CN103551298A - 伺服电机驱动式大位移振动装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种伺服电机驱动式大位移振动装置及方法。它包括运动台体和振动控制器，所述运动台体包括底座、伺服电机、第一滚珠丝杠、第二滚珠丝杠、台面、第一静压导轨、第二静压导轨、第三静压导轨、加速度传感器、位移传感器。本发明由于采用伺服电机和滚珠丝杠联合驱动式结构，可以满足振动实验的低频响、大位移运动控制特性，同时，采用静压导轨结构可以实现振动实验过程中装置具有较大的抗倾覆力矩，从而保证振动装置工作过程的稳定性和可靠性。

Description

伺服电机驱动式大位移振动装置及方法
技术领域
本发明涉及振动模拟装置，尤其涉及一种伺服电机驱动式大位移振动装置及方法。 
背景技术
振动装置主要应用于振动环境模拟领域，如地震波形再现，土木结构拟静、拟动力实验，以及包装产品振动环境模拟等。常规的振动装置（振动台）包括机械式、电磁式、电液式等结构，振动过程存在噪音污染，而且可实现的振动位移过小，电液式振动装置振动位移较大，但仍难满足低频响、大位移振动要求，并且存在环境污染。本发明针对一种伺服电机驱动式大位移振动装置，所设计的振动装置可以实现低频响、大位移运动，能够真实模拟试件工作过程中的振动环境，同时，装置采用静压导轨结构可以保证振动装置具有很大的抗倾覆能力，从而保证振动装置工作过程的平稳性和可靠性，目前为止，国内未见此种类型通过伺服电机实现大位移振动模拟的振动装置。
发明内容
本发明的目的是克服现有振动装置低频响应位移过小，振动过程噪音过大的不足，提供一种伺服电机驱动式大位移振动装置及方法。
伺服电机驱动式大位移振动装置包括运动台体和振动控制器，所述运动台体包括底座、伺服电机、第一滚珠丝杠、第二滚珠丝杠、台面、第一静压导轨、第二静压导轨、第三静压导轨、加速度传感器、位移传感器；在底座上设有伺服电机、第一静压导轨、第二静压导轨、第三静压导轨、以及位移传感器的静止部分，并通过螺栓连接，第一滚珠丝杠、第二滚珠丝杠通过齿轮传动安装在伺服电机的转轴上，台面的底部设有第一静压导轨、第二静压导轨、第三静压导轨的滑块和第一滚珠丝杠、第二滚珠丝杠的螺母，并通过螺栓连接，台面的后部设有加速度传感器、以及位移传感器运动杆部分，并通过螺栓连接，运动台体由振动控制器控制。
所述振动控制器包括A/D转换器1、A/D转换器2、加权控制器、零位调节器、驱动信号生成器、理想信号发生器、信号合成器、PID控制器、D/A转换器；A/D转换器1、信号合成器、PID控制器、D/A转换器顺次相连，A/D转换器2、加权控制器、驱动信号生成器、理想信号发生器顺次相连，信号合成器分别与驱动信号生成器、零位调节器相连，A/D转换器1与加权控制器相连。
 
伺服电机驱动式大位移振动的方法是：底座安装在振动装置基础上，试件安装在台面上，A/D转换器1连接位移传感器，A/D转换器2连接加速度传感器，D/A转换器连接伺服电机，振动控制器控制伺服电机的转动，伺服电机通过齿轮传动同时驱动第一滚珠丝杠、第二滚珠丝杠转动，第一滚珠丝杠、第二滚珠丝杠的转动进一步驱动安装在第一静压导轨、第二静压导轨、第三静压导轨的滑块和第一滚珠丝杠、第二滚珠丝杠的螺母上的台面沿第一静压导轨、第二静压导轨、第三静压导轨方向的往复直线运动，台面运动过程中，通过加速度传感器、位移传感器实时监测台面的加速度和位移变化，反馈加速度传感器信号和反馈位移传感器信号经过加权控制器进行加权处理后，通过与理想信号发生器生成的理想信号进行比较，在驱动信号生成器中生成伺服电机的数字驱动信号，信号合成器将该数字驱动信号与零位调节器输出的零位信号进行加法合成，并与A/D转换器1的反馈位移信号进行减法合成，输出合成控制信号，合成控制信号经PID控制器、D/A转换器后输出给伺服电机，通过对合成控制信号大小及极性的控制实现对伺服电机转速和转向的控制，从而实现台面的运动控制功能，台面安装在第一静压导轨、第二静压导轨、第三静压导轨的滑块上，不仅保证台面沿第一静压导轨、第二静压导轨、第三静压导轨方向直线运动，同时保证台面具有极大的抗倾覆能力。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明由于采用伺服电机驱动振动装置，将伺服电机的转动转换为台面的直线位移运动，响应速度快，相对与传统的液压驱动式振动装置，伺服电机驱动式振动装置运动过程无污染，噪音小，尤其适合于对振动环境要求较高的场合。
（2）本发明由于采用滚珠丝杠结构作为传动装置，可以实现运动台面的大位移运动，运动幅度可达几米，因此具有较好的低频特性，适用于对振动低频特性要求较高的振动实验。
（3）本发明由于采用静压导轨结构，对台面具有很好的支撑和导向作用，使台面振动实验过程中具有很大的抗倾覆能力，从而保证振动装置工作过程中运动的平稳性和可靠性。
附图说明
图1是伺服电机驱动式大位移振动装置结构示意图；
图2是本发明的振动控制器电路框图。
具体实施方式
如图1所示，伺服电机驱动式大位移振动装置包括运动台体和振动控制器11，所述运动台体包括底座1、伺服电机2、第一滚珠丝杠3、第二滚珠丝杠4、台面5、第一静压导轨6、第二静压导轨7、第三静压导轨10、加速度传感器8、位移传感器9；在底座1上设有伺服电机2、第一静压导轨6、第二静压导轨7、第三静压导轨10、以及位移传感器9的静止部分，并通过螺栓连接，第一滚珠丝杠3、第二滚珠丝杠4通过齿轮传动安装在伺服电机2的转轴上，台面5的底部设有第一静压导轨6、第二静压导轨7、第三静压导轨10的滑块和第一滚珠丝杠3、第二滚珠丝杠4的螺母，并通过螺栓连接，台面5的后部设有加速度传感器8、以及位移传感器9运动杆部分，并通过螺栓连接，运动台体由振动控制器11控制。
如图2所示，所述振动控制器11包括A/D转换器1、A/D转换器2、加权控制器、零位调节器、驱动信号生成器、理想信号发生器、信号合成器、PID控制器、D/A转换器；A/D转换器1、信号合成器、PID控制器、D/A转换器顺次相连，A/D转换器2、加权控制器、驱动信号生成器、理想信号发生器顺次相连，信号合成器分别与驱动信号生成器、零位调节器相连，A/D转换器1与加权控制器相连。
A/D转换器1、A/D转换器2采用高精度AK5385B A/D转换芯片，D/A转换器采用高精度CS4398 D/A转换芯片，理想信号发生器、加权控制器、驱动信号生成器、信号合成器、PID控制器、零位调节器的功能通过DSP(芯片：TMS320C6713)实现。
A/D转换器1连接位移传感器9，实现反馈位移传感器9信号的A/D转换，A/D转换器2连接加速度传感器8，实现反馈加速度传感器8信号的A/D转换，加权控制器连接A/D转换器1和A/D转换器2，实现反馈位移传感器9信号和反馈加速度传感器8信号的加权处理，零位调节器实现运动台体上台面5的零位调节，理想信号发生器实现运动台体台面理想响应信号的生成，驱动信号生成器连接理想信号发生器和加权控制器，并通过比较理想信号发生器生成的理想响应信号与经过加权控制器处理后的实际反馈位移传感器9信号和反馈加速度传感器（8）信号，实现伺服电机2数字驱动信号的生成，信号合成器通过将数字驱动信号与零位调节器输出的零位信号进行加法合成，并与A/D转换器1的反馈位移信号进行减法合成，输出合成控制信号，PID控制器实现运动台体上台面5的伺服控制，D/A转换器连接伺服电机2，实现伺服电机2数字控制信号的D/A转换。
伺服电机驱动式大位移振动的方法是：底座1安装在振动装置基础上，试件安装在台面5上，A/D转换器1连接位移传感器9，A/D转换器2连接加速度传感器8，D/A转换器连接伺服电机2，振动控制器11控制伺服电机2的转动，伺服电机2通过齿轮传动同时驱动第一滚珠丝杠3、第二滚珠丝杠4转动，第一滚珠丝杠3、第二滚珠丝杠4的转动进一步驱动安装在第一静压导轨6、第二静压导轨7、第三静压导轨10的滑块和第一滚珠丝杠3、第二滚珠丝杠4的螺母上的台面5沿第一静压导轨6、第二静压导轨7、第三静压导轨10方向的往复直线运动，台面5运动过程中，通过加速度传感器8、位移传感器9实时监测台面5的加速度和位移变化，反馈加速度传感器8信号和反馈位移传感器9信号经过加权控制器进行加权处理后，通过与理想信号发生器生成的理想信号进行比较，在驱动信号生成器中生成伺服电机2的数字驱动信号，信号合成器将该数字驱动信号与零位调节器输出的零位信号进行加法合成，并与A/D转换器1的反馈位移信号进行减法合成，输出合成控制信号，合成控制信号经PID控制器、D/A转换器后输出给伺服电机2，通过对合成控制信号大小及极性的控制实现对伺服电机2转速和转向的控制，从而实现台面5的运动控制功能，台面5安装在第一静压导轨6、第二静压导轨7、第三静压导轨10的滑块上，不仅保证台面5沿第一静压导轨6、第二静压导轨7、第三静压导轨10方向直线运动，同时保证台面5具有极大的抗倾覆能力。

Claims (3)

1.一种伺服电机驱动式大位移振动装置，其特征在于：包括运动台体和振动控制器(11)，所述运动台体包括底座（1）、伺服电机（2）、第一滚珠丝杠（3）、第二滚珠丝杠（4）、台面（5）、第一静压导轨（6）、第二静压导轨（7）、第三静压导轨（10）、加速度传感器（8）、位移传感器（9）；在底座（1）上设有伺服电机（2）、第一静压导轨（6）、第二静压导轨（7）、第三静压导轨（10）、以及位移传感器（9）的静止部分，并通过螺栓连接，第一滚珠丝杠（3）、第二滚珠丝杠（4）通过齿轮传动安装在伺服电机（2）的转轴上，台面（5）的底部设有第一静压导轨（6）、第二静压导轨（7）、第三静压导轨（10）的滑块和第一滚珠丝杠（3）、第二滚珠丝杠（4）的螺母，并通过螺栓连接，台面（5）的后部设有加速度传感器（8）、以及位移传感器（9）运动杆部分，并通过螺栓连接，运动台体由振动控制器(11)控制。
2.根据权利要求1所述的一种伺服电机驱动式大位移振动装置，其特征在于：所述振动控制器（11）包括A/D转换器1、A/D转换器2、加权控制器、零位调节器、驱动信号生成器、理想信号发生器、信号合成器、PID控制器、D/A转换器；A/D转换器1、信号合成器、PID控制器、D/A转换器顺次相连，A/D转换器2、加权控制器、驱动信号生成器、理想信号发生器顺次相连，信号合成器分别与驱动信号生成器、零位调节器相连，A/D转换器1与加权控制器相连。
3.一种使用如权利要求1所述装置的伺服电机驱动式大位移振动的方法，其特征在于：底座（1）安装在振动装置基础上，试件安装在台面（5）上，A/D转换器1连接位移传感器（9），A/D转换器2连接加速度传感器（8），D/A转换器连接伺服电机（2），振动控制器（11）控制伺服电机（2）的转动，伺服电机（2）通过齿轮传动同时驱动第一滚珠丝杠（3）、第二滚珠丝杠（4）转动，第一滚珠丝杠（3）、第二滚珠丝杠（4）的转动进一步驱动安装在第一静压导轨（6）、第二静压导轨（7）、第三静压导轨（10）的滑块和第一滚珠丝杠（3）、第二滚珠丝杠（4）的螺母上的台面（5）沿第一静压导轨（6）、第二静压导轨（7）、第三静压导轨（10）方向的往复直线运动，台面（5）运动过程中，通过加速度传感器（8）、位移传感器（9）实时监测台面（5）的加速度和位移变化，反馈加速度传感器（8）信号和反馈位移传感器（9）信号经过加权控制器进行加权处理后，通过与理想信号发生器生成的理想信号进行比较，在驱动信号生成器中生成伺服电机（2）的数字驱动信号，信号合成器将该数字驱动信号与零位调节器输出的零位信号进行加法合成，并与A/D转换器1的反馈位移信号进行减法合成，输出合成控制信号，合成控制信号经PID控制器、D/A转换器后输出给伺服电机（2），通过对合成控制信号大小及极性的控制实现对伺服电机（2）转速和转向的控制，从而实现台面（5）的运动控制功能，台面（5）安装在第一静压导轨（6）、第二静压导轨（7）、第三静压导轨（10）的滑块上，不仅保证台面（5）沿第一静压导轨（6）、第二静压导轨（7）、第三静压导轨（10）方向直线运动，同时保证台面（5）具有极大的抗倾覆能力。
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