CN104565191A - 基于行星减速器驱动摆动双智能柔性梁装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于行星减速器驱动摆动双智能柔性梁装置，包括柔性梁体部分、振动检测部分及驱动控制部分，所述柔性梁体部分包括双柔性量，双柔性梁一端为自由端，另一端为固定端，双梁的固定端固定在行星减速器的输出轴上，使其可以在水平面内转动，双梁靠近固定端粘贴有压电传感器及压电驱动器，计算机接收到压电传感器的振动信号后，输出控制信号到伺服电机及压电驱动器，用于双梁水平面内的转动控制。

Description

基于行星减速器驱动摆动双智能柔性梁装置

技术领域

本发明涉及大型旋转柔性结构的定位和振动控制领域，特别涉及基于行星减速器驱动摆动双智能柔性梁装置。

背景技术

伺服电机驱动技术与其他传动和控制方式相比，有如下优点：控制精度高，调速范围宽、动态特性好，操作简便，编程容易，能实现定位伺服；响应快、易与CPU相接，体积小、动力较大，无污染；与气压驱动相比，伺服电机驱动技术能大大提高传动和控制的精度，电机体积小，动作平稳，更适用于远距离传输，工作噪声较小；与液压驱动相比，液压驱动难以小型化，液压源或液压油要求(杂质、温度、油量、质量)严格，易泄漏且有污染，伺服电机驱动技术可以在恶劣的环境下工作，且无污染。

伺服电机驱动技术往往采用减速器实现输出速度转换。行星减速器作为常用的减速器，具有明显的间隙特性和复杂的摩擦特性。这些特性将影响伺服电机控制的精度，甚至降低被控对象的稳定性。同时，伺服电机驱动过程中，会产生较大的颤振现象，影响控制效果。这些由伺服电机驱动技术产生的影响仍然是世界普遍关注和需要解决的课题。

柔性结构具有大挠度、低刚度、低阻尼等物理特性，相对于刚性结构，具有质量轻、能耗低、效率高等优点。但柔性结构受到某种外部激励时，振动将会持续较长时间。长时间的振动不但会影响系统的正常工作和系统性能，而且有可能引起构件的疲劳破坏，影响其使用寿命。针对旋转柔性梁系统设计控制装置，使结构振动得到快速抑制具有重要研究意义。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于行星减速器驱动摆动双智能柔性梁装置。

本发明充分考虑了行星减速器的间隙特性和摩擦特性、双梁的强耦合作用的影响。

本发明采用如下技术方案：

一种基于行星减速器驱动摆动双智能柔性梁装置，包括柔性梁本体部分、振动检测部分及驱动控制部分；

所述柔性梁本体部分包括：

第一柔性梁，其一端为自由端，另一端为固定端；

第二柔性梁，其一端为自由端、另一端为固定端；

所述第一柔性梁及第二柔性梁平行放置；

压电驱动器及压电传感器粘贴在第一、第二柔性梁的固定端；

振动检测部分包括：

所述压电传感器检测柔性梁的振动信号通过电荷放大器传输到端子板，所述端子板与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡与计算机相互连接；

所述驱动控制部分包括行星减速器、伺服电机、伺服电机驱动器及电压放大电路，所述计算机产生控制信号通过运动控制卡及端子板的两个通道传输到电压放大电路及伺服电机驱动器，所述电压放大电路与压电驱动器连接，所述伺服电机驱动器与伺服电机连接，所述伺服电机与行星减速器进行驱动连接，所述第一、第二柔性梁的固定端安装在行星减速器的输出轴上。

所述压电驱动器具体为2个，分别为第一驱动器及第二驱动器，所述第一、第二驱动器均由四片压电片构成，分别对称粘贴在第一柔性梁及第二柔性梁固定端的正反两面，每面2片且并联连接；所述压电传感器由两片压电片构成，分别粘贴在第一、第二柔性梁固定端宽度方向的中间位置。

还包括两块质量块，分别位于第一、第二柔性梁的自由端宽度方向的中线处。

还包括固定支架及底座，所述固定支架安装在底座上，所述行星减速器安装在固定支架上。

本发明的有益效果：

(1)采用伺服电机和压电驱动器复合驱动双柔性梁结构，既可以使得双柔性梁在水平面内实现梁的定位及指向，又可以通过伺服电机转动和压电陶瓷驱动器实现梁的振动抑制。

(2)本装置的驱动减速部分采用了行星减速器，相比于谐波减速器，它具有传动速比大、承载能力高、传动精度高、传动效率高、结构简单、零件数少、体积小、安装方便等优点。

(3)实验装置考虑了行星减速器存在的间隙特性、摩擦特性等非线性特性，以及伺服电机控制存在的颤振现象，能更好的分析模型存在的间隙特性、摩擦特性、时延特性和时变特性，为控制方法的实现提供良好的硬件条件。

(4)本装置是一个多通道的输入—输出的检测和控制系统，而且既有各控制之间相互耦合，又有各输出量的相互耦合，既有伺服电机驱动控制，还有压电驱动控制，利用该装置可以很好地模拟复杂柔性结构的刚柔耦合振动控制研究。

附图说明

图1是本发明行星减速器驱动摆动双智能梁装置的总体结构示意图；

图2是本发明行星减速器驱动摆动双智能梁装置的主视图；

图3是本发明行星减速器驱动摆动双智能梁装置的左视图；

图4是本发明行星减速器驱动摆动双智能梁装置的右视图；

图5是本发明行星减速器驱动摆动双智能梁装置的俯视图；

图6是本发明摆动双智能梁同相振动的示意图；

图7是本发明摆动双智能梁反相振动的示意图。

图中示出：

1-第一集中质量块，2-第一柔性梁，3-第一压电传感器，4-第一压电驱动器，5-夹板，6-第二压电驱动器，7-第二压电传感器，8-第二柔性梁，9-第二集中质量块，10-固定支架，11-轮彀，12-行星减速器，13-伺服电机，14-底座。

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-图5所示，一种基于行星减速器驱动摆动双智能柔性梁装置，包括

第一柔性梁2，其一端为自由端，另一端为固定端；第二柔性梁8，其一端为自由端、另一端为固定端，所述第一、第二柔性梁的固定端通过轮彀11和夹板5安装在行星减速器12的输出轴上，使得第一柔性梁2及第二柔性梁8可以绕行星减速器12的输出轴做水平旋转，所述行星减速器12固定在固定支架10上，所述固定支架10安装在底座14上，使得其输出轴可以绕垂直轴线转动，行星减速器12和伺服电机13进行驱动连接，伺服电机驱动器将计算机发出的控制信号转化为驱动伺服电机的信号，驱动伺服电机13输出轴旋转，转动量经由行星减速器12减速，驱动双柔性梁转动；

所述压电传感器包括第一压电传感器3及第二压电传感器7，所述第一、第二压电传感器均由一片压电片构成，分别粘贴在第一、第二柔性梁靠近固定端宽度方向的中间位置，用于检测柔性梁振动信号。

所述压电驱动器包括第一压电驱动器4及第二压电驱动器6，所述第一、第二压电驱动器均由四片压电片构成，分别对称粘贴在第一柔性梁及第二柔性梁固定端的正反两面，每面2片且并联连接。

集中质量块包括两个，具体为第一、第二集中质量块1、9，分别安装在第一柔性梁及第二柔性梁的自由端宽度方向的中间处，所述第一、第二集中质量块1、9的作用是降低柔性梁的各阶固有频率，降低对控制器可控频率范围的要求，同时降低信号采集速度的要求，质量块不位于中线处，可能激励起梁少量的扭转振动，影响装置的控制效果。

本装置中，第一、第二压电传感器3、7检测第一、第二柔性梁2、8的振动，然后通过电荷放大器后，再经由端子板的A/D转换模块输入运动控制卡，然后输入到计算机产生控制信号。所述控制信号经由运动控制卡后通过端子板的D/A转换模块的两个通道分别输出到伺服驱动器及电压放大电路中，所述伺服电机驱动器驱动伺服电机转动，电压放大电路将信号传输到第一、第二压电驱动器中，从而控制第一、第二柔性梁的转动。

本装置是一个多输入多输出的系统，系统的控制目的是使得第一柔性梁和第二柔性梁准确、快速、稳定的到达预设定的指向工作位置，并且抑制第一柔性梁和第二柔性梁的振动，双柔性梁可以分别采用压电驱动器抑制，也可采用伺服电机的伺服动作实现转角定位和振动控制。

本装置中的行星减速器具有间隙特性和摩擦特性，具体表现在伺服电机的输出轴转角和行星减速器输出轴转角之间满足间隙曲线关系。行星减速器的间隙特性使得第一、第二柔性梁之间产生耦合作用。

电荷放大器可选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器，共2只，其中一只用于放大第一压电传感器检测的电荷信号。另一只用于放大第二压电传感器检测的电荷信号，经过电荷放大器放大后分别得到输出电压范围在-10V～+10V的模拟信号。

选用的计算机的CPU型号为Pentium G6202.6GHz，内存4G；运动控制卡选用深圳固高公司生产的型号为GTS-400-PGV，该运动控制卡具有4路模拟量输出通道，8路模拟量输出通道，以及4路编码器输入通道，运动控制卡与计算机通过PCI接口连接和通信，实现数据的传输的数模转换。端子板和运动控制卡配套使用，端子板需电压为+24V的直流电源供电，端子板内置的A/D转换模块和D/A转换模块支持电压范围在-10V～+10V的模拟量输出和模拟量输入。

电压放大电路可选用型号为APEX-PA240CX或APEX-PA241DW放大器，其研制单位为华南理工大学(在中国专利申请的名称为“太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置与方法”，申请号为200810027186.4的专利中有详细介绍)。放大倍数可达到52倍，即将-5V～+5V放大到-260V～+260V。

本实例中，第一柔性梁和第二柔性梁选用的材料为环氧树脂，第一柔性梁和第二柔性梁悬臂部分的尺寸均为800mm×100mm×2mm，环氧树脂的弹性模量为E_pe＝34.64GPa，密度为ρ＝1840kg/m³。第一压电传感器、第二压电传感器的压电陶瓷片尺寸为30mm×10mm×1mm。第一压电片驱动器、第二压电片驱动器的压电陶瓷片尺寸为50mm×15mm×1mm，压电陶瓷材料的弹性模量为E_pe＝63GPa，密度为ρ＝7650kg/m³，d₃₁＝-166pm/V；第一集中质量块、第二集中质量块可选用质量为36g的圆柱形钢制质量块；

本实例中，双柔性梁由夹板5和轮毂11夹紧的部分尺寸为50mm×100mm×2mm。

本实例所使用的行星减速器存在较大的齿轮间隙，输入轴和输出轴之间存在间隙特性，当行星减速器的输入轴转向时，将存在一段驱动空置区，该特性将造成欠驱动和输出震荡现象，间隙的存在将加大系统的时滞量，造成系统不稳定。同时，间隙特性将加剧各控制输入、各振动输出之间的耦合作用。

本实施例中，伺服电机选用日本三菱电机公司生产的型号为HC-KSF-S43的交流伺服电机，其额定功率为400W；伺服电机内部的编码器的分辨率为40000脉冲/转；伺服电机驱动器选用同为三菱电机公司生产的配套伺服驱动器；行星减速器选用日本新宝公司生产的型号为VRSF-LB-25C-400-TYPE3的行星减速器，该减速器的减速比为1:25，齿轮间隙为15角分。

采用此方案，在控制过程中通过设计计算机人机交互界面可以实时显示实验装置的振动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。

如图6和图7所示，伺服电机和压电复合驱动双柔性智能梁装置存在以下两种振动情况：

(1)双柔性梁振动同相的情况，只采用压电驱动控制、只采用伺服电机驱动或者伺服电机和压电复合驱动均可以确保其稳定性。

(2)双柔性梁振动反相的情况，只采用压电驱动控制或者伺服电机和压电复合驱动均可以确保其稳定性。只采用电机驱动将造成第一柔性梁和第二柔性梁其中一个不稳定。该策略可以实现梁的精确定位。

双柔性梁同相振动如图6所示，反相振动情况如图7所示。

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 (4)

1.一种基于行星减速器驱动摆动双智能柔性梁装置，其特征在于，包括柔性梁本体部分、振动检测部分及驱动控制部分；

所述柔性梁本体部分包括：

第一柔性梁，其一端为自由端，另一端为固定端；

第二柔性梁，其一端为自由端、另一端为固定端；

所述第一柔性梁及第二柔性梁平行放置；

压电驱动器及压电传感器粘贴在第一、第二柔性梁的固定端；

振动检测部分包括：

所述压电传感器检测柔性梁的振动信号通过电荷放大器传输到端子板，所述端子板与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡与计算机相互连接；

所述驱动控制部分包括行星减速器、伺服电机、伺服电机驱动器及电压放大电路，所述计算机产生控制信号通过运动控制卡及端子板的两个通道传输到电压放大电路及伺服电机驱动器，所述电压放大电路与压电驱动器连接，所述伺服电机驱动器与伺服电机连接，所述伺服电机与行星减速器进行驱动连接，所述第一、第二柔性梁的固定端安装在行星减速器的输出轴上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压电驱动器具体为2个，分别为第一驱动器及第二驱动器，所述第一、第二驱动器均由四片压电片构成，分别对称粘贴在第一柔性梁及第二柔性梁固定端的正反两面，每面2片且并联连接；所述压电传感器由两片压电片构成，分别粘贴在第一、第二柔性梁固定端宽度方向的中间位置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括两块质量块，分别位于第一、第二柔性梁的自由端宽度方向的中线处。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括固定支架及底座，所述固定支架安装在底座上，所述行星减速器安装在固定支架上。