CN104006110A - 旋转柔性铰接梁的振动测量控制装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了旋转柔性铰接梁的振动测量控制装置与方法，包括柔性铰接梁本体部分、振动信号检测部分及驱动控制部分；柔性铰接梁由两块梁通过铰链连接，两块梁之间安装预拉伸形状记忆合金丝，用于抑制连接处的低频大幅值弯曲振动；在柔性铰接梁靠近机械加紧装置处的前后面分别粘贴压电陶瓷片传感器和压电陶瓷片驱动器，用于检测和抑制铰接梁的弯曲振动；铰接梁末端安装用于检测振动的加速度传感器。本发明装置用于模拟空间柔性关节和柔性机械臂的振动测量和控制，采用多传感器和多组合控制驱动器，通过运行相应控制算法，实现对旋转铰接柔性梁的弯曲振动的主动控制。

Description

旋转柔性铰接梁的振动测量控制装置与方法

技术领域

本发明涉及旋转柔性铰接梁振动控制领域，特别涉及旋转柔性铰接梁的振动测量控制装置与方法。

背景技术

旋转柔性悬臂梁在实际工程中有着广泛的应用，主要体现在航天器柔性关节和柔性机械臂的应用上，该模型还可用于模拟飞机旋转机翼和涡轮叶片。相对于刚性机械臂，柔性悬臂梁具有质量轻、能耗低、效率高、操作灵活等优点，但由于柔性悬臂梁细长、质量轻、刚度低、柔性大等特点，空间柔性机器人和航天器挠性附件在转动调姿或者受到外部扰动时，容易引起悬臂梁的振动，尤其是在平衡点小幅值的模态频率上的振动，如果不能快速的抑制这些振动，将影响系统的稳定性和指向精度，从而降低相关系统的可靠性，甚至带来灾难性的损失。对于飞机旋转机翼和涡轮叶片采用的是细长刚性机械臂，由于外部的阻力较大，惯性不易改变，在转动的启动和停止时容易造成机械臂的振动以及较大的冲击，不进行适当的振动抑制容易导致机械臂的冲击折断，造成经济损失甚至安全事故。尽管旋转悬臂梁的研究受到了国内外的广泛关注，然而对于旋转柔性铰接梁的研究却比较少，而其在实际的工程应用中又必不可少，所以对旋转柔性铰接梁的振动主动抑制的研究就成为了当今世界国内外普遍关注而富有挑战的重要课题。

采用压电陶瓷片驱动器驱动主动控制作动器，具有响应快、频带宽、线性度好、容易加工等特点，特别适合于航天器柔性梁等挠性结构的振动控制应用，但是它的驱动位移较小，无法进行大幅值的变形调整。对于旋转调姿引起的振动采用交流伺服电机驱动主动控制时，由于通过调整启动和停止电机转动速度、扭矩规划，可以从源头上减少对机械臂的惯性冲击，达到抑制振动的目的，具有调整位移大，对大幅值的变形振动具有良好的控制效果，但由于电机的正反转调整时间较长，同时谐波齿轮减速器带来的滞后导致应用具有一定的局限性。此外，形状记忆合金由于其形状记忆效应的特点，可以用作作动器用于振动的主动控制，同时由于其超弹性性质和高阻尼的特性，又可以作为被动控制的材料改善悬臂梁的阻尼特性，对旋转柔性铰接梁进行被动控制和主动控制结合的一体化振动控制。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种旋转柔性铰接梁的振动测量控制装置与方法。

本发明采用如下技术方案：

一种旋转柔性铰接梁的振动测量控制装置，包括柔性铰接梁本体部分、振动信号检测部分及驱动控制部分；

—柔性铰接梁本体部分：

柔性铰接梁由柔性梁Ⅰ9及柔性梁Ⅱ12通过铰链铰接而成，所述柔性铰接梁一端自由，另一端通过机械夹持装置6与谐波齿轮减速器4的输出轴轮彀5连接；

—振动信号检测部分：

包括压电陶瓷片传感器8及加速度传感器13，所述压电陶瓷片传感器8及加速度传感器13安装在柔性铰接梁上；

所述压电陶瓷片传感器8检测的柔性铰接梁的弯曲振动信号及加速度传感器13检测的振动加速度信号经过电荷放大器22放大后，传输到运动控制器20的AD采样模块23，再由运动控制器20处理后输入到计算机21；

—驱动控制部分包括交流伺服电机驱动控制通路、压电驱动器驱动控制通路及形状记忆合金丝驱动控制通路；

所述交流伺服电机驱动控制通路包括交流伺服电机2，所述交流伺服电机采用速度控制或者位置控制的方式连接到运动控制器20，所述交流伺服电机2的输出轴通过联轴器3连接到谐波齿轮减速器4的输入轴，用于驱动柔性铰接梁的转动，所述交流伺服电机2与运动控制器20相互连接，所述运动控制器20与计算机21相互连接；

所述压电驱动器驱动控制通路包括压电陶瓷片驱动器7，所述压电陶瓷片驱动器安装在柔性铰接梁上，所述计算机21得到振动信号，运算后产生反馈信号，所述反馈信号由运动控制器的DA输出模块I15输出，经过压电片放大电路14放大信号，输出到压电陶瓷片驱动器，从而达到抑制柔性铰接梁弯曲振动的目的；

所述形状记忆合金丝驱动控制通路包括形状记忆合金丝11，所述形状记忆合金丝11安装在柔性铰接梁上，预拉伸后，两端用接头螺丝分别固定在柔性梁Ⅰ及柔性梁Ⅱ上，所述形状记忆合金丝11在柔性铰接梁长度方向上跨过铰链，并接出驱动导线；

将采集到的振动信号输入计算机21作相应的处理，得到反馈信号，该反馈信号由运动控制器20的DA输出模块II19输出，经过SMA驱动器18将输入的电流放大，输出到形状记忆合金丝11，用于分时控制形状记忆合金丝11的变形恢复，从而达到控制柔性铰接梁弯曲振动的作用。

所述压电陶瓷片驱动器7由4片压电陶瓷片构成，分别在柔性梁Ⅰ9的正反两面对称粘帖，每面各两片，并联连接；

所述压电陶瓷片传感器为1片，安装在柔性梁Ⅰ正面的中心线上，且位于两片压电陶瓷片驱动器之间。

所述加速度传感器13安装在柔性铰接梁自由端的中心线上。

所述形状记忆合金丝具体为偶数根，对称分布在柔性铰接梁的正反面。

所述DA输出模块I5、DA输出模块II19和AD采样模块23均集成在与运动控制器配套使用的端子板17上。

所述装置进行旋转柔性铰接梁的振动测量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步利用压电陶瓷片传感器8和加速度传感器13检测到柔性铰接梁的弯曲振动信号；

第二步将采集到的弯曲振动信号经过电荷放大器22放大，通过AD采样模块23传输到运动控制器，然后输入到计算机21处理；

第三步计算机21对弯曲振动信号进行控制算法运算得到反馈信号，反馈信号经运动控制器20发送到交流伺服电机2、压电陶瓷片驱动器7及形状记忆合金丝11，达到抑制柔性铰接梁弯曲振动的目的。

该控制方法为单一通道SISO系统检测控制或为多通道MIMO系统检测控制，柔性铰接梁振动控制采用压电驱动器驱动主动控制、形状记忆合金丝11主动控制及交流伺服电机2驱动主动控制的任意两组组合或三组组合控制。

本发明的有益效果：

1、本发明装置采用的铰接梁和旋转边界条件可以更好的模拟柔性机器人和航天器挠性附件的实际运动情况，从而更利于研究柔性悬臂梁在转动调姿或者外部扰动引起的振动情况，为振动控制的研究提供更加准确的实验平台，达到更接近实际情况的控制效果；

2、针对旋转柔性铰接梁的振动特性，本发明装置和控制方法采用压电陶瓷驱动、交流伺服电机驱动以及形状记忆合金丝驱动两两组合控制甚至三者共同控制的方法，互补单独控制的缺点，不但可以快速抑制低频大幅值振动，同时可以有效地控制住高频小幅值振动，从而达到最佳的控制效果。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的柔性铰接梁正面结构示意图；

图3是本发明的柔性铰接梁反面结构示意图；

图4是本发明控制方法的工作流程图。

图中示出：

1-固定支架，2-交流伺服电机，3-联轴器，4-谐波齿轮减速器，5-输出轴轮彀，6-机械夹持装置，7-压电陶瓷片驱动器，8-压电陶瓷片传感器，9-柔性梁I，10-铰链，11-形状记忆合金，12-柔性梁II，13-加速度传感器，14-压电片放大电路，15-DA输出模块I，16-电机伺服放大器,17-端子板，18-SMA驱动器，19-DA输出模块II，20--运动控制器，21-计算机，22-电荷放大器，23-AD采样模块。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，一种旋转柔性铰接梁的振动测量控制装置，包括柔性铰接梁本体部分、振动信号检测部分及驱动控制部分；

—柔性铰接梁本体部分

柔性铰接梁由柔性梁Ⅰ9及柔性梁Ⅱ12通过铰链10铰接而成，所述柔性铰接梁一端自由，另一端固定，固定端通过机械夹持装置6夹紧，然后与谐波齿轮减速器4的输出轴轮彀5连接；

—振动信号检测部分：

如图2、图3所示，包括压电陶瓷片传感器8及加速度传感器13，所述压电陶瓷片传感器8安装在柔性梁I9的中心线上，距离固定端60mm的位置，位于两片压电驱动器之间；加速度传感器13安装在柔性梁II12自由端的中心线上，距离自由端边界50mm的位置，加速度传感器13通过螺钉螺母夹紧固定在梁的自由端。

所述压电陶瓷片传感器8检测的柔性铰接梁的弯曲振动信号及加速度传感器13检测的振动加速度信号经过电荷放大器22放大后，传输到运动控制器20的AD采样模块23，再由运动控制器20处理后输入到计算机21；

—驱动控制部分包括交流伺服电机驱动控制通路、压电驱动器驱动控制通路及形状记忆合金丝驱动控制通路；

所述压电驱动器驱动控制通路包括压电陶瓷片驱动器7，所述压电陶瓷片驱动器包括4片压电陶瓷片，在柔性梁I9长度方向上距离固定端为20mm、宽度方向上距离柔性梁I9边界为10mm的上下位置处各粘贴一片压电陶瓷片，同时在相应的对称反面上也粘贴上两枚压电陶瓷片，每面各两片，并联连接，一共4枚压电陶瓷片作为驱动器，抑制振动。

所述计算机21得到振动信号，运算后产生反馈信号，所述反馈信号由运动控制器的DA输出模块I15输出，经过压电片放大电路14放大信号，输出到压电陶瓷片驱动器7，从而达到抑制柔性铰接梁弯曲振动的目的。

所述形状记忆合金丝驱动控制通路包括形状记忆合金丝11，所述形状记忆合金丝具体为偶数根，对称分布在柔性铰接梁的正反面。本实施例中形状记忆合金丝11预拉伸大约5％，两端用接头螺丝进行固定并接出驱动导线端，两根预拉伸的形状记忆合金丝11相互牵拉安装在柔性梁I9和柔性梁II12铰接处的正反面；

将采集到的振动信号输入计算机21作相应的处理，得到反馈信号，该反馈信号由运动控制器20的DA输出模块II19输出，经过SMA驱动器18将输入的电流放大，输出到形状记忆合金丝11，用于分时控制形状记忆合金丝11的变形恢复，从而达到控制柔性铰接梁弯曲振动的作用。

所述交流伺服电机驱动控制通路包括交流伺服电机2，所述交流伺服电机2采用速度控制或者位置控制的方式与运动控制器20相互连接，所述交流伺服电机2的输出轴通过联轴器3连接到谐波齿轮减速器4的输入轴，用于驱动柔性铰接梁的转动，所述交流伺服电机2具体通过电机伺服放大器16与运动控制器20的端子板相互连接，所述运动控制器20与计算机21相互连接；

柔性梁采用环氧树脂材料，弹性模量和密度分别为Eb＝34.64GPa，ρ_b＝1840kg/m3，柔性梁I、II的宽度和厚度均为：宽度b1＝100mm，厚度hb＝1.78mm，长度分别为L1＝360mm，L2＝450mm；上下铰链以两块长宽为100mmX20mm的环氧树脂板简化，通过螺栓连接将柔性梁I、II固定铰接固定，中间的缝隙为20mm；形状记忆合金丝的尺寸为：LSMA＝360mm，丝径φ0＝1mm，压电陶瓷片PZT的尺寸为50mmX15mmX1mm，弹性模量和压电应变常量分别为Epe＝63GPa，d31＝166pm/V；加速度传感器是由江苏联能电子科技有限公司生产的，其型号为CA-YD-127，质量为38g。

加工好的柔性铰接梁部分通过机械夹持装置6采用键的连接方式与轮毂5联接，由于电机的输出速度为0～3000r/min，而铰接梁的转动速度不能太大，否则容易导致铰接梁的折断，所以将输出轴轮毂5安装在减速比为100:1的谐波齿轮减速器4上，谐波齿轮减速器4通过联轴器3与交流伺服电机2实现传动联接，本实施例采用400W的安川交流伺服电机，然后将谐波齿轮减速器4和交流伺服电机2通过螺栓联接在固定支架1上，固定支架1采用实心的铸铁加工以保证支架具有较大的重量，有足够大的惯性保证试验台在电机转动或压电陶瓷片驱动实验中保持静止不动，免除实验台的自身振动带来的对振动实验数据带来的干扰。

一种旋转柔性铰接梁的振动测量控制方法，如图4所示，包括如下步骤：

第一步利用压电陶瓷片传感器8和加速度传感器13检测到柔性铰接梁的弯曲振动信号；

第二步将采集到的弯曲振动信号经过电荷放大器22放大，通过AD采样模块23传输到运动控制器，然后输入到计算机21处理；

第三步计算机21对弯曲振动信号进行控制算法运算得到反馈信号，反馈信号经运动控制器20发送到交流伺服电机2、压电驱动器7及形状记忆合金丝11，达到抑制柔性铰接梁弯曲振动的目的。

所述的旋转柔性悬臂梁的振动测量和主动抑制的控制方法，所述方法既可以单一通道SISO也可以多通道MIMO检测和控制：信号检测部分包括压电陶瓷片传感器8检测信号和加速度传感器13检测信号；控制部分包括压电陶瓷片驱动器7驱动主动控制、交流伺服电机2驱动主动控制和压电陶瓷片驱动器7与交流伺服电机2组合驱动主动控制以及其与形状记忆合金弹簧12驱动组合形成的多种主动控制方式。

图1中的虚线连接表示电信号与驱动装置的连接图，实线空心箭头表示各实验装置仪器之间的连接关系。

在该装置中可以通过两种方案用于弯曲振动信号的检测：一是由压电陶瓷片传感器8采集到柔性梁I9的弯曲振动信号，二是由加速度传感器13采集柔性梁本体I12的弯曲振动加速度信号，采集到的振动信号经过电荷放大器22放大，进入到运动控制器20端子板的AD采样模块23，再由运动控制器20处理后输入到计算机21。在信号检测中使用到的电荷放大器22型号为YE5800，可以将较弱的输入电信号放到到幅值为-10V～+10V的电压信号。

本实施例采用的运动控制器为固高运动控制器，固高运动控制器有四通道输出轴资源，选择某一通道作为电机控制通道，将400W安川交流伺服电机采用速度控制或者位置控制的方式正确连接到固高运动控制器，将交流伺服电机通过联轴器连接到谐波齿轮减速器上。采用为安川公司的交流伺服电机，型号为SGMAH-04AAA2S，该电机的最大转速为3000r/min，输入电压为交流200V，序列编码器为13比特增量型编码器，与之匹配的Σ-II系列伺服单元型号为SGDM-04ADAR，通过电机伺服放大器16的相关设置与正确的接线，可以将伺服电机的工作方式设置为速度、位置和扭矩控制方式。选用的运动控制器20为固高公司生产的GTS-400-PV-PCI系列运动控制器，该运动控制器具有4路轴资源通道(各轴信号带有1路模拟量输出，增量式编码器输入，电机控制输出及报警复位功能)，光耦隔离通用数字信号输入和输出各有16路，2路四倍频增量式辅助编码器输入，8路AD模拟量采样输入，模拟量输入输出的电压范围是：-10V～+10V。

将采集到的振动信号输入计算机21作相应的处理，运行主动控制算法，控制信号由端子板17的DA输出模块I15输出，经过压电片放大电路14放大信号，输出到4枚压电驱动器7，致使压电片变形从而达到抑制弯曲振动的目的。压电片放大电路14可选用型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX放大器，放大倍数可达到52倍，即将-5V～+5V放大到-260～+260V，输出高电压信号用于驱动压电陶瓷片PZT的变形从而达到抑制振动的目的。

将采集到的振动信号输入计算机21作相应的处理，运行主动控制算法，控制信号由端子板17的DA输出模块II19输出，经过SMA驱动器18将输入的电流放大，输出到四根形状记忆合金(SMA)丝11，前后两根形状记忆合金分时作用以对抗柔性铰接梁铰接处的变形，从而达到控制柔性铰接梁弯曲振动的作用。SMA驱动器18采用自行设计的恒流源大电流驱动电路，其核心元件为高电压大电流运算放大器OPA549，在本电路中设计的输出电流为0～8A。

在本发明方案中，由于采用的固高运动控制器GTS-400-PV-PCI与计算机的连接方式为PCI连接，不需要编写相关的串口程序就可以实现计算机与试验台数据的直接传输和获取，减少了数据的转换过程，提高了人机操作与控制器处理的速度。采用此方案，设计了基于Visual C++软件开发平台的C++语言编程方案人机界面，在控制过程中通过设计友好的人机界面可以实时显示相关测量信号和控制信号动态曲线，便于实时观测以及控制的开启和关闭、控制策略参数的修改输入、数据保存等操作，便于实时调试时分析和修改参数。

所述DA输出模块I15、DA输出模块II19和AD采样模块23并非独立的部件，均集成在与固高运动控制器20配套使用的端子板17上。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种旋转柔性铰接梁的振动测量控制装置，其特征在于，包括柔性铰接梁本体部分、振动信号检测部分及驱动控制部分；

—柔性铰接梁本体部分：

柔性铰接梁由柔性梁Ⅰ(9)及柔性梁Ⅱ(12)通过铰链铰接而成，所述柔性铰接梁一端自由，另一端通过机械夹持装置(6)与谐波齿轮减速器(4)的输出轴轮彀(5)连接；

—振动信号检测部分：

包括压电陶瓷片传感器(8)及加速度传感器(13)，所述压电陶瓷片传感器(8)及加速度传感器(13)安装在柔性铰接梁上；

所述压电陶瓷片传感器(8)检测的柔性铰接梁的弯曲振动信号及加速度传感器(13)检测的振动加速度信号经过电荷放大器(22)放大后，通过AD采样模块(23)传输到运动控制器(20)，再由运动控制器(20)处理后输入到计算机(21)得到反馈信号；

—驱动控制部分

包括交流伺服电机驱动控制通路、压电驱动器驱动控制通路及形状记忆合金丝驱动控制通路；

所述交流伺服电机驱动控制通路包括交流伺服电机(2)，所述交流伺服电机采用速度控制或者位置控制的方式与运动控制器(20)相互连接，所述交流伺服电机(2)的输出轴通过联轴器(3)连接到谐波齿轮减速器(4)的输入轴，用于驱动柔性铰接梁的转动，所述运动控制器(20)与计算机(21)相互连接；

所述压电驱动器驱动控制通路包括压电陶瓷片驱动器(7)，所述压电陶瓷片驱动器安装在柔性铰接梁上，所述计算机(21)得到振动信号，运算后产生反馈信号，所述反馈信号由运动控制器的DA输出模块I(15)输出，经过压电片放大电路(14)放大信号，输出到压电陶瓷片驱动器，从而达到抑制柔性铰接梁弯曲振动的目的；

所述形状记忆合金丝驱动控制通路包括形状记忆合金丝(11)，所述形状记忆合金丝(11)安装在柔性铰接梁上，预拉伸后，两端分别固定在柔性梁Ⅰ及柔性梁Ⅱ上，所述形状记忆合金丝(11)在柔性铰接梁长度方向上跨过铰链，并接出驱动导线；

将采集到的振动信号输入计算机(21)作相应的处理，得到反馈信号，该反馈信号由运动控制器(20)的DA输出模块II(19)输出，经过SMA驱动器(18)将输入的电流放大，输出到形状记忆合金丝(11)，用于分时控制形状记忆合金丝(11)的变形恢复，从而达到控制柔性铰接梁弯曲振动的作用。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压电陶瓷片驱动器具体由4片压电陶瓷片构成，分别在柔性梁Ⅰ的正反两面对称粘帖，每面各两片，并联连接；

所述压电陶瓷片传感器为1片，安装在柔性梁Ⅰ正面的中心线上，且位于两片压电陶瓷片驱动器之间。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加速度传感器(13)安装在柔性铰接梁自由端的中心线上。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述形状记忆合金丝具体为偶数根，对称分布在柔性铰接梁的正反面。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述DA输出模块I(5)、DA输出模块II(19)和AD采样模块(23)均集成在与运动控制器配套使用的端子板(17)上。

6.根据权利要求1-5任一项所述装置进行旋转柔性铰接梁的振动测量控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步利用压电陶瓷片传感器(8)和加速度传感器(13)检测到柔性铰接梁的弯曲振动信号；

第二步将采集到的弯曲振动信号经过电荷放大器(22)放大，通过AD采样模块(23)传输到运动控制器，然后输入到计算机(21)处理；

第三步计算机(21)对弯曲振动信号进行控制算法运算得到反馈信号，反馈信号经运动控制器(20)发送到交流伺服电机(2)、压电陶瓷片驱动器(7)及形状记忆合金丝(11)，达到抑制柔性铰接梁弯曲振动的目的。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，该控制方法为单一通道SISO系统检测控制或为多通道MIMO系统检测控制，柔性铰接梁振动控制采用压电驱动器驱动主动控制、形状记忆合金丝(11)主动控制及交流伺服电机(2)驱动主动控制的任意两组组合或三组组合控制。