CN101038208A - 一种六轴微激振器系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种六轴微激振器系统，用于产生六自由度的微振动激励，它具有六轴微激振器和以计算机和/或数字信号处理器DSP为核心构成的控制系统。六轴微激振器是以立方体构型Stewart平台为基础的结构，包括作为基座的下平台、安装被测对象的上平台和连接上平台和下平台的六条带有执行器的支腿，各支腿同上下平台连接采用柔性铰，六条支腿和上下平台的位置关系满足立方体构型要求。所述控制系统以计算机和/或数字信号处理器DSP为核心构成，通过控制支腿上执行器产生运动以使激振器的上平台产生需要的六轴微振动激励。

Description

一种六轴微激振器系统

技术领域

本发明属于振动测试与分析领域，具体涉及一种方便实用的六轴微激振器系统。

背景技术

激振设备就是在进行激振试验时采用的激起试验物机械运动的专门装置。激振设备按用途不同，可分为振动台、激振器和冲击试验机等。在工程实践中，由于仪器仪表、汽车零部件等设备在使用和运输过程中往往遇到振动问题，因此需要进行振动试验，考察它们在振动过程中和振动过程后是否出现异常，以确定它们在实际的振动环境下能否正常工作。随着科技的发展，尤其是航空航天技术的发展，多维器件(如六维加速度传感器)及多维装置(如太空望远镜使用的六轴振动隔离器)的应用越来越广泛。如何对多维器件及多维装置的多维振动特性进行测试是面临的重要问题，其关键在于如何实现对多维器件及多维装置的多维振动激励。目前只有单自由度的激振器提供给市场。多自由度激振器，特别是六轴激振器，是空白。因此，研究和开发具有多维激振能力的六自由度激振器是具有重要意义的。

发明内容

本发明的目的是提出一种六轴微激振器系统，用于产生六自由度的振动激励，其中包括三个线性自由度和三个旋转自由度，相比较于传统激振器更精确地模拟现实的振动环境。

本发明的技术方案如下：

一种六轴微激振器系统，它具有六轴微激振器和以计算机和数字信号处理器DSP为核心构成的控制系统。

所述的六轴微激振器是以立方体构型Stewart平台为基础的结构，包括作为基座的下平台、安装被测对象的上平台和连接上平台和下平台的六条带有执行器的支腿，各支腿同上下平台连接采用柔性铰(这种柔性铰在小范围内具有球型铰的功能，但是能够克服球形铰碰磨和打滑的缺点)。支腿上的执行器可以是压电陶瓷执行器、磁致伸缩执行器、音圈执行器或电致伸缩执行器等类型。六条支腿和上下平台的位置关系应满足以下立方体构型要求：切去边长为L的立方体相对的两个三棱锥后余下的部分为六条棱边连接的两个平面，这两个平面即为六轴微激振器的上平台和下平台，六条棱边即为六轴微激振器的六条带有执行器的支腿。

所述控制系统以计算机或以计算机和数字信号处理器DSP为核心构成；当以数字信号处理器DSP为核心时，六轴微激振器系统控制软件被载入DSP；当以计算机为核心，计算机通过接口模块与数字信号处理器DSP连接，六轴微激振器系统控制软件被载入计算机。六轴微激振器系统控制软件根据输入的六轴振动激励信号(即需要得到的振动激励输出)计算出六维微激振器六条支腿上的执行器需要的驱动控制信号，这些驱动控制信号分别接入六个数模转换器，经数模转换后连接各自的驱动电源，驱动电源通过六条控制线分别对应连接六轴微激振器的六条支腿上的执行器，控制支腿上执行器产生运动以使激振器的上平台产生需要的振动激励。

所述六轴微激振器的六条带有执行器的支腿上可以安装传感器，以检测支腿上的执行器的输出，传感器的信号线连接模数转换器，将信号进行模数转换后，接入数字信号处理器DSP中，由数字信号处理器DSP对执行器存在的非线性误差进行补偿计算，数字信号处理器DSP的输出再连接六轴微激振器，以达到反馈控制。

以压电陶瓷微位移器为例，通过微激振器系统的六条支腿上的压电陶瓷微位移器产生的微位移使六条支腿的长度发生变化，从而使上平台产生六自由度振动。上平台六自由度振动描述如下：在下平台设置参考坐标系B，在上平台设置连体坐标系P，连体坐标系的原点设在上平台的重心处。P的原点在参考坐标系下的运动为三个线性自由度，P相对于B的转动为三个旋转自由度。根据动力学模型把压电陶瓷微位移器的输出力或位移作为系统的输入，上平台的六自由度位移或加速度作为系统的输出。动力学模型实现了输入同输出之间一一对应的关系。因此可以通过需要的激励求取执行器的输出力或位移，实现上平台的六维加速度激励或六维位移激励。六轴微激振器系统的位移激励可通过下式实现

$\mathrm{\δ}\stackrel{\→}{q}=J\stackrel{\→}{\mathrm{\χ}}---\left(1\right)$

式中

为六条支腿的位移； 为上平台六个自由度的运动， $\stackrel{\→}{\mathrm{\χ}}=\left[\begin{array}{cccccc}\mathrm{\α}& \mathrm{\β}& \mathrm{\γ}& x& y& z\end{array}\right];$ J为雅克比矩阵，由下式给出

$J=\frac{1}{\sqrt{6}}\left[\begin{array}{cccccc}1& \sqrt{3}& \sqrt{2}& 0& -2L/\sqrt{3}& \sqrt{2}L\\ 1& -\sqrt{3}& \sqrt{2}& 0& -2L/\sqrt{3}& -\sqrt{2}L\\ -2& 0& \sqrt{2}& L& L/\sqrt{3}& \sqrt{2}L\\ 1& \sqrt{3}& \sqrt{2}& L& L/\sqrt{3}& -\sqrt{2}L\\ 1& -\sqrt{3}& \sqrt{2}& -L& L/\sqrt{3}& \sqrt{2}L\\ -2& 0& \sqrt{2}& -L& L/\sqrt{3}& -\sqrt{2}L\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中L为上平台圆盘半径。

六轴微激振器系统的加速度激励可通过下式实现

${\left(J^T\right)}^{-1}M\stackrel{\→}{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\χ}}}=\stackrel{\→}{f}---\left(3\right)$

式中 为压电陶瓷执行器输出力；M是上平台的质量惯量矩阵，由下式给出

$M=m\left[\begin{array}{cccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& L^2/4& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& L^2/4& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& L^2/2\end{array}\right]---\left(4\right)$

式中m为上平台质量。

表1为根据式(3)得到的六轴微激振器的输入输出关系。

                    表1.六维微激振器的输入输出关系

本发明的优点：

(1)本六轴微激振器系统作为激振器的范畴，在一个激振器上可以实现六自由度振动激励，包括六轴加速度振动激励和/或六轴微位移激励，具有很高的实用价值。

(2)本六轴微激振器系统具有结构简单，便于操作，不易损坏，造价低，易于大批量生产的优点。

(3)本六轴微激振器系统的尺寸可大可小，上平台的构型可以产生多种变化(如球型结构、平板结构)。

(4)本六轴微激振器系统为科学研究、精密仪器制造、超精密测试、载人航天等众多领域提供六轴微激振的实验设备。

附图说明

图1为本发明中的六轴微激振器系统结构示意图。

图2(a)、(b)分别为本发明中六轴微激振器的简化结构示意图和简化结构俯视图。

图3(a)、(b)分别为本发明中六轴微激振器的整体布局结构示意图和侧视图。

图4(a)、(b)、(c)分别为本发明中六轴微激振器的柔性铰的主视图、俯视图、左视图。

图5为六轴微激振器的另一种构型，除上平台采用质量均匀的球形结构外，其他同图3所示的六轴激振器完全相同。

图6为六轴微激振器系统的软件流程图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图具体说明本发明的结构：

参照图1，1为上平台；2为上平台盖板；4、10、14、15、19、22为安装支座；8为下平台；5为下平台盖板；6、9、11、13、18、20为柔性铰；3、7、12、16、17、21为支腿(本图中绘出的为带有压电陶瓷执行器的支腿)；23为键盘及显示(与DSP配合使用)；24为接口模块；26、27、28、29、30、31分别为六条支腿的控制通道。25、32为数字信号处理器DSP；33为数模转换器；34为模数转换器；35为驱动电源(参考发明专利：申请号200610054581.2，名称：一种动态压电或电致伸缩陶瓷驱动电源，发明人：王代华，丁文明)；36为传感器信号调理电路；37为计算机。

本六轴微激振器系统由六轴微激振器和以计算机和/或数字信号处理器DSP为核心构成的控制系统两部分构成。

六轴微激振器是以立方体构型Stewart平台为基础的结构，包括作为基座的下平台5、安装被测对象的上平台1和连接上平台1和下平台5的六条带有执行器的支腿3、7、12、16、17、21，各支腿同上下平台连接采用柔性铰6、9、11、13、18、20。

六轴微激振器系统的控制系统以计算机和/或数字信号处理器DSP为核心构成，当以数字信号处理器DSP为核心时，六轴微激振器系统控制软件被载入DSP 25、32；当以计算机为核心，计算机37通过接口模块24与数字信号处理器DSP 25、32连接，六轴微激振器系统控制软件被载入计算机37。六轴微激振器系统控制软件通过输入的六轴振动激励信号计算出六轴微激振器六条支腿上的执行器所需要的相应的驱动信号，这些驱动信号分别接入六通道数模转换器33，经数模转换后连接各自的驱动电源35，驱动电源35通过六条控制线分别对应连接六轴微激振器的六条支腿3、7、12、16、17、21上的执行器，该信号控制支腿3、7、12、16、17、21上的压电陶瓷执行器产生运动以使上平台1产生需要的振动激励。同时传感器3’、7’、12’、16’、17’、21’检测到压电陶瓷执行器的输出被送到相应得传感器信号调理电路36处理，通过数据采集系统反馈到数字信号处理器DSP 25、32中以对压电陶瓷执行器存在的非线性误差进行补偿。

参照图2可知，六轴微激振器的基础结构是以立方体为基础，如图2(a)所示，沿立方体ABCDEFGH(其棱边长度为L)的三个顶点ACE构成的平面削去锥角H-ACE，沿立方体ABCDEFGH的三个顶点BDF构成的平面削去锥角G-BDF，即可得到六轴微激振器的基础结构。其中，六条首尾相连、两两正交且任意三条棱边不在同一平面上的棱边L₁-L₆构成六轴微激振器的六条支腿，平面三角形ACE与BDF构成六轴微激振器的上平台和下平台，如图2(b)所示。

参照图3可知，六轴微激振器的高度Z可由下式给出

$Z=\frac{\sqrt{3}}{3}L+H_1+H_2---\left(5\right)$

式中L为六轴微激振器的支腿长度，H₁为上平台1的厚度，H₂为下平台5的厚度。

参照图4为本系统可采用的一种柔性铰的具体结构，采用三轴等刚度柔性铰，柔性铰中心加工为通孔以获得较大的变形量，两端部加工有连接螺孔38、40，用于柔性铰与安装支座和执行器的连接。柔性铰外圆面45上加工有沿中心轴线对称布置的装配工艺孔46。沿图示视角方向投影、切去材料的细小通槽39、44投影曲线段与柔性铰实体相交形成的空间曲线链沿中心轴线的相对旋转角度成直角。端面41、42加工时与中心轴线有垂直度要求且两者之间有相互的平行度要求。外圆面43与中心孔45有同轴度要求。

参照图5，为六轴微激振器的另一种构型，除上平台采用质量均匀的球形结构外，其他方面同图1所示的六轴微激振器完全相同。48为球形上平台；47为安装孔；49为轻质安装支架。相比较于图1所示的六轴微激振器，该构型的优点是能够确保动力学模型更为精确，从而减小系统误差，缺点是负载不易安装。

参照图6，为系统的软件流程图，本系统能够实现六轴微激振器上平台的位移和加速度两种激励。选择位移激励，在程序界面中输入上平台的六自由度位移，系统通过式(1)计算出执行器位移的控制信号，通过D/A转换和功率放大器，执行器产生相应的位移以实现上平台的位移输出。选择加速度激励，在程序界面中输入上平台的六自由度加速度，系统通过式(3)计算出执行器的输出力，通过D/A转换和功率放大器，执行器产生相应的力以实现上平台的加速度输出。同时可以通过指令检测功能可以调整平台的工作状态。

Claims (7)

1、一种六轴微激振器系统，其特征在于：它具有六轴微激振器和以计算机或计算机和数字信号处理器DSP为核心构成的控制系统；

所述的六轴微激振器是以立方体构型Stewart平台为基础的结构，包括作为基座的下平台、安装被测对象的上平台和连接上平台和下平台的六条带有执行器的支腿，各支腿同上下平台连接采用柔性铰，六条支腿和上下平台的位置关系应满足以下立方体构型要求：切去边长为L的立方体相对的两个三棱锥后余下的部分为六条棱边连接的两个平面，这两个平面即为六轴微激振器的上平台和下平台，六条棱边即为六轴微激振器的六条带有执行器的支腿；

所述控制系统以计算机和/或数字信号处理器DSP为核心构成；当以数字信号处理器DSP为核心时，六轴微激振器系统控制软件载入DSP；当以计算机为核心，计算机通过接口模块与数字信号处理器DSP连接，六轴微激振器系统控制软件被载入计算机；六轴微激振器系统控制软件通过输入的六轴振动激励信号计算出六轴微激振器六条支腿上的执行器所需要的相应的驱动信号，这些驱动信号分别接入六个数模转换器，经数模转换后，连接各自的驱动电源，驱动电源通过六条控制线分别对应连接六轴微激振器的六条支腿上的执行器，控制支腿上执行器产生运动以使激振器的上平台产生需要的振动激励。

2、根据权利要求1所述的六轴微激振器系统，其特征在于：所述六轴微激振器的六条带有执行器的支腿上装有传感器，检测支腿上的执行器的输出，传感器的信号线连接模数转换器，将信号进行模数转换后，接入数字信号处理器DSP中，由数字信号处理器DSP对执行器存在的非线性误差进行补偿计算，数字信号处理器DSP的输出再连接六轴微激振器。

3、根据权利要求1或2所述的六轴微激振器系统，其特征在于：所述六轴微激振器的支腿上带有的执行器可以是压电陶瓷执行器、磁致伸缩执行器、音圈执行器或电致伸缩执行器。

4、根据权利要求1或2所述的六轴微激振器系统，其特征在于：所述六轴微激振器实现微位移激励时采用的公式如下：

$\mathrm{\δ}\stackrel{\→}{q}=J\stackrel{\→}{\mathrm{\χ}}---\left(1\right)$

式中 为六条支腿上的执行器输出的位移；

为上平台六自由度的运动，且 $\stackrel{\→}{\mathrm{\χ}}=\left[\begin{array}{cccccc}\mathrm{\α}& \mathrm{\β}& \mathrm{\γ}& x& y& z\end{array}\right];$ J为上平台的雅克比矩阵。

5、根据权利要求1或2所述的六轴微激振器系统，其特征在于：所述六轴微激振器实现加速度激励采用的公式如下：

$\stackrel{\→}{f}={\left(J^T\right)}^{-1}M\stackrel{\stackrel{\→}{\·\·}}{\mathrm{\χ}}$

式中M是上平台的质量惯量矩阵；

为上平台六自由度的运动，且 $\stackrel{\→}{\mathrm{\χ}}=\left[\begin{array}{cccccc}\mathrm{\α}& \mathrm{\β}& \mathrm{\γ}& x& y& z\end{array}\right];$ 为执行器输出力，J为雅克比矩阵。

6、根据权利要求1或2所述的六轴微激振器系统，其特征在于：所述六轴微激振器的上平台采用球型结构或平面结构。

7、根据权利要求1或2所述的六轴微激振器系统，其特征在于：所述的柔性铰采用三轴等刚度柔性铰。

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