CN104571173B - 基于丝杆驱动的双移动压电铰接柔性梁振动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于丝杆驱动的双移动压电铰接柔性梁振动控制装置，包括铰接柔性梁本体部分、丝杆传动部分、弯曲振动信号检测部分及弯曲振动驱动控制部分，双移动压电铰接柔性梁结构由第一、第二及第三柔性梁构成，通过铰链连接，两端自由，中心固定连接在移动滑块上；使用压电传感器或者加速度传感器检测柔性梁结构的弯曲振动信号；基于伺服电机带动的丝杆驱动以及压电片驱动器作为抑制振动的作动器。该基于丝杆驱动的双移动压电铰接柔性梁振动控制装置，很好地体现了系统的刚柔耦合特性，可以用于模拟空间航天器太阳能帆板在变轨过程中的振动测试和控制情况。

Description

基于丝杆驱动的双移动压电铰接柔性梁振动控制装置

技术领域

本发明涉及柔性机器人领域，特别涉及基于丝杆驱动的双移动压电铰接柔性梁振动控制装置。

背景技术

柔性结构应用在航天领域以及工业生产，相对于刚性结构，具有质量轻、能耗低、效率高、操作灵活等优点，但柔性结构的刚度低、柔性大等特点将产生振动问题，影响控制精度。近年来，柔性结构的振动主动控制就成为当今世界普遍关注而富有挑战性的重要课题。

采用压电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。

对应航天结构中的帆梁，基本上是中心浮动本体，带有两翼柔性铰接结构，在航天器变轨的过程中，太阳能帆梁容易引起同向对称的振动。

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丝杆驱动的双移动压电铰接柔性梁振动控制装置。

本发明采用如下技术方案：

一种基于丝杆驱动的双移动压电铰接柔性梁振动控制装置，包括铰接柔性梁本体部分、丝杆传动部分、弯曲振动信号检测部分及弯曲振动驱动控制部分；

所述铰接柔性梁本体部分包括第一柔性梁、第二柔性梁及第三柔性梁，所述第一柔性梁通过第一铰链与第二柔性梁固定，所述第二柔性梁通过第二铰链与第三柔性梁固定，所述第二柔性梁的中心由机械夹紧装置固定在滑块上，所述滑块沿滑动导轨移动；

所述弯曲振动信号检测部分包括压电传感器、加速度传感器、端子板、固高运动控制器、计算机及电荷放大器，所述压电传感器及加速度传感器粘贴在铰接柔性梁本体部分上，所述压电传感器及加速度传感器检测到振动信号后传输到电荷放大器，所述电荷放大器将振动信号传输给端子板，所述端子板与固高运动控制器相互连接，所述固高运动控制器与计算机相互连接；

所述弯曲振动驱动控制部分包括压电片驱动器及压电片放大电路，所述压电片驱动器粘贴在第二柔性梁上，所述计算机得到控制信号通过固高运动控制器及端子板传输给压电片放大电路，所述压电片放大电路与压电片驱动器连接；

所述丝杆传动部分包括伺服电机、丝杆及电机伺服放大器，所述伺服电机通过联轴器与丝杆连接，所述滑块与丝杆连接，所述电机伺服放大器通过端子板及固高运动控制器接收计算机的控制信号，所述电机伺服放大器驱动伺服电机转动。

所述压电驱动器具体包括八片压电陶瓷片，分别粘贴在第二柔性梁中线两侧的正反面，每面各两片，对称粘帖，并联连接；

所述压电传感器包括两片压电陶瓷片，分别位于第二柔性梁中线两侧，单面粘贴，且位于长度方向的中线上。

所述加速度传感器具体包括两个，分别为第一、第二加速度传感器，所述第一、第二加速度传感器分别位于第一、第三柔性梁的自由端，且位于第一、第三柔性梁长度方向的中线处。

本发明的有益效果：

本发明使得柔性梁结构在较大的直线范围内运动,并使之在较大的工作空间上实现稳定、准确、快速的到达预设定的定位及指向，并快速抑制振动；为模拟航天器太阳能帆梁在变轨过程中柔性梁结构的振动测量和控制提供研究平台。

附图说明

图1是本发明基于丝杆驱动的双移动压电铰接柔性梁振动控制装置的总体结构示意图；

图2是双移动压电铰接柔性梁的局部示意图；

图3是基于丝杆驱动的双移动压电铰接梁振动控制的流程框图。

图中示出：

1-伺服电机，2-联轴器，3-电机固定座，4-底座，5-滑动导轨，6-滑块，7-机械夹紧装置，8-丝杆，9-第一加速度传感器，10-第一柔性梁，11-第一铰链，12-压电传感器，13-压电驱动器，16-第二柔性梁，17-第二铰链，18-第三柔性梁，19-第二加速度传感器。

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2所示，一种基于丝杆驱动的双移动压电铰接柔性梁振动控制装置，包括铰接柔性梁本体部分、丝杆传动部分、弯曲振动信号检测部分及弯曲振动驱动控制部分；

所述铰接柔性梁本体部分包括第一柔性梁10、第二柔性梁17及第三柔性梁18，所述第一柔性梁10通过第一铰链11与第二柔性梁16固定，所述第二柔性梁16通过第二铰链17与第三柔性梁18固定，所述第二柔性梁16的中心由机械夹紧装置7固定在滑块6上，所述滑块6沿滑动导轨5移动，所述滑动导轨安装在底座4上，所述铰接柔性梁本体可以随着滑块6沿滑动导轨5纵向移动，所述滑块6通过滚珠丝杆螺母副与丝杆8连接，丝杆8的转动转化为滑块的移动，从而使得滑块纵向直线移动，伺服电机1固定在电机固定座3上，通过联轴器2与丝杆连接，形成基于电机驱动的丝杆传动装置。

所述压电驱动器13及压电传感器12粘贴在第二柔性梁上，所述压电驱动器13由八片压电陶瓷片构成，粘贴在第二柔性梁中线的两侧正反面，具体是机械夹紧装置的两侧，双面粘贴，每面2片，对称粘贴，并联连接，距离中心线15mm，距离柔性梁宽度方向上下边沿30mm，用于抑制振动。

压电传感器12由两片压电陶瓷片构成，分别粘贴在第二柔性梁16中线两侧，单面粘贴，距离中心线70mm位置处，且位于第二柔性梁长度方向中线；

加速度传感器具体为2个，第一、第二加速度传感器9、19通过螺钉螺母分别安装在第一及第三柔性梁的自由端，且位于长度方向的中线处。

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。

信号检测部分，在本装置中可以通过两种方案用于柔性梁弯曲振动的检测。一种压电传感器12测量双移动压电铰接柔性梁的弯曲振动信号，另一种是第一、第二加速度传感器9、19测量双移动压电铰接柔性梁的弯曲振动信号，采集的弯曲振动信号经过电荷放大器放大，进入到固高运动控制器端子板的AD采样模块，再由固高运动控制器处理后输入到计算机。在信号检测中使用到的电荷放大器型号为YE 5800，可以将较弱的输入电信号放到幅值为-10V～+10V的电压信号。

弯曲振动驱动控制部分

将采集到振动信号输入到计算机作相应的处理，运行主动控制算法，控制信号由固高运动控制器通过端子板的DA输出模块输出，一路经过压电片放大电路放大信号，输出到压电驱动器13，即8片压电陶瓷片，致使压电陶瓷片变形从而达到抑制弯曲振动的目的；另一路通过电机伺服放大器作用在伺服电机上，用于控制交流伺服电机的正反转以及速度大小，通过联轴器2的连接，伺服电机的转动传递到滚珠丝杆，从而控制滑块的纵向移动，达到对双移动压电铰接柔性梁自由端弯曲振动的共同抑制；

压电片放大电路可选用型号为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。

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，将伺服电机通过联轴器连接到丝杆上。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∑-II系列伺服单元型号为SGDM-04ADAR，通过电机伺服单元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。

柔性梁采用环氧树脂材料，弹性模量和密度分别为E_b＝34.64GPa，ρ_b＝1840kg/m³，第一、第二、第三柔性梁的宽度和厚度均为：宽度b₁＝120mm，厚度h_b＝1.78mm，长度分别为L₁＝420mm，L₂＝550mm,L₂＝420mm；第一、第二铰链以两块长宽为100mmX20mm的环氧树脂板简化，通过螺栓连接将第一、第二柔性梁分别与第三柔性梁固定铰接固定，中间的缝隙为20mm；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E_pe＝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。

如图3所示，本装置的工作过程为：

第一步利用压电传感器12或者加速度传感器检测到双移动压电铰接柔性梁两自由端的弯曲振动信号；

第二步将第一步采集的测量信号经过电荷放大器放大，由固高运动控制器的AD采样模块进行模数转换后，得到数字信号传输到固高运动控制器处理，输入到计算机处理；计算机采用如下方式进行处理：

a.根据反馈信号运行控制算法，计算得出振动控制的控制信号，由固高运动控制器的模拟量输出模块输出到伺服放大器，用于控制交流伺服电机的正反转以及速度控制，通过滚珠丝杆控制滑块的纵向移动，从而达到抑制双移动压电铰接柔性梁的弯曲振动；

b.根据反馈信号运行控制算法，计算得出振动控制的控制信号，由固高运动控制器的模拟量输出模块输出到压电片放大电路，作用在压电片驱动器上，从而达到抑制双移动压电铰接柔性梁的弯曲振动；

该装置用于模拟航天器太阳能帆板在变轨过程中引起的柔性梁的振动情况，振动的特点为：双移动压电铰接柔性梁两自由端的振动是对称的，滑块的直线移动可同时用于定位和振动抑制。

所述的基于丝杆驱动的双移动压电铰接柔性梁振动控制装置，其检测和控制方法为多通道的检测和控制，双移动压电铰接第一、第二及第三柔性梁的振动可以分别采用压电传感器或者加速度传感器检测；双移动压电铰接柔性梁的弯曲振动可以分别采用压电片驱动器抑制，也可以采用基于电机驱动的丝杆滑块副的伺服动作同时实现位置定位和振动控制。

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。

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 (3)

1.一种基于丝杆驱动的双移动压电铰接柔性梁振动控制装置，其特征在于，包括铰接柔性梁本体部分、丝杆传动部分、弯曲振动信号检测部分及弯曲振动驱动控制部分；

所述铰接柔性梁本体部分包括第一柔性梁、第二柔性梁及第三柔性梁，所述第一柔性梁通过第一铰链与第二柔性梁固定，所述第二柔性梁通过第二铰链与第三柔性梁固定，所述第二柔性梁的中心由机械夹紧装置固定在滑块上，所述滑块沿滑动导轨移动；

所述弯曲振动信号检测部分包括压电传感器、加速度传感器、端子板、固高运动控制器、计算机及电荷放大器，所述压电传感器及加速度传感器粘贴在铰接柔性梁本体部分上，所述压电传感器及加速度传感器检测到振动信号后传输到电荷放大器，所述电荷放大器将振动信号传输给端子板，所述端子板与固高运动控制器相互连接，所述固高运动控制器与计算机相互连接；

所述弯曲振动驱动控制部分包括压电片驱动器及压电片放大电路，所述压电片驱动器粘贴在第二柔性梁上，所述计算机得到控制信号通过固高运动控制器及端子板传输给压电片放大电路，所述压电片放大电路与压电片驱动器连接；

所述丝杆传动部分包括伺服电机、丝杆及电机伺服放大器，所述伺服电机通过联轴器与丝杆连接，所述滑块与丝杆连接，所述电机伺服放大器通过端子板及固高运动控制器接收计算机的控制信号，所述电机伺服放大器驱动伺服电机转动。

2.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述压电片驱动器具体包括八片压电陶瓷片，分别粘贴在第二柔性梁中线两侧的正反面，每面各两片，对称粘贴，并联连接；

所述压电传感器包括两片压电陶瓷片，分别位于第二柔性梁中线两侧，单面粘贴，且位于长度方向的中线上。

3.根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于，所述加速度传感器具体包括两个，分别为第一、第二加速度传感器，所述第一、第二加速度传感器分别位于第一、第三柔性梁的自由端，且位于第一、第三柔性梁长度方向的中线处。