Low-Cost and Energy-Efficient Vibration Reduction in Ultra-Precision Manufacturing Machines using Mode Coupling

使用模式耦合在超精密制造机器中实现低成本且节能的减振

基本信息

项目摘要

The objective of this award is to investigate mode coupling in passively isolated systems to provide the theoretical basis for achieving low-cost and energy-efficient reduction of unwanted vibrations in ultra-precision manufacturing machines, which play a central role in advanced manufacturing processes. The research approach involves three main tasks: (1) mathematical characterization of the so-called "critical configurations" induced by mode coupling, as a function of key isolation system design parameters; (2) determination of the mathematical connections among re-leveling controller stability, gravitational stability and mode coupling; and (3) investigation and implementation of optimization schemes that effectively utilize the knowledge gained from Tasks 1 and 2 to methodically select system parameters that ensure optimal vibration reduction without compromising the stability of the isolated system.If successful, the knowledge created by this research will enable cutting-edge ultra-precision manufacturing machines to be designed using passive isolators in place of active systems, which can cost up to 90 percent more than passive systems and double the energy consumed to move the machine?s axes. The broader impacts of this research are directed to industry, education and outreach. Collaborations with leading U.S.-based ultra-precision machine manufacturers will enable the results of this research to be transferred to industry. Knowledge from this research will be incorporated into a revamped graduate-level course that aims to equip the next generation of machine tool designers with a mechatronics-based approach to designing manufacturing machines. Finally, a promising but unconventional outreach approach aimed at inspiring underrepresented middle/high school students towards pursuing science/engineering careers by presenting science/engineering careers in their socio-cultural context will be pursued.
该奖项的目的是研究被动隔离系统中的模式耦合,为实现低成本、高能效地减少超精密制造机器中不必要的振动提供理论基础,超精密制造机器在先进制造工艺中发挥着核心作用。该研究方法涉及三个主要任务:(1)对由模式耦合引起的所谓“临界配置”进行数学表征,作为关键隔离系统设计参数的函数; (2)确定再平层控制器稳定性、重力稳定性和模态耦合之间的数学联系; (3) 研究和实施优化方案,有效利用从任务 1 和 2 中获得的知识,有条不紊地选择系统参数,确保最佳减振效果,而不影响隔离系统的稳定性。如果成功,本研究创建的知识将使尖端超精密制造机器能够使用无源隔离器代替有源系统进行设计,这比无源系统的成本高出 90%,并且移动机器轴所消耗的能量增加了一倍。这项研究的更广泛影响针对工业、教育和推广。与美国领先的超精密机器制造商的合作将使这项研究的成果能够转化为工业界。这项研究的知识将被纳入修改后的研究生课程中,旨在为下一代机床设计师提供基于机电一体化的制造机器设计方法。最后,将采取一种有希望但非常规的外展方法,旨在通过在社会文化背景下展示科学/工程职业来激励代表性不足的中学生/高中生追求科学/工程职业。

项目成果

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