紧螺母先从两端锁住。用上下两个螺母将中间整个运动副固定起来，而运动副与中间光滑导轨是有一定的间隙的。
34.优选的，所述加速度传感器为iepe型。
35.优选的，所述永磁铁动子4周围设置有设置有电磁线圈支撑架2，电磁线圈支撑架上设置电磁线圈3。
36.本实用新型属于两自由度电磁耦合振动控制装置，通过接受控制系统计算的驱动信号来实现对于受控对象振动的实时精确控制；本实用新型属于两自由度电磁耦合振动控制装置，相对于传统的被动减振装置，本实用新型有效拓展了振动控制的频带范围，提升了振动控制的效果；本实用新型属于两自由度电磁耦合振动控制装置，相对于传统的吸振器，无论是定频还是可调谐吸振器，大多为单方向的；而本实用新型中所涉及的两自由度电磁耦合振动控制装置为两自由度，可同时抑制两个自由度方向的振动，大大降低了振动控制的成本；本实用新型属于两自由度电磁耦合振动控制装置，本实用新型中将两个三轴向加
速度传感器集成设计在机械执行机构内部，这种设计的可用于受控对象振动信号的采集，无需在受控对象上再设置振动响应传感器，对于狭小空间的振动控制和扩大振动装置的应用有重要意义。
37.工作原理：
38.本实用新型一般应用于两自由度或多自由度的机械系统振动控制，将本装置执行机构固定安装于振动控制对象上，由于振动主动控制执行机构与振动控制对象两者之间采用刚性连接的方式，因此可将测量受控对象振动响应的三轴向加速度传感器内置集成于控制执行机构内部空腔。当受控对象振动发生时，三向加速度传感器感知来自受控对象的振动信号，并实时传递给控制器，控制器将信号离散采样之后通过自适应相关算法计算生成控制信号并传递给功率放大器，控制信号在经过功放后同时驱动执行机构内的电磁耦合式动力吸振器开始工作，并实时输出与外扰激励幅值相等、相位相反的振动，以此达到抑制振动的目的。
39.实施例二
40.如图3所示，一种应用于机械振动系统的两自由度主动抑制方法，方法如下：采用的控制软件建立在fpga上的基于自适应反馈控制算法的核心控制程序、振动主动测控软件；核心软件通过控制算法实现执行机构驱动信号的计算，振动主动测控软件完成振动信号的检测、试验过程调试、通信协调控制等功能；
41.具体为，采用的滤波自适应反馈控制算法，p(z)为外扰激励信号和振动响应之间的传递函数，d(n)为外扰激励力下的期望信号，e(n)为振动主动控制系统工作情况下产生的振动响应，即误差信号；x(n)为受控对象的外扰激励力信号，也作为控制器的参考输入向量；
42.x(n)＝[x(n)，x(n-1)，...，x(n-l+1)]
t
[0043]
控制滤波器的权值向量为：w(n)＝[w0，w1，...，w
l
，w
l-1
]
t
,其中n表示采样时刻，l表示滤波器阶数，则控制器的输出为：
[0044][0045]
误差通道采用h阶fir滤波器表示，其权向量为:
[0046]
s(n)＝[s0，s1，...，s
h-1
]
t
[0047]
w(z)、s(z)分别表示滤波器权向量w(n)、误差通道滤波器s(n)的z变换，是在控制进程开始之前，用系统辨识的方法得到误差通道s(z)的数字估计，其中
[0048]
w(z)＝w0+w1z-1
+w2z-2
+
…
+w
l-1
z-(l-1)
[0049]
s(z)＝s0+s1z-1
+s2z-2
+
…
+s
h-1
z-(h-1)
[0050]
则误差传感器的输出可以写成
[0051]
e(n)＝d(n)-s
t
y(n)
[0052]
[0053]
求和变序得：
[0054][0055]
令
[0056]
则误差信号为：
[0057][0058]
定义如下向量：
[0059]
x
′
(n)＝[x
′
(n)，x
′
(n-1)，...，x
′
(n-l+1)]
t
[0060]
误差信号进一步写成：
[0061]
e(n)＝d(n)-x
′
t
(n)w(n)
[0062]
取性能函数：j＝e{e2(n)}
[0063]
求导：j＝e{d2(n)-2d
t
(n)x
′
t
(n)w+w
t
x
′
(n)x
′
t
(n)w}
[0064]
按标准的lms算法的推导过程，亦可得到类似结果，即最佳权向量为：
[0065]w*
＝[e{x
′
(n)x
′
t
(n)}]-1
e{x
′
(n)d(n)}
[0066]
权向量更新公式：
[0067]
w(n+1)＝w(n)+2μx
′
(n)e(n)
[0068]
则整个滤波器的x-lms算法归纳如下：
[0069][0070]
e(n)＝d(n)-s
t
y(n)
[0071]
w(n+1)＝w(n)+2μx
′
(n)e(n)
[0072]
x
′
(n)＝[x
′
(n)，x
′
(n)，...，x
′
(n-l+1)]
t
[0073][0074]
最后应说明的几点是：首先，在本技术的描述中,需要说明的是,除非另有规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,可以是机械连接或电连接,也可以是两个元件内部的连通,可以是直接相连,“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
[0075]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。