Integrated Passive and Active Vibration Control of Ultra precision Lathe

0　ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＩｎｕｌｔｒａｐｒｅｃｉｓｉｏｎｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ ,ｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｋｅｙｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｍ ａｃｈｉｎｉｎｇｑｕａｌｉｔｙ,ｔｈｅｒｅｆｏｒ,ｍａｎｙｓｃｈｏｌａｒｓａｒｅｍａｎ ａｇｉｎｇｔｏｄｅｃｒｅａｓｅｏｒｅｌｉｍｉｎａｔｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｖｉｂ ｒａｔｉｏｎ.Ｂｅｓｉｄｅｓｅｎｈａｎｃｉｎｇｍａｃｈｉｎｉｎｇａｃｃｕｒａｃｙｏｆｅ ｖｅｒｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔａｎｄｒｅｄｕｃｉｎｇｅｆｆｅｃｔｓｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎ ｔｓｕｃｈａｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｈａｎｇｅ,ａｄｏｐｔｉｎｇｐａｓｓｉｖｅｖｉｂ ｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｒａｃｔｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｃａｎｄｅｃ ｒｅａｓｅｍａｃｈｉｎｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｇｒｅａｔｌｙ.Ｔｈｅｐａｓｓｉｖｅｖｉｂｒ ａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｈａｓｂｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｗｉｄｅｌｙｄｕｅｔｏｉｔｓｃｈａ ｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉ ｌｉｔｙ,ｂｕｔｉｔｈａｓｍｏｒｅｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｓｕｃｈａｓｐａｒａｍｅｔ ｅｒｓｕｎｃｈａｎｇｉｎｇａｆｔｅｒｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂｅｉｎｇｄｅ ｔｅｒｍｉｎｅｄａｎｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｓｏｌａｔｉｏｎｔｏｌｏｗａｎｄｕｌｔｒａｌ ｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｖｉｂｒａｔｉｏｎ.Ｉｔｉｓｆｏｒｔｕｎａｔｅｔｈａｔｔｈｅａｃ ｔｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｃａｎｍａｋｅｒｅｐａｒａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅ ｓｅｄｅｆｉｃｉｅｎｃｉｅｓｊｕｓｔｒｉｇｈｔｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｈｉｇｈｍｏｂｉ ｌｉｔｙａｎｄｇｏｏｄａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙｔｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ.Ｉｎ1993 ,ＮｅｕｂｅｒｔｂｒｏｕｇｈｔｆｏｒｗａｒｄｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＰ ａｓｓｉｖｅａｎｄＡｃｔｉｖｅＶｉｂｒａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇａ ｃｔｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｐａｓｓｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｎ ｔｒｏｌ.ＩｎＨＣＭＩＵｌｔｒａｐｒｅｃｉｓｉｏｎＬａｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎＰｒ ｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＨａｒｂｉｎ ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ,ａｃｔｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏ ｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓａｄｏｐｔｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｐａｓｓｉｖｅｖｉｂｒａ ｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ,ｆｏｒｍｉｎｇｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｐａｓｓｉｖｅａｎｄａｃｔｉ ｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ,ｔｈｕｓｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｍａｃｈｉｎ ｅｗａｓｄｅｃｒｅａｓｅｄａｐｐａｒｅｎｔｌｙ.1　ＶｉｂｒａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｏ ｆＣｏｍｐｌｅｔｅＭａｃｈｉｎｅＴｏｍｉｎｉｍｉｚｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｖｉｂ ｒａｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇｆｒｏｍｅａｒｔｈ,ｓｅｐａｒａｔｅｃｏｎｃｒｅｔ ｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｉｓａｄｏｐｔｅｄｉｎＨＣＭＩＵｌｔｒａｐｒｅｃｉｓｉｏｎＬａｔ ｈｅ,ａｓｓｈｏｗｎｉｎＦｉｇ.1.Ｃｏｎｃｒｅｔｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｉｓｐｌａｃｅ ｄｉｎｉｓｏｌａｔｉｏｎｔｒｅｎｃｈｉｎｗｈｉｃｈｄａｍｐｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓｓｕ ｃｈａｓｈａｎｄｓｔｏｎｅｓａｎｄｓａｎｄａｒｅａｄｄｅｄ.Ａｓａｒｅｓｕｌｔ,ａｍａ ｊｏｒｉｔｙｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎ(ａｂｏｕｔ70%)ｉｓｅｌｉｍｉｎａｔｅｄ.Ｔｈｅ ｆｏｕｒａｉｒｓｐｒｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｃａｎｆｕｒｔｈｅｒｉｓｏ ｌａｔｅｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｏｆｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ.Ｎｏｗｃｏｎｓｉｄｅｒｔｈｅ ｉｓｏｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆｍａｃｈｉｎｅｆｒｏｍｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｍ ｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｐａｓｓｉｖｅａｎｄａｃｔｉｖｅｖ ｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｉｓｓｈｏｗｎｉｎＦｉｇ.2.ＩｎＦｉｇ.2,ｘ0(ｔ) ｉｓｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ;ｍｉｓｍａｓｓｏｆｍａｃｈｉｎｅ ;ｋｉｓｓｔｉｆｆｎｅｓｓｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆａｉｒｓｐｒｉｎｇ;ｃｉｓｄａｍｐ ｉｎｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆａｉｒｓｐｒｉｎｇ;ｆｃ(ｔ)ｉｓａｃｔｉｖｅｃｏｎｔ ｒｏｌｆｏｒｃｅ.Ｉｆｏｎｌｙｐａｓｓｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｉｓａｄｏ ｐｔｅｄ,ｔｈｅｍｏｔｉｏｎｏｆｍａｓｓｍｉｓｍ¨ｘ+ｃ(ｘ-ｘ0)+ｋ(ｘ-ｘ0)= 0(1)ａｎｄｔｈｅｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎ,ｒｅｌａｔｉｎｇｄｉｓｐｌａｃｅ ｍｅｎｔｏｆｍａｓｓｍｔｏｔｈａｔｏｆｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｉｓＨｐ(ｓ)=Ｘ(ｓ)Ｘ0 (ｓ)=ｃｓ+ｋｍｓ2+ｃｓ+ｋ(2)Ｂｅｃａｕｓｅｕｓｉｎｇｌａｒｇｅｍａｓｓｌａｔ ｈｅｂｅｄａｎｄｌｏｗｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｉｒｓｐｒｉｎｇ,ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｎａｔｕ ｒｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃａｎｂｅｌｏｗｔｏｓｅｖｅｒａｌｈｅｒｔｚ.Ｆｉｇ.1　ＨＣＭ ＩＵｌｔｒａｐｒｅｃｉｓｉｏｎＬａｔｈｅａｎｔｉｖｉｂｒａｔｉｏｎｓｃｈｅｍａｔｉｃｄ ｉａｇｒａｍ1.ｄａｍｐｉｎｇｍａｔｅｒｉａｌｓ;2.ｅａｒｔｈ;3.ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ;4.ａｉｒｓｐｒｉｎｇ;5.ｍａｃｈｉｎｅＦｉｇ.2　Ｐｈｙｓｉ ｃａｌｓｙｔｅｍｏｆｆｅｅｄｂａｃｋｃｏｎｔｒｏｌＩｆａｃｔｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃ ｏｎｔｒｏｌｉｓａｄｏｐｔｅｄｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｐａ ｓｓｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ,ｆｏｒｍｉｎｇｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｐａｓｓ ｉｖｅａｎｄａｃｔｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ,ｔｈｅｍｏｔｉｏｎｏｆｍａｓ ｓｍｉｓｍ¨ｘ+ｃ(ｘ-ｘ0)+ｋ(ｘ-ｘ0)=ｆｃ(3)Ｕｓｉｎｇｄｉｓｐｌａｃｅｍ ｅｎｔ,ｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｏｆｍａｓｓｍａｓｆｅｅｄｂａｃ ｋｖａｒｉａｂｌｅｓ,ｔｈｅａｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｆｏｒｃｅｉｓｆｃ=(ｋａ¨ｘ+ ｋｖ(ｘ+ｋｄｘ)(4)Ｓｏｔｈｅｍｏｔｉｏｎｏｆｍａｓｓａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎ ｔｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎａｒｅｇｉｖｅｎｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙｂｙ(ｍ+ｋ ａ)¨ｘ+(ｃ+ｋｖ)(ｘ+(ｋ+ｋｄ)-(ｃｘ0+ｋｘ0)=0(5)Ｈｌ(ｓ)=Ｘ( ｓ)Ｘ0(ｓ)=ｃｓ+ｋ(ｍ+ｋａ)2+(ｃ+ｋｖ)ｓ+ｋ+ｋｓ(6)Ｔｈｅｆｒｅｑｕ ｅｎｃｙｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｓｙｓｔｅｍｆｏｒζ=0.05ａｄｏｐｔｉｎｇｄｉｓｐｌａ ｃｅｍｅｎｔｆｅｅｄｂａｃｋ,ｖｅｌｏｃｉｔｙｆｅｅｄｂａｃｋａｎｄａｃｃｅｌｅｒａｔ ｉｏｎｆｅｅｄｂａｃｋａｒｅｐｌｏｔｔｅｄｉｎＦｉｇ.3ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ.Ｉｔ ｃａｎｂｅｓｅｅｎｆｒｏｍｔｈｅｆｉｇｕｒｅｔｈａｔｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｄｉｓｐ ｌａｃｅｍｅｎｔｆｅｅｄｂａｃｋｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｓｙｓｔｅｍｎａｔｕｒａｌｆｒ ｅｑｕｅｎｃｙ,ａｓｉｔｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｎｃｒｅｓａｓｅｓｔｈｅｓｔｉｆｆｎｅ ｓｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ,ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎａｎｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｌｏｗｆｒｅ ｑｕｅｎｃｙｉｓｏｌａｔｉｏｎｂｕｔａｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉ ｓｏｌａｔｉｏｎ;ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｆｅｅｄｂａｃｋｅｆｆｅｃ ｔｉｖｅｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｓｙｓｔｅｍｄａｍｐｉｎｇ,ｔｈｕｓ,ｉｎｃｒｅａ ｓｉｎｇｔｈｅｉｓｏｌａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｉｎｔｈｅｒｅｇｉｏｎｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅ ｍｒｅｓｏｎａｎｃｅｗｉｔｈｌｉｔｔｌｅｅｆｆｅｃｔａｔｌｏｗａｎｄａｔｈｉｇｈｆｒｅ ｑｕｅｎｃｉｅｓ;ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｆｅｅｄｂａｃｋｉ ｓｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｔｏａｄｄｉｎｇｍａｓｓｔｏｔｈｅｓｙｓｔｅｍ,ｒｅｓｕｌｔｉｎ ｇｉｎａｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｃｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｏｌｏｗｅｒｆ ｒｅｑｕｅｎｃｙ,ｔｈｕｓｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓｏｌａｔｉ ｏｎｂｕｔｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｌｏｗｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓｏｌａｔｉｏｎ.Ｆｉｇ.3　 Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｓｙｓｔｅｍｆｏｒζ=0.05(ａ)Ｄｉｓｐｌａ ｃｅｍｅｎｔｆｅｅｄｂａｃｋ;(ｂ)Ｖｅｌｏｃｉｔｙｆｅｅｄｂａｃｋ;(ｃ)Ａｃｃｅｌ ｅｒａｔｉｏｎｆｅｅｄｂａｃｋＩｔｉｓａｌｓｏｃａｎｂｅｓｅｅｎｆｒｏｍ(5)ａｎｄ( 6)ｔｈａｔｔｈｅｍａｓｓ,ｓｔｉｆｆｎｅｓｓａｎｄｄａｍｐｉｎｇｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅ ｍａｒｅｃｈａｎｇｅｄ.Ｉｆｔｈｅｆｅｅｄｂａｃｋｇａｉｎｓｋｄ,ｋｖａｎｄｋａａｒｅ ｃｈｏｓｅｎｒａｔｉｏｎａｌｌｙ,ｅｘｃｅｌｌｅｎｔｉｓｏｌａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｃａ ｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄ.2　ＶｉｂｒａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｏｆＳｌｉｄｅＨＣＭＩＵｌ ｔｒａｐｒｅｃｉｓｉｏｎＬａｔｈｅｉｓｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙａｅｒｏｓｔａｔｉｃｆｉｌ ｍｔｈａｔｃａｎｎｏｔｏｎｌｙｅｌｉｍｉｎａｔｅｔｈｅｃｒｅｅｐｉｎｇｏｆｓｌｉｄｅａｎｄｅｎｈａｎｃｅｓｔｒａｉｇｈｔｌｉｎｅｍｏｔｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｂｕｔａｌｓｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｌｅｖｅｌｏｆｓｌｉｄｅ.Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｐａｓｓｉｖｅａｎｄａｃｔｉｖｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｂｙ