專利名稱：在機械系統(tǒng)中用于自適應(yīng)抑制振動的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在機械系統(tǒng)中抑制振動的有源控制技術(shù)。本發(fā)明具體的實施例涉及在旋轉(zhuǎn)工件的加工期間抑制刀具的振動。
本發(fā)明是與美國空軍簽訂的合同F(xiàn)33615-94-C-2033、由政府支持所作出的。在本發(fā)明中政府享有一定的權(quán)利。
不需要的機械振動已經(jīng)困擾了包括活動部件或者在使用中易于機械地耦合到振動噪聲源的機械系統(tǒng)的設(shè)計者許多年了。這些系統(tǒng)尤其包括用于切削旋轉(zhuǎn)金屬工件的機器。這些系統(tǒng)還包括其他用于削減成形工件的機器，以及光學(xué)裝置和它們的支架，金屬板印刷和其他制造工具和它們的支架，各類成象系統(tǒng)和它們的支架，以及自動推進(jìn)運載工具。
在金屬切削操作中，例如在可旋轉(zhuǎn)的工件上能夠獲得的表面光潔度的質(zhì)量經(jīng)常由于切削工具表現(xiàn)出的震顫的傾向或一些其他振動的不穩(wěn)定性而受到限制。這個問題在要求切削工具安裝在相對長的懸臂支撐桿的一端上鉆孔操作時顯得特別嚴(yán)重。因為這類結(jié)構(gòu)具有很多的麻煩的機械共振問題，所以對于具有圓柱形孔如發(fā)動機和拋射體發(fā)射器的加工產(chǎn)品中要獲得的表面光潔度而言，已經(jīng)證明震顫是一個重要的限制因素。
實時信號處理被應(yīng)用于解決機械系統(tǒng)中不需要的振動問題。典型地應(yīng)用運動傳感器產(chǎn)生包含不需要的振動信息的信號。將這些信號傳送給數(shù)字信號處理器，處理器用傳送的信息來產(chǎn)生用于驅(qū)動機電致動器的校正信號。而這些致動器接著在機械系統(tǒng)中產(chǎn)生要抵消不需要的振動的響應(yīng)。
為了給有源振動控制產(chǎn)生校正信號，現(xiàn)代控制理論作為一種公知技術(shù)應(yīng)用在數(shù)字信號處理過程中。非常簡短的說，現(xiàn)代控制理論(MCT)包含來自由固定的實數(shù)值系數(shù)進(jìn)行幅度定標(biāo)的傳感器信號的線性組合而產(chǎn)生的校正致動器驅(qū)動信號。于是校正驅(qū)動信號幾乎同時表示誤差傳感器輸出的狀態(tài)。這就引入了一個寬帶反饋控制系統(tǒng)。簡短的說，MCT是單個傳感器、單個致動器反饋控制的多維擴展。
例如，將MCT應(yīng)用于機械刀具的有源控制設(shè)備在由K.E.Rouch等人在1992年12月8日發(fā)布的美國專利第5,170,103號上作了描述。(以后稱為“Rouch專利”)。這種設(shè)備包括一個用于分別產(chǎn)生鉆桿位移和速度信號的傳感器，一個安裝在鉆桿自由端附近的反饋體，一個用于分別產(chǎn)生反饋體位移和速度信號的傳感器，和一個用于替代反饋體的致動器，以這種方式抵消鉆桿的不需要的振動。在信號處理器中，兩個速度信號和兩個位移信號根據(jù)MCT的方法按比例定標(biāo)和組合以產(chǎn)生校正的信號。
在現(xiàn)代控制理論的各種應(yīng)用中，本領(lǐng)域的專業(yè)人員在抑制不需要的振動方面已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步。但是，例如在機械操作中仍然存在一些用這些方法至今沒有完全抑制的振動源。


圖1是一個在一般意義上用于完成有源振動控制的調(diào)節(jié)器的初步設(shè)計圖。
圖2是一個用于有源振動控制的自適應(yīng)調(diào)節(jié)器的初步設(shè)計圖。
圖3是一個自適應(yīng)調(diào)節(jié)器的初步設(shè)計圖，其中誤差信號和參考信號是相同的。這是調(diào)節(jié)器使用非超前的參考信號的特殊情況。
圖4是具有固定時間延遲的正反饋共振結(jié)構(gòu)的振動特性的初步設(shè)計圖。
圖5是具有多個誤差傳感器和多個機械致動器的自適應(yīng)調(diào)節(jié)器的初步設(shè)計圖。
圖6是一個正反饋系統(tǒng)的圖解描述，根據(jù)H.E.Merritt的理論模型該系統(tǒng)存在于金屬車削操作中。
圖7是在表現(xiàn)出寬帶震顫的典型的金屬車削操作期間，刀具位移的功率譜描述。在這張圖里，工件旋轉(zhuǎn)速度為5.75Hz，工件材料是4130號鋼，切割深度為0.5mm，并且饋送速率為每圈0.0325mm。一般在每次切割與前一次切割之間有一些重合。重合的精確量值一般取決于饋送速率。刀頭安裝在懸臂鉆桿的外伸比率L/D為6處。參數(shù)L代表鉆桿的長度，以及參數(shù)D代表鉆桿的直徑。
圖8是在表現(xiàn)出窄帶震顫的典型的金屬車削操作期間，刀具切向位移的功率譜描述。鉻鎳鐵合金工件在切割深度為0.51mm時以0.47Hz旋轉(zhuǎn)，每圈饋送速率為0.25mm，以及11的外伸比率。
圖9是窄帶震顫的理想功率譜。
圖10是寬帶震顫的理想功率譜。
圖11是包括旋轉(zhuǎn)工件的金屬車削機床的圖示。在圖中也描述了一個實施例用于實現(xiàn)本發(fā)明方法的信號處理器和機電致動器。
圖12是一個加到圖6的反饋系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的圖示。這個控制系統(tǒng)提供用于控制刀具位移的校正信號Fa(s)。這個校正信號部分地是在一個旋轉(zhuǎn)周期里使用可調(diào)整的延遲設(shè)備，以及加上一個放大器增益K由延遲工具位移信號而導(dǎo)出的。
圖13是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中包括一個自適應(yīng)濾波器的控制系統(tǒng)的圖示。
圖14是用于實驗性評估本發(fā)明實施例的已控制的金屬切削設(shè)備的圖示。
圖15和16分別是在窄帶震顫條件下，在圖14設(shè)備上測量的法向震顫和切向震顫的幅度頻譜。
圖17是在寬帶震顫條件下，在圖14設(shè)備上測量的法向震顫幅度的頻譜。
圖18是在圖14的金屬切削設(shè)備的鉆桿內(nèi)顯示機械致動器可能的位移的圖示。
下面描述作為這里使用的下列每個術(shù)語的意義自適應(yīng)濾波器是一種用于控制系統(tǒng)性能的時變的、自調(diào)節(jié)的、數(shù)字信號處理設(shè)備。這種設(shè)備作用于一個輸入信號(有時稱為參考信號)并產(chǎn)生一個輸出信號。該系統(tǒng)的性能至少部分取決于這個輸出信號。為了使實際的和需要的系統(tǒng)性能的差值最小，濾波器自動地優(yōu)化處理輸入信號(即，它自適應(yīng)處理)。
稱為橫向濾波器的一個自適應(yīng)濾波器的特殊類型，采用不同的可變加權(quán)、以不同的固定延遲的輸入信號線性組合的連續(xù)的時間采樣處理輸入信號。
一個系統(tǒng)機械干擾的回波狀響應(yīng)意味著在一個或多個時間延遲上表現(xiàn)出一個可檢測的自相關(guān)的響應(yīng)，其中自相關(guān)是獨立于原始機械干擾波形的，并且用系統(tǒng)本身的脈沖響應(yīng)的時間相關(guān)的結(jié)果替代。
總合成力是由包括反饋體或結(jié)構(gòu)內(nèi)部的機械致動器的任何設(shè)備產(chǎn)生的力、偽力、轉(zhuǎn)動力矩、或彎曲力矩。
超前參考信號(advanced reference signal)是指在自適應(yīng)調(diào)節(jié)器回路中用于自適應(yīng)濾波器的參考信號。參考圖1和2可以最好地理解這一點。
就廣義來說，圖1描述了使用控制器1.1以在設(shè)備1.2產(chǎn)生與干擾噪聲n組合的校正信號，用這種方式減少產(chǎn)生的誤差信號e。如圖所示，設(shè)備1.2包含干擾路徑1.3和致動器路徑1.4。當(dāng)缺少輸入到設(shè)備1.2的信號時，輸出位移是誤差信號e(相對于物理設(shè)備上的一個特定的空間位置)。這個誤差信號代表僅有噪聲的位移響應(yīng)d和僅有致動器的位移響應(yīng)y之差。也就是e＝d-y。在設(shè)備是線性的情況下，響應(yīng)d和y在由求和點1.5表示的物理測量位置上組合。
控制器1.1的一種形式是執(zhí)行濾波的x最小均方差(FXLMS)算法的自適應(yīng)橫向濾波器，這對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是公知的。這種形式的控制器在圖2作了描述。(為了簡化起見從圖中省略了執(zhí)行FXLMS算法的一些基本細(xì)節(jié)。)應(yīng)理解在圖1和2中相同的標(biāo)號指明了共同的部件。但是，在圖2中自適應(yīng)濾波器2.1替換了控制器1.1。另外還加上了線路2.3，從抽頭點2.2將參考信號x帶到自適應(yīng)濾波器的參考輸入部分。
圖2所示的配置在本領(lǐng)域是常見的。參考信號x超前的意思是指濾波器2.1接收到的信號x的每段(時間上)超前于濾波器2.1接收到的誤差信號e的相應(yīng)段。由于在干擾路徑1.3的固有等待時間信號e在一個延遲之后到達(dá)。在常規(guī)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)器配置中，為了補償在濾波器2.1和致動器路徑1.4的自適應(yīng)處理組合的固有等待時間，希望考慮信號x能夠超前。這使得濾波器2.1可以利用消除與信號x相關(guān)的噪音分量從誤差信號中去除寬帶噪聲。
在實際執(zhí)行中，抽頭(tap)點2.2有益地位于機械結(jié)構(gòu)的一個點上，這個點盡可能在物理上接近結(jié)構(gòu)上干擾力的進(jìn)入點。例如誤差傳感器和致動器可以位于多層高樓建筑物的頂上用于在抗地震加載中穩(wěn)定建筑物的搖擺。在這種情況下，抽頭點2.2有用的位置應(yīng)該在地平面上，這里合適的變換器如地震加速度計將提供一個電參考信號。
于是，當(dāng)參考信號是所述的超前參考信號時，這就意味著在參考位置存在的給定信號與在誤差位置稍后到達(dá)的相同或類似的信號之間有一個正的時間延遲。用另外一種方式說，如果沖擊力施加到干擾力的進(jìn)入點的結(jié)構(gòu)上，那么參考傳感器在誤差傳感器產(chǎn)生一個結(jié)構(gòu)響應(yīng)的指示之前響應(yīng)。
參見圖3可以最好地理解非超前參考信號。我們知道圖3上缺少線路2.3和抽頭點2.2，并且作為替代，誤差信號e也用作為參考信號x。這表示與當(dāng)前技術(shù)的自適應(yīng)控制方法不同在于，參考信號并不超前于誤差信號到達(dá)濾波器2.1。這是非超前參考信號的一種情況。
實際上，非超前參考信號不僅可以從誤差信號中直接獲取，也可以從如一個例子中的轉(zhuǎn)速計中獲得，該轉(zhuǎn)速計產(chǎn)生窄帶(典型地，正弦波的)信號或者在要被穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)機器中直接與軸旋轉(zhuǎn)頻率相關(guān)的信號。
非超前參考信號的另一個例子是在多層樓房建筑物的頂層的傳感器輸出，它產(chǎn)生一個與建筑物搖擺有關(guān)的寬帶信號，并與位于建筑物內(nèi)或接近地平面的誤差傳感器和致動器一致行動。
在一般意義上，說參考信號為非超前的意味著在參考位置存在的給定信號與在誤差位置到達(dá)的相同或相似的信號之間是零或負(fù)時間延遲。這樣，參考傳感器將在誤差傳感器響應(yīng)同一個沖擊力的同時或者之后在干擾力進(jìn)入點響應(yīng)施加的沖擊力。
參見圖4可以最好地理解正反饋，其中干擾路徑1.3擴展包括了H(s)(單元4.4)，結(jié)構(gòu)響應(yīng)函數(shù)假設(shè)無限大阻抗(即不反射)的邊界條件；A(s)esT(s)在單元4.1中作了說明并表示在頻率相關(guān)時間延遲T(s)產(chǎn)生回波狀響應(yīng)的結(jié)構(gòu)邊界條件響應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的共振動態(tài)特性；μe-sT在單元4.2中作了說明并表示具有獨立于結(jié)構(gòu)共振的固定時間延遲T的回波效應(yīng)。(這樣一個固定時間延遲，例如下面所討論的在加工系統(tǒng)中可以是一個旋轉(zhuǎn)刀具的周期。)應(yīng)該明白μ是一個非頻變振幅，A(s)是頻率相關(guān)振幅，s是拉普拉斯變換的頻率變量。從加工操作的角度來看，μ可以是連續(xù)切削之間的部分重疊(0≤μ≤1)。
如圖4所示，單元4.1和單元4.2包括在返回一部分結(jié)構(gòu)噪聲響應(yīng)到求和點4.3的各個反饋回路中。這兩個回路導(dǎo)致對干擾n的回波狀響應(yīng)。然而，根據(jù)這個術(shù)語的意思，由單元4.1代表的共振反饋不是正反饋。另一方面，如果一部分具有實數(shù)值的系統(tǒng)響應(yīng)和固定幅值以純時延(周期地或準(zhǔn)周期地)方式加到干擾噪聲上，則由單元4.2代表的固定時間延遲反饋是正反饋。
由單元4.1代表的共振反饋經(jīng)過濾波機械設(shè)備A(s)e-sT(s)加到干擾噪聲上，其中A(s)是復(fù)變值函數(shù)，與頻率相關(guān)時間延遲術(shù)語T(s)有關(guān)，給出增加的穩(wěn)定共振動態(tài)特性。
另一方面，正反饋回路會產(chǎn)生不穩(wěn)定的輸出響應(yīng)d。這種情況發(fā)生在相關(guān)回路增益超過一個單位以及干擾噪聲n和位移響應(yīng)d之間的相角超過180度時。
明顯的，正反饋能夠很容易地使一個共振系統(tǒng)不穩(wěn)定，因為正反饋回路增益在共振頻率上趨向于高。由于這個原因，正反饋回路4.2與共振反饋回路4.1的同時發(fā)生會產(chǎn)生不穩(wěn)定輸出響應(yīng)d。不穩(wěn)定輸出響應(yīng)的特征是在一些明顯的時間長度上，例如在相對于共振周期很長的時間間隔上，持續(xù)增加輸出的量值。
由圖3描述的控制器配置包括帶有直接從誤差信號e分支出的參考信號x的自適應(yīng)濾波器2.1的操作，因此相對于誤差信號既沒有超前也沒有延遲。理論上講，在振動頻率的帶寬上這種配置是有效的，這個帶寬取決于在干擾信號d的自相關(guān)度，因為只有在自適應(yīng)濾波器去除了在誤差信號e中找到的自相關(guān)(或共振)分量的情況下，它才能有效地操作。
這種理論上的限制一般不適合具有超前參考信號的自適應(yīng)濾波器的常規(guī)應(yīng)用中。但是，關(guān)于這一點應(yīng)注意以圖3的結(jié)構(gòu)具有直接從誤差信號引出的參考信號的自適應(yīng)濾波器至今沒有用于在機械結(jié)構(gòu)中控制振動。這種應(yīng)用的一個障礙是為了使任何自適應(yīng)FXLMS控制器有效地工作需要超前參考信號這一不正確的假設(shè)。
相反，我們已經(jīng)說明了結(jié)構(gòu)共振響應(yīng)的控制以及正反饋效應(yīng)的控制可以采用一個同時也作為濾波器的參考輸入的單個誤差檢測位置來得到。這樣，我們說明了采用圖3的控制結(jié)構(gòu)來解決一定的振動控制問題是可行的。
關(guān)于這一點應(yīng)注意當(dāng)時間超前參考信號實際上不能得到時圖3的控制結(jié)構(gòu)是特別有用的，例如在加工操作中誤差傳感器實際上應(yīng)該位于盡可能靠近切削刀頭。這個控制結(jié)構(gòu)對于由單一傳感器方法提供的控制共振動態(tài)特性、并且節(jié)約成本也是特別有用的。
圖3描述的控制器配置，更一般的說是自適應(yīng)控制器配置，其中一個非超前參考信號施加于自適應(yīng)濾波器，有益地用于解決圖4中表示的許多類型的振動問題。一個或多個結(jié)構(gòu)共振(單元4.1)的存在或正反饋(單元4.2)的存在這些問題在結(jié)構(gòu)共振或接近結(jié)構(gòu)共振上產(chǎn)生振動的不穩(wěn)定。
由自適應(yīng)濾波器移去的來自誤差信號(這里有一個誤差/參考傳感器)自相關(guān)分量或移去與參考信號(這里參考信號是非超前的并來自不同的傳感器)互相關(guān)的分量可以理解為移去與時間延遲反饋路徑4.1和4.2相關(guān)的那些信號分量。例如當(dāng)自適應(yīng)濾波器2.1(見圖3)很好地自適應(yīng)時，誤差信號e將近似作為無反射結(jié)構(gòu)響應(yīng)函數(shù)H(s)(圖4的單元4.4)的輸出，由噪聲源n驅(qū)動，在控制器帶寬BWcon內(nèi)利用回波路徑效應(yīng)(即，那些歸因于單元4.1和4.2)被移去或顯著的減小。
控制器帶寬可以從下列考慮來估算(i)對于一個可控系統(tǒng)的固有共振響應(yīng)，總的致動器路徑延遲TDEL應(yīng)該小于共振周期TRES的一半，即
。延遲TDEL包括來自計算機采樣延遲，如濾波器延遲的信號調(diào)節(jié)延遲，以及致動器中的延遲的成分。
(ii)對于一個可控正反饋振動，致動器路徑延遲應(yīng)該小于機器旋轉(zhuǎn)或其他驅(qū)動不穩(wěn)定性的能量的周期輸入的周期TREV。即TDEL＜TREV。
由于這些考慮，很明顯在工作中非超前參考信號在相對于一個適當(dāng)?shù)幕夭ㄖ芷?由TREV或TRES描述或在某些情況下為它們的乘積)時間上有效地超前。
這樣，振動控制器的效果可以理解為當(dāng)一個有限帶寬噪聲源驅(qū)動時消除設(shè)備的固有共振效應(yīng)?？刂破鬟€可有條件地進(jìn)一步理解為消除正反饋周期性的影響。這個條件使得自適應(yīng)濾波器的長度(即，由濾波器抽頭間隔的總的時間長度加上任何插入的環(huán)形緩沖器或代替不使用抽頭時的其他編程的延遲)足夠大以包含至少一個周期T。
我們相信我們的振動控制器在廣泛的機械結(jié)構(gòu)中對于降低振動是很有用的，這些機械結(jié)構(gòu)無限制地包括用于金屬工件的切削、研磨、銑、鉆孔的機器，光學(xué)和電磁投影系統(tǒng)，空間構(gòu)架、橋梁、其他桁架或橫梁結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)推進(jìn)發(fā)動機和宇宙飛船天線。(關(guān)于最后提到的項目，我們相信我們的振動控制器對于減少宇宙飛船天線中公知的震顫現(xiàn)象是很有用的。)對于這種應(yīng)用的一種一般方法在圖5中作了說明。每個L致動器5.1由相應(yīng)的自適應(yīng)濾波器5.2驅(qū)動。每個M誤差傳感器5.3送一個相應(yīng)的誤差信號到每個L自適應(yīng)濾波器。對于每個自適應(yīng)濾波器，M誤差傳感器中相應(yīng)的一個為那個濾波器提供參考輸入。每個自適應(yīng)濾波器的收斂步驟包括來自每個M誤差信號的一個成分值。這個成分值的大小與相關(guān)誤差傳感器和相關(guān)致動器之間的傳遞函數(shù)估計值有關(guān)。下面將作進(jìn)一步詳細(xì)的解釋。
各種類型的機械運動可以由誤差傳感器檢測，包括彎曲模式(典型地兩種正交類型分別為平行類型和切線類型)，扭轉(zhuǎn)模式、軸向模式(至少在結(jié)構(gòu)部件上在軸向方向上是可顯著壓縮的)，以及殼體模式。多個誤差傳感器的相應(yīng)一個可以在同一個位置檢測不同類型的運動、在不同位置的同一類型運動、或在不同位置的不同類型運動、或可能是這些不同類型的組合。同樣的，L致動器在同一個位置可以自適應(yīng)驅(qū)動不同類型的運動、在不同位置的同一類型運動、在不同位置不同類型的運動、或這些類型的某些組合。
在加工操作中不需要的振動的一個來源是正反饋，它發(fā)生在當(dāng)?shù)毒哌\動的上一時刻特性對下一時刻刀具運動起到增強作用時。正反饋機械設(shè)備能夠引起的這種時延，例如在金屬車削操作期間的當(dāng)前切削寬度重疊在工件的前一圈期間所作的切削的一部分上。
被稱為“震顫”(chatter)的所產(chǎn)生刀具振動限制了工件加工表面能夠獲得的光潔度質(zhì)量。
早期的“工業(yè)工程”雜志(1965年11月)上H.E.Merritt發(fā)表的“自激機床震顫的理論”對這種現(xiàn)象作了理論描述。在這部著作里Merritt引入了基于工件的一圈旋轉(zhuǎn)到下一圈所切削寬度的部分重疊的正反饋系數(shù)μM。
Merritt模型在圖6中作了圖示說明。如圖所示，基本的反饋路徑10使工具位移yd(s)與瞬時切削深度u(s)相關(guān)聯(lián)。(從拉普拉斯變換技術(shù)可以很好地理解變量s是公知的頻率變量。)正反饋路徑20的特征是具有系數(shù)μM和代表一個旋轉(zhuǎn)周期T的一個延遲的延遲因子e-sT。在圖中指明的變量Fc(s)代表了頻域切削力，它與所用切削剛度Kc的瞬時切削深度有關(guān)。工具運動是對這些作用力的響應(yīng)。切削路徑動態(tài)特性G(s)與對作用的切削力的工具響應(yīng)有關(guān)。這些動態(tài)特性典型地將代表在加工相對堅硬或厚壁工件期間工具的動態(tài)特性性質(zhì)。
我們發(fā)現(xiàn)至少有兩種由正反饋驅(qū)動的震顫。我們分別將這兩種震顫稱為“寬帶正反饋震顫”和“窄帶正反饋震顫”。明顯的，這兩種震顫表現(xiàn)出在一個旋轉(zhuǎn)周期的倍數(shù)的時間延遲上的基本上自相關(guān)。在這個意義上，它們對于機械干擾都是回波狀響應(yīng)。正反饋震顫的一些理解可以從例如加工旋轉(zhuǎn)工件時工具位移的功率譜得到。在這些頻譜中，寬帶和窄帶震顫都以有規(guī)律地以與旋轉(zhuǎn)頻率相等增量的間隔的譜線表現(xiàn)出精細(xì)的結(jié)構(gòu)。
窄帶震顫一般在相對硬的材料如鎳合金和鈦以較低的旋轉(zhuǎn)速度加工時觀察得到。相反，寬帶震顫一般在相對軟的金屬如鋁和鋼以相對高的旋轉(zhuǎn)速度加工時觀察得到。但是，在適合窄帶震顫的硬度和速度范圍與適合寬帶震顫的硬度和速度范圍之間不存在明顯的區(qū)別。
從上述提到的功率譜中寬帶和窄帶震顫的區(qū)別是很明顯的。寬帶震顫的頻譜將表現(xiàn)出一個主峰中心一般位于鉆桿固有頻率以上10％-30％的頻率上。在圖7中這個峰值明顯的在與一次諧波附近的峰值在一起的318.5Hz的基波頻率上。(由上面的討論將可以理解這些峰值的每一個是多個譜線的合成。)相反，窄帶震顫的頻譜典型地表現(xiàn)較窄峰值中心在工具或工件的一個或多個共振頻率上。圖8提供了這種頻譜。
Merritt模型在解釋用于寬帶正反饋震顫的機械設(shè)備響應(yīng)中取得了一些成功。然而，迄今沒有任何有源振動控制技術(shù)的應(yīng)用能夠有效地減少寬帶或窄帶震顫，以提供先進(jìn)的加工操作中用戶所要求的表面光潔度的質(zhì)量。
我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)切削相對硬的金屬時(在導(dǎo)致窄帶震顫的條件下)，在干擾路徑上的正反饋環(huán)路20(見圖6)在結(jié)構(gòu)共振中的一個上(在任何給定的時間)趨向于產(chǎn)生設(shè)備的不穩(wěn)定性。我們已經(jīng)知道圖3的技術(shù)(示范性地采用誤差信號作為一個非超前參考信號)對于降低正反饋效應(yīng)的同時也降低結(jié)構(gòu)共振能量是有效的。這些由圖9中的理想功率譜的各種特性進(jìn)行了描述，其中共振峰被細(xì)分為可規(guī)因為切削噪聲的固有共振響應(yīng)的一個部分600，和可規(guī)因為正反饋的一個部分610。在圖中控制的帶寬表示為范圍620，機械結(jié)構(gòu)控制的響應(yīng)表示為曲線部分630和幅度640。
我們還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)當(dāng)較軟的金屬被以相對高的旋轉(zhuǎn)速度(在導(dǎo)致寬帶震顫的條件下)切削時，環(huán)路20(見圖1)在設(shè)備上在大于自由桿共振頻率的一個頻率集上產(chǎn)生不穩(wěn)定性。在這種情況下，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)僅當(dāng)自適應(yīng)濾波器是足夠長以跨越至少一個工件的旋轉(zhuǎn)周期時圖3的技術(shù)將抵消正反饋環(huán)路。
由圖10中的功率譜的各種特性進(jìn)行的描述中，其中曲線700表示理想的自由桿的沖擊響應(yīng)，曲線部分710表示一個不穩(wěn)定的切削操作，曲線部分720表示一個相應(yīng)的控制的切削操作。范圍730表示控制的帶寬。
我們的技術(shù)與Rouch專利的技術(shù)不同，尤其是我們不采用現(xiàn)代控制理論來產(chǎn)生一個致動器控制信號。替代上述的，我們使用一個自適應(yīng)橫向濾波器來自動更新表征施加到致動器的校正信號特性的系數(shù)。我們相信自己的技術(shù)對于抑制許多類型的機械系統(tǒng)中機械干擾的回波狀響應(yīng)是有效的。從加工操作的特定角度來說，我們的發(fā)明對于抑制寬帶和窄帶正反饋震顫都是有效的。
借助于公知的計算方法如FXLMS算法，自適應(yīng)濾波器工作在一個合適的參考信號上以產(chǎn)生校正信號。每個系數(shù)表示一個校正信號分量的部分成分值或加權(quán)值，該校正信號由相應(yīng)的增量參考信號的延遲來產(chǎn)生。(這些增量一般被設(shè)計或編程到濾波器。類似于模擬延遲線，每個增量常常被認(rèn)為與相應(yīng)的濾波器“抽頭”有關(guān))。以這種方式加權(quán)值被周期性的更新以促使一個誤差信號的幅度降低。
我們發(fā)明的一個顯著的特性是自適應(yīng)濾波器接收一個非超前參考信號。事實上，在某些實施例中參考信號和誤差信號都基本上對應(yīng)于刀具運動的相同的時變描述信息，并且事實上能夠由相同工具運動傳感器提供。這個描述信息典型地或者是刀具的位移函數(shù)或者是刀具的加速度函數(shù)。(加速度函數(shù)是位移函數(shù)的二次導(dǎo)數(shù)。)使用相同傳感器提供誤差和參考信號的本發(fā)明實施例對于抑制寬帶震顫是特別有用的。在這種應(yīng)用中，在由正反饋引起的當(dāng)前刀具偏轉(zhuǎn)和以后一個旋轉(zhuǎn)周期發(fā)生的那些偏轉(zhuǎn)之間的相關(guān)性是公知的。濾波器分支的相應(yīng)的延遲最緊密地匹配工件的旋轉(zhuǎn)周期，濾波器的分支典型地將對校正信號得出基本上的成分值。(分支為接近于旋轉(zhuǎn)周期的幾分之一，即接近于旋轉(zhuǎn)頻率的幾倍，也將顯著的組成校正信號，盡管它們的成分值一般是較小的。)事實上，至少在一些情況下濾波器系數(shù)的收斂(即在自適應(yīng)期間)能夠通過調(diào)整可選的延遲線為延遲一個旋轉(zhuǎn)周期的參考信號以增加濾波器來改善(這樣，實際上將一個旋轉(zhuǎn)周期加到每個濾波器分支上)。
我們現(xiàn)在描述用于在固定的刀具切削一個旋轉(zhuǎn)金屬工件的加工操作中抑制震顫的目的的本發(fā)明的一個有益的實施例。應(yīng)該注意到這種描述是說明式的并且沒有限制。事實上，我們相信我們的發(fā)明可以有益地應(yīng)用于其他類型加工操作中抑制振動，包括那些工件是固定的而刀具是旋轉(zhuǎn)的，如各種銑、鉆孔、研磨操作。更一般的，我們相信我們的發(fā)明有益地應(yīng)用于抑制在如以前提到的許多類型的機械系統(tǒng)中機械干擾的回波狀響應(yīng)。
如圖11所描述的，一個典型的金屬車削安裝包括在一端35安裝的鉆桿30。安裝在鉆桿另一端的是切削頭40。用于鉆桿的支撐座45安裝在可移動刀架50上。通過刀架的移動，切削頭被引入與工件55接觸。設(shè)備(未示出)提供用于在一個旋轉(zhuǎn)周期T秒和旋轉(zhuǎn)速度F Hz旋轉(zhuǎn)工件，其中F＝1/T。
如圖所示的機電致動器60用根據(jù)從信號處理器65發(fā)出并由放大器70放大的校正信號來移動切削頭。至少需要一個傳感器用于檢測刀具或鉆桿的運動。
在圖中展示了兩個說明的傳感器。一個是法向加速度表75，它在接近刀具點處在工件表面的法線方向(在切削工具應(yīng)用的點)檢測鉆桿的加速度。另一個是切向加速度表80，它在工件表面的切線方向(與鉆桿的長軸垂直)檢測鉆桿的加速度。加速度信號容易地直接用作刀具運動的描述信息。另一方面，一個相關(guān)的信號如速度或位移信號也可用作描述信息。因為位移信號直接與得到的表面光潔度有關(guān)，當(dāng)前我們最好使用與切削頭位移成比例的位移信號X(t)。
如果運動傳感器是一個加速度表，則需要對加速度表的輸出進(jìn)行兩次積分以提供一個位移信號X(t)。如下面更詳細(xì)描述的，這個操作有益地由信號處理器65完成。
應(yīng)理解切削頭和鉆桿的各種其他的機械運動應(yīng)用這里描述的方法可能是有意義的。這些其他的運動可能包括例如在與工件表面法線和切線方向鉆桿的扭轉(zhuǎn)和鉆桿的彎曲。另外，測量從刀具的位置移動的鉆桿上位置的任何這些運動是有益的。還應(yīng)理解雖然當(dāng)前最好使用加速度表，但其他類型的運動傳感器也是可以使用的，關(guān)于這一點它們的使用對于熟練的技術(shù)人員是很容易明白的。這樣的其他傳感器可能包括，例如光學(xué)傳感器和壓電應(yīng)變計。
明顯的，我們發(fā)現(xiàn)法向位移信號一般對于控制寬帶震顫更有效，而切向的位移信號一般對于控制窄帶震顫更有效。
如所說，至少一個傳感器的輸出作為輸入提供給信號處理器。轉(zhuǎn)速計90也被有益的提供，并且它的輸出信號也有益的提供給信號處理器。轉(zhuǎn)速計的目的是提供旋轉(zhuǎn)速度F的當(dāng)前讀數(shù)。
致動器60示范了一個電動振蕩器。(在這樣一個設(shè)備中，通過磁繞組的電流正比于傳遞給線圈和連接到線圈的活塞的力。這個活塞有時被稱為“機關(guān)炮”)。關(guān)于這一點還知道其他類型的致動器是可以使用的，它們的使用對于熟練的技術(shù)人員是很容易明白的。其他這樣的致動器包括，例如用作為作用力驅(qū)動器的壓電堆用于慣性致動器，或者用于通過鉆桿的基座指向致動器作用力的聯(lián)接的夾具。
明顯的，我們發(fā)現(xiàn)為了控制寬帶震顫，一般最有效的是配置一個致動器以產(chǎn)生對于工件表面的法向刀具位移。另一方面，為了控制窄帶震顫，我們發(fā)現(xiàn)刀具的切向位移一般更有效。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖12，提供校正信號Fa(s)的簡單方法是反饋工具位移信號。為了校正寬帶震顫(但是一般不用于校正窄帶震顫)，這個信號在作用一個近似等于旋轉(zhuǎn)周期T的延遲Δ后反饋。這個延遲在信號處理部件100中產(chǎn)生，它可以是模擬延遲線，但更好的是一個數(shù)字信號處理器，在它的輸入端有一個模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換，在它的輸出端有一個數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換。
校正信號(如果合適的話在被延遲后)在倒相放大器110被放大并施加于致動器(如圖中的方框120的模型)以產(chǎn)生一個校正位移Ya(S)。在切削頭這個校正的位移與切削系統(tǒng)中其他固有的位移相加以產(chǎn)生總的位移Yc(S)。一個如圖11中加速度表75或80的傳感器(如果需要，加上合適的信號積分器)提供與所關(guān)心的切削頭位移成比例的位移信號X(t)。
延遲Δ和放大器增益K是可調(diào)的(手動或自動)以使刀具所觀測的震顫最小。如所述，為了這個目的Δ的最佳值等于旋轉(zhuǎn)周期T。
盡管圖12的校正系統(tǒng)能使噪聲顯著的降低，利用現(xiàn)在推薦的圖13的系統(tǒng)還可得到進(jìn)一步的改善。在這個系統(tǒng)中，加速度信號
(即位移信號的二次導(dǎo)數(shù))，(在單元200A/D變換之后)，被饋送到數(shù)字自適應(yīng)濾波器205作為誤差信號210和參考信號215。
如上所述的，參考信號215在輸入到自適應(yīng)濾波器之前可選擇地經(jīng)過一個時間延遲Δ。這個延遲示范性的由環(huán)形緩沖器220提供。由轉(zhuǎn)速計在如單元225所示A/D變換后(如果需要)將旋轉(zhuǎn)周期T的更新的估計值提供給環(huán)形緩沖器。(如所述，時間延遲部件220一般不用于窄帶震顫的校正系統(tǒng)中)。
如上討論的，自適應(yīng)濾波器205產(chǎn)生一個校正信號230，在如單元235所示的D/A變換后施加到致動器。在圖中單元240用符號“Y”表示的“設(shè)備”是說明了刀具的實際運動與電輸入到致動器關(guān)系的傳遞函數(shù)。如單元245所示，設(shè)備Y的數(shù)學(xué)模型的設(shè)備估計值
被有益地作為一個校正系統(tǒng)的分量提供。參考信號在單元245被濾波以產(chǎn)生濾波的參考信號250。如單元255所表示的，為了更新自適應(yīng)濾波器的加權(quán)值，信號250和誤差信號210被作為輸入提供。根據(jù)下面將描述的算法更新加權(quán)值。
如圖所示，自適應(yīng)濾波器205、加權(quán)值更新單元255、設(shè)備估計值245、可選環(huán)形緩沖器220、A/D變換器200和225、以及D/A變換器235包括在功能元件260中，這里將功能元件260稱為“數(shù)字控制器”。盡管這些各種單獨的或局部組合的功能可由分開的部件提供，但現(xiàn)在最好將這些功能由一個或多個數(shù)字信號處理器完成。這樣一個或一組處理器由數(shù)字控制器260標(biāo)識。
如在信號采樣領(lǐng)域公知的，有益地包括了去假頻濾波器265和270以去除分別從誤差信號和轉(zhuǎn)速計信號的采樣處理的生成物。有益地包括了再現(xiàn)濾波器275以平滑校正信號230和去除在數(shù)字處理階段引入的數(shù)字生成物。
我們現(xiàn)在推薦使用公知的濾波的X最小均方值(FXLMS)算法用于更新自適應(yīng)濾波器的加權(quán)系數(shù)。這種算法在例如Prentice-Hall(1985年)在B.Widrow和S.D.Stearns的“自適應(yīng)信號處理”中作了描述。此外還可使用更大計算密度的算法，例如提供較快收斂到最佳加權(quán)向量。然而，這種算法對于數(shù)字處理器的計算能力將提出更高的要求?？紤]到這一點很顯然操作自適應(yīng)濾波器所要求的計算數(shù)量隨著濾波器分支數(shù)的平方而增加。
根據(jù)FXLMS算法，控制加權(quán)系數(shù)更新的公式為WK+1(i)=αWk(i)+2μfilteKxK(i);]]>其中，Wk+1(i)是自適應(yīng)濾波器的更新加權(quán)向量，Wk(i)是前一采樣周期的加權(quán)向量，μfilt是自適應(yīng)濾波器的收斂步長，eK是當(dāng)前采樣周期誤差，xK(l)是在通過設(shè)備估計245的濾波后的參考信號向量。符號α代表具有小于等于1的正值的通常所說的耗散因子。在我們試驗中所使用的α的典型值是0.9。
更具體的，向量Xk(i)依照下列公式與誤差ek和設(shè)備估計值Y相關(guān)xK(l)=eK*Y^;xK(i)=xK-1(i-1).]]>*符號代表了卷積運算。一般的與
卷積的信號是來自不同參考傳感器的參考信號。代之以，這里我們表明
與來自誤差傳感器的信號ek卷積。
系數(shù)(i)從1到N，其中N是自適應(yīng)濾波器分支數(shù)。N的一個范例數(shù)是1024。我們發(fā)現(xiàn)這個值在寬帶震顫起主要作用的應(yīng)用中對于控制正反饋在自適應(yīng)濾波器操作中獲得寬帶頻率抑制是有效的。
更一般的是，N應(yīng)該足夠大到至少包含工件的一個旋轉(zhuǎn)周期，最好包含兩個或多個旋轉(zhuǎn)周期。
在多個濾波器和多個致動器的情況下，上述公式一般如下所示[Wk+1(i)]λ=α[Wk(i)]λ+2(μfilt)λΣj=1M(ek)j(xk(i))λj;]]>(xk(l))λj=(ek)m*Y^λj;]]>這里，L是致動器數(shù)，M是傳感器數(shù)，下標(biāo)λ的范圍從1到L，下標(biāo)m的范圍從1到M。參數(shù)
是致動器λ和傳感器j之間的傳遞函數(shù)估計值。對于每個自適應(yīng)濾波器，一個誤差傳感器用作提供參考輸入。傳感器的輸出(ek)m與傳遞函數(shù)估計值卷積。
一般的，甚至在濾波器自適應(yīng)和加權(quán)系數(shù)值已經(jīng)穩(wěn)定后，一些剩余誤差還存在于工具位移信號中(或同樣的存在于加速度表信號中)。這個誤差代表了連續(xù)工件旋轉(zhuǎn)之間不相關(guān)的噪聲。它也可以被解釋為對切削不同材料的切削系統(tǒng)響應(yīng)的不相關(guān)部分。
上述描寫的校正系統(tǒng)由自適應(yīng)濾波器205周圍的線性調(diào)節(jié)器反饋回路有選擇的增加。因為這種反饋回路能夠補償鉆桿的固有動態(tài)特性，它也可以通過抑制保留在誤差信號中的線性響應(yīng)噪聲來進(jìn)一步改善表面光潔度。
應(yīng)該注意的一點是每個分開的反饋回路(即FXLMS回路和線性調(diào)節(jié)器回路)將影響其他回路的設(shè)備傳遞函數(shù)。所以，要求一次或多次迭代循環(huán)以確定各個回路的穩(wěn)定設(shè)備估計值。在示范例的這種回路中，首先讓自適應(yīng)濾波器收斂，然后確定用于線性調(diào)節(jié)器回路的設(shè)備估計值，然后確定一個新的設(shè)備估計值用于FXLMS回路。
我們使用圖14所描述的配置完成了我們控制器的實驗測試。鉆桿300被可靠的固定在夾具305上，它接著由車床馬達(dá)以恒定饋送速率驅(qū)動接近車床刀架(未示出)。環(huán)形夾具(未示出)將法向振蕩器310和切向振蕩器315固定到鉆桿上。如所示在鉆桿一端，我們加上加速度表320用于測量切向桿的運動，和加速度表325用于測量法向桿的運動。在這種情況下，法線方向是旋轉(zhuǎn)工件327表面在切削頭330作用點的法線的方向，而切線方向是與工件表面相切并平行于在切削頭作用點工件運動的方向。從圖14可以明顯看出第三個方向，軸線方向(即平行于鉆桿的縱向軸)也可以平行于工件表面。我們沒有做任何努力來控制軸線方向上切削頭的偏移，因為任何歸因于這種偏移的震顫遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于法向震顫、或者切向震顫、或者它們兩者都有。在具有表現(xiàn)出明顯軸向壓縮的鉆桿(或其他重要的結(jié)構(gòu)部件)的結(jié)構(gòu)中，軸向控制很容易實現(xiàn)。
工件由718號鉻鎳鐵合金做成。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)切削這種或其他種鎳合金(使用對稱橫截面的鉆桿)時，窄帶震顫作為鉆桿基波頻率附近集中的切向偏移首先出現(xiàn)，并且它的諧波疊加在背景切削噪聲上。
然而，隨著震顫增加，法向偏移(也集中在桿的共振上)出現(xiàn)了。明顯的，法向的震顫更直接涉及到可得到的表面光潔度質(zhì)量。我們發(fā)現(xiàn)控制切向偏移能夠?qū)υ诜ň€方向上減少第一模式震顫產(chǎn)生效果，因而改進(jìn)了得到的表面光潔度。
我們的控制器完成了標(biāo)準(zhǔn)的、參考功率歸一化格式的FXLMS算法，每個采樣周期更新自適應(yīng)濾波器加權(quán)值一次。參考信號由誤差傳感器的輸出分出。(在這種情況下，誤差傳感器是切向加速度表。)圖15是控制器關(guān)斷和控制器接通時在加工718號鉻鎳鐵合金(洛氏硬度38)期間的法向震顫幅值的頻譜。工件以0.47Hz旋轉(zhuǎn)，切削深度是0.51mm，饋送速率是每轉(zhuǎn)0.25mm。鉆桿是外伸比率為10的鋼。切向加速度用作為誤差信號(不用積分，否則這種積分將加速度轉(zhuǎn)換為例如位移)。自適應(yīng)濾波器長度是256個分支，表示在8kHz采樣率時的總時間為32ms。明顯的在100Hz附近的基波震顫頻率是鉆桿的第一模式頻率。
圖16是相應(yīng)的切向震顫幅值的頻譜。
我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度仍然進(jìn)一步增加時，在鉆桿的高次共振模式上出現(xiàn)高次震顫。我們發(fā)現(xiàn)高次模式比基波模式更要求抑制震顫，以控制法向和切向偏移。我們發(fā)現(xiàn)使用獨立的法向和切向的控制回路是有效的，它們之間沒有交叉耦合。圖5有幫助地說明了我們使用的雙控制回路，如果例如誤差傳感器e1作為法向誤差傳感器，誤差傳感器e2作為切向誤差傳感器，e1僅僅連接到自適應(yīng)濾波器1，e2僅連接到自適應(yīng)濾波器2，致動器1是法向致動器，而致動器2是切向致動器。
我們發(fā)現(xiàn)在我們的測試中，法向控制比切向控制對于減少寬帶震顫更有效。
圖17是法向震顫幅值在切削4140鋼期間控制器接通和關(guān)斷時的頻譜。工件以5.75Hz旋轉(zhuǎn)，切削深度是1mm，饋送速率是每轉(zhuǎn)0.125mm.自適應(yīng)濾波器長度是1024個分支，表示在4kHz的采樣率時為256ms。
當(dāng)包含在鉆桿內(nèi)的慣性致動器代替振蕩器(例如安裝在如圖14所示的鉆桿的外面。)時，我們?nèi)〉昧讼嗨瀑|(zhì)量的結(jié)果。在鉆桿410內(nèi)的慣性致動器400的位置如圖18描述。
權(quán)利要求
1.用于穩(wěn)定一個機械系統(tǒng)的至少一個部件以抵消對于機械干擾的回波狀響應(yīng)的方法包括a)檢測至少在一個點的系統(tǒng)運動，因而提供至少一個誤差信號；b)提供至少一個與系統(tǒng)的一些運動直接相關(guān)的一個非超前參考信號；c)操作一個自適應(yīng)濾波器，因而產(chǎn)生響應(yīng)誤差和參考信號的校正信號；以及d)響應(yīng)校正信號驅(qū)動機械致動器，因而將一個由校正信號導(dǎo)出的一個穩(wěn)定的總合成力作用于部件。
2.權(quán)利要求1的方法，其中部件被機械地連接到旋轉(zhuǎn)機器上，并且操作自適應(yīng)濾波器的步驟導(dǎo)致一個校正信號，該信號表現(xiàn)出相關(guān)于誤差信號、在近似于機器的一個旋轉(zhuǎn)周期的一個顯著量的延遲。
3.權(quán)利要求1的方法，其中部件被機械地連接到旋轉(zhuǎn)工件上，并且操作自適應(yīng)濾波器的步驟導(dǎo)致一個校正信號，該信號表現(xiàn)出相關(guān)于誤差信號、在近似于工件的一個旋轉(zhuǎn)周期的一個顯著量的延遲。
4.權(quán)利要求1的方法，其中提供非超前參考信號的步驟包括分出一部分誤差信號。
5.權(quán)利要求1的方法，其中部件被機械地連接到一臺旋轉(zhuǎn)機器上，而且操作自適應(yīng)濾波器的步驟產(chǎn)生校正信號，該信號表現(xiàn)出相關(guān)于誤差信號、在或幾乎在機械系統(tǒng)至少一個結(jié)構(gòu)共振頻率上的一個顯著量的頻譜能量。
6.權(quán)利要求1的方法，其中檢測步驟包括在刀具切削一個旋轉(zhuǎn)金屬工件時檢測它的運動。
7.權(quán)利要求6的方法，其中檢測步驟包括在刀具與工件接觸的部位在工件的表面部分的法線方向檢測刀具的運動。
8.權(quán)利要求6的方法，其中檢測步驟包括在刀具與工件接觸的部位在工件的表面部分的切線方向檢測刀具的運動。
9.權(quán)利要求6的方法，其中執(zhí)行致動器驅(qū)動步驟使得校正的總合成力直接從致動器作用到工件上。
10.權(quán)利要求6的方法，其中執(zhí)行致動器驅(qū)動步驟使得校正的總合成力從致動器經(jīng)過結(jié)構(gòu)支撐部件傳送到刀具上。
11.權(quán)利要求10的方法，包括從致動器經(jīng)過鉆桿傳送校正總合成力到刀具上。
12.用于穩(wěn)定一個機械系統(tǒng)中一個或多個部件以抵消對于機械干擾的回波狀響應(yīng)的方法包括a)檢測至少在兩個點的系統(tǒng)運動，因而提供至少第一和第二誤差信號；b)提供至少第一和第二參考信號，每個所述信號直接相關(guān)于系統(tǒng)的一些運動，每個所述信號非超前的相關(guān)于誤差信號的相應(yīng)一個；c)操作至少第一和第二自適應(yīng)濾波器，因而產(chǎn)生至少相應(yīng)的第一和第二校正信號，每個所述校正信號對所述誤差信號的至少相應(yīng)的一個和所述參考信號的至少相應(yīng)的一個起作用；以及d)響應(yīng)所述校正信號的相應(yīng)一個以驅(qū)動至少第一和第二機械致動器的每一個，因而將至少兩個穩(wěn)定的總合成力作用到所述一個或多個部件，每個所述總合成力由所述校正信號的相應(yīng)一個得出。
13.權(quán)利要求12的方法，其中所述第一和第二致動器的每一個將一個穩(wěn)定的總合成力作用到機械系統(tǒng)的一個不同部件。
14.權(quán)利要求12的方法，其中所述第一和第二致動器的每一個將一個穩(wěn)定的總合成力作用到機械系統(tǒng)的相同部件，所述穩(wěn)定的總合成力具有正交的方向。
15.權(quán)利要求12的方法，其中提供的步驟包括從第一誤差信號抽出第一參考信號，以及從第二誤差信號抽出第二參考信號。
16.在金屬切削設(shè)備種類中用于穩(wěn)定鉆桿的方法，其中鉆桿支撐可接觸到旋轉(zhuǎn)工件的切削頭，并且其中法線方向可以定義為在切削頭接觸工件表面的點上垂直于所述表面的方向，以及切線方向可以定義為在所述接觸點上平行于工件表面的方向和工件表面的運動方向，該方法包括a)檢測鉆桿的偏移，因而提供至少一個第一誤差信號和從所述誤差信號抽出的至少一個第一參考信號；b)操作至少一個第一自適應(yīng)濾波器，因而產(chǎn)生對至少所述第一誤差信號起作用的至少一個第一校正信號。c)響應(yīng)所述第一校正信號驅(qū)動至少一個第一機械致動器，因而將從所述校正信號得出的穩(wěn)定的總合成力作用到所述鉆桿。
17.權(quán)利要求16的方法，其中檢測步驟包括檢測鉆桿的法向偏移，因而提供第一誤差信號，和檢測鉆桿的切向偏移，因而提供一個第二誤差信號。
18.權(quán)利要求17的方法，其中操作步驟包括操作第一自適應(yīng)濾波器，因而產(chǎn)生對至少第一誤差信號起作用的第一校正信號，以及操作第二自適應(yīng)濾波器，因而產(chǎn)生對至少第二誤差信號起作用的第二校正信號；以及驅(qū)動步驟包括響應(yīng)第一校正信號驅(qū)動第一致動器，因而將法向總合成力作用到鉆桿，以及響應(yīng)第二校正信號驅(qū)動第二致動器，因而將切向總合成力作用到鉆桿。
19.權(quán)利要求18的方法，其中操作第一自適應(yīng)濾波器使得第一校正信號對第一而不是第二誤差信號起作用，并且第二校正信號對第二而不是第一誤差信號起作用。
20.用于穩(wěn)定一個機械系統(tǒng)中的至少一個部件以抵消對于機械干擾的回波狀響應(yīng)的設(shè)備包括a)用于提供指示在誤差檢測位置的系統(tǒng)運動的誤差信號的至少一個誤差傳感器；b)提供與系統(tǒng)的一些運動直接相關(guān)的至少一個非超前參考信號的裝置；c)至少一個自適應(yīng)濾波器與所述誤差傳感器和所述參考信號提供裝置有接收關(guān)系；以及d)至少一個機械致動器，與所述自適應(yīng)濾波器有接收關(guān)系，用于將從來自所述自適應(yīng)濾波器的由所述致動器接收的一個校正信號中導(dǎo)出的穩(wěn)定的總合成力作用到部件上。
21.權(quán)利要求20的設(shè)備，其中參考信號提供裝置包括來自誤差傳感器的一個抽頭。
22.權(quán)利要求21的設(shè)備，其中機械系統(tǒng)包括具有一個旋轉(zhuǎn)周期的一個旋轉(zhuǎn)機器，以及參考信號提供裝置還包括用于延遲在近似于一個所述周期從誤差傳感器抽出的信號的一個延遲部件。
23.權(quán)利要求21的設(shè)備，其中部件被機械地連接到具有一個旋轉(zhuǎn)周期的一個旋轉(zhuǎn)工件，以及參考信號提供裝置還包括用于延遲在近似于一個所述周期從誤差傳感器抽出的信號的一個延遲部件。
24.權(quán)利要求20的設(shè)備，其中參考信號提供裝置包括一個用于提供在系統(tǒng)中傳播的機械信號的指示的參考傳感器，所述參考傳感器的位置使得在誤差傳感器響應(yīng)所述信號后它響應(yīng)所述機械信號。
25.用于穩(wěn)定一個機械系統(tǒng)中一個或多個部件以抵消對于機械干擾的回波狀響應(yīng)的設(shè)備包括a)用于提供在各個誤差檢測位置的系統(tǒng)運動指示的誤差信號的至少兩個誤差傳感器；b)提供與系統(tǒng)的一些運動直接相關(guān)的至少兩個參考信號的裝置，每個所述參考信號非超前地與所述誤差信號中至少相應(yīng)的一個有關(guān)；c)至少兩個自適應(yīng)濾波器，每個與所述誤差傳感器的至少相應(yīng)一個和所述參考信號提供裝置的至少相應(yīng)一個有接收關(guān)系；以及d)至少兩個機械致動器，每個與所述自適應(yīng)濾波器的相應(yīng)一個有接收關(guān)系，每個所述致動器配置將一個從校正信號得出的穩(wěn)定的總合成力作用于系統(tǒng)的一個部件，該校正信號由所述致動器從它相應(yīng)的自適應(yīng)濾波器接收。
26.權(quán)利要求25的設(shè)備，其中每個致動器配置成將穩(wěn)定的總合成力作用到一個不同的部件。
27.權(quán)利要求25的設(shè)備，包括至少第一和第二致動器，并且配置所述第一和第二致動器以將相互正交的穩(wěn)定總合成力作用到相同部件。
28.權(quán)利要求25的設(shè)備，包括至少第一和第二自適應(yīng)濾波器，其中所述第一致動器與所述第一自適應(yīng)濾波器有接收關(guān)系。所述第二致動器與所述第二自適應(yīng)濾波器有接收關(guān)系。所述第一自適應(yīng)濾波器與所述第一誤差傳感器而不是所述第二誤差傳感器有接收關(guān)系，以及所述第二自適應(yīng)濾波器與所述第二誤差傳感器而不是所述第一誤差傳感器有接收關(guān)系。
29.權(quán)利要求25的設(shè)備，其中每個所述參考信號提供裝置包括來自所述誤差傳感器相應(yīng)一個的一個抽頭。
30.用于削減成形旋轉(zhuǎn)工件的設(shè)備包括a)用于支撐切削頭并保持所述切削頭貼著工件的鉆桿；b)至少一個誤差傳感器用于檢測鉆桿的運動；c)與誤差傳感器有接收關(guān)系的設(shè)備，用于提供參考信號；d)至少一個自適應(yīng)傳感器，與所述誤差傳感器和所述參考信號提供裝置有接收關(guān)系；以及e)至少一個機械致動器，與所述自適應(yīng)濾波器有接收關(guān)系，用于將一個從校正信號得出的穩(wěn)定的總合成力作用于鉆桿，該校正信號由所述致動器從所述自適應(yīng)濾波器接收。
31.權(quán)利要求30的設(shè)備，其中參考信號提供裝置包括用于從誤差傳感器抽取信號的一個抽頭，緊接著在近似于工件一個旋轉(zhuǎn)周期上用于延遲抽取信號的一個延遲部件。
32.將切削頭作用到所述工件的表面用于削減成形一個旋轉(zhuǎn)工件的設(shè)備，其中法線方向可以定義為在切削頭接觸工件表面的點上垂直于所述表面的方向，而切線方向可以定義為在所述接觸點上平行于工件表面的方向和所述表面的運動方向的方向，該設(shè)備包括a)用于支撐切削頭并保持所述切削頭貼著工件的鉆桿；b)至少一個第一誤差傳感器用于檢測鉆桿的法線方向運動和一個第二誤差傳感器用于檢測鉆桿的切線方向運動；c)至少第一和第二設(shè)備，分別與第一和第二誤差傳感器有接收關(guān)系，用于提供相應(yīng)第一和第二參考信號；d)至少一個第一自適應(yīng)濾波器，與所述第一誤差傳感器和所述第一參考信號提供裝置有接收關(guān)系，以及一個第二自適應(yīng)濾波器，與所述第二誤差傳感器和所述第二參考信號提供裝置有接收關(guān)系；以及e)一個第一機械致動器與所述第一自適應(yīng)濾波器，使之適應(yīng)將一個從校正信號得出的法線方向的穩(wěn)定總合成力作用于鉆桿，該校正信號由所述第一致動器從所述第一自適應(yīng)濾波器接收；以及f)一個第二機械致動器與所述第二自適應(yīng)濾波器有接收關(guān)系，使之適應(yīng)將一個從校正信號得出的切線方向的穩(wěn)定總合成力作用于鉆桿，該校正信號由所述第二致動器從所述第二自適應(yīng)濾波器接收。
全文摘要
用于穩(wěn)定一個機械系統(tǒng)中至少一個部件以抵消對于機械干擾的回波狀響應(yīng)所提供的設(shè)備和方法。通過檢測系統(tǒng)在一個或多個點的運動來提供一個或多個誤差信號。至少一個自適應(yīng)濾波器的操作是響應(yīng)誤差信號或響應(yīng)直接相關(guān)于系統(tǒng)的一些運動的至少一個非超前參考信號的信號。自適應(yīng)濾波器產(chǎn)生用于驅(qū)動機械致動器的校正信號,因而將一個穩(wěn)定的總合成力作用于部件。
文檔編號G05B19/02GK1173653SQ9710979
公開日1998年2月18日 申請日期1997年4月28日 優(yōu)先權(quán)日1996年4月30日
發(fā)明者羅格爾·戴維·貝寧, 道格拉斯·羅伊·布朗寧, 小喬治·古斯塔夫·齊波非爾 申請人:朗迅科技公司