CN106314832B - 基于单轴气浮台的多柔性悬臂梁耦合振动测控装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单轴气浮台的多柔性悬臂梁耦合振动测控装置与方法，所述装置包括悬臂梁本体、支持驱动组件和控制组件；悬臂梁本体包括四根悬臂梁，四根悬臂梁均为柔性梁，每根悬臂梁上设有压电陶瓷传感器、压电陶瓷驱动器和加速度传感器；支持驱动组件包括单轴气浮台、供气回路、伺服电机和伺服电机支架，四根悬臂梁通过支架安装在单轴气浮台的支持转台上，供气回路与单轴气浮台连接，伺服电机支架与单轴气浮台的支持转台固定连接，伺服电机与伺服电机支架固定连接；控制组件分别与压电陶瓷传感器、压电陶瓷驱动器、加速度传感器、供气回路和伺服电机连接。本发明可以实现对柔性悬臂梁的弯曲振动模态进行实时准确的检测并且加以控制。

Description

基于单轴气浮台的多柔性悬臂梁耦合振动测控装置与方法

技术领域

本发明涉及一种振动检测装置与方法，尤其是一种基于单轴气浮台的多柔性悬臂梁耦合振动测控装置与方法，属于悬臂梁的耦合振动检测与控制领域。

背景技术

近年来航天器结构正朝着一个大型化、低刚度和柔性化的趋势飞速发展。柔性结构轻量化的特点可以增加有效载荷的重量，提高运载效率；大型结构可以增加空间结构功能，使得航天器的设计和制造更加灵活。然而与此同时航天器的能量需求也越来越大，需要的太阳能电池板也越多，太阳能帆板的面积也就越来越大。而且太阳能帆板结构通常采用轻质材料制造以减少结构重量，从而降低发射成本。这种巨大而单薄的柔性结构，其模态阻尼很小，振动的低阶模态频率很低，在无外阻的太空失重环境中运行时，极易受到诸如宇宙风、微粒子流等外部扰动以及航天器变轨、帆板伸缩等自身激励而产生长时间的低频大幅值振动。如果没有采用恰当的控制方法对太阳能帆板的振动进行抑制，将会给航天器的在轨运行带来诸多问题，如影响航天器的姿态稳定度和指向精度，缩短航天器寿命，甚至造成太阳能帆板结构的破坏，使航天器失效等等。为了保证柔性结构及其上各种精密仪器的正常工作，必须对其低频模态振动进行检测，分析振动特性并且加以控制。

现有技术中，研究模拟太阳能帆板结构的弯曲模态振动控制，一般忽略连接铰链对刚度产生的影响，将太阳能帆板简化成悬臂梁结构，采用加速度传感器、压电陶瓷片和角速度陀螺仪等接触式测量传感器，通过优化配置来进行振动检测。加速度传感器质量小，易安装，并且频带较宽，利用加速度传感器反馈控制可在较宽频带范围增加系统的主动阻尼，增强鲁棒性并抑制挠性结构的振动。由于加速度传感器含有大量的高频噪声信号，因此要进行滤波处理。压电陶瓷材料具有响应快、频带宽、线性度好、容易加工等优点，可以利用其优良的机电耦合效应作为应力-应变传感器对悬臂梁的弯曲振动信号进行动态测量，同时压电陶瓷片本身体积小、重量轻的特点使其不会对悬臂梁的质量和刚度等结构特性产生较大影响。

为了模拟太空中无外阻的悬浮状态，可以考虑利用单轴气浮台作为整个实验平台的支撑，以消除外界摩擦力的影响；为了实现刚体运动基的旋转驱动，以模拟航天飞行器的机动并激发悬臂梁的振动，可以考虑将伺服电机安装在气浮工作台上使其成为一个整体，利用伺服电机带动飞轮旋转使得气浮工作台向反方向旋转。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种基于单轴气浮台的多柔性悬臂梁耦合振动测控装置，该装置结构简单，便于进行搭建和实施实验，可以实现对柔性悬臂梁的弯曲振动模态进行实时准确的检测并且加以控制。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述装置的多柔性悬臂梁耦合振动测控方法，该方法能够弥补现有实验方法的缺陷，浮动耦合多柔性梁的振动检测和控制更为接近实际情况。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于单轴气浮台的多柔性悬臂梁耦合振动测控装置，包括悬臂梁本体、支持驱动组件和控制组件；

所述悬臂梁本体包括四根悬臂梁，所述四根悬臂梁均为柔性梁；四根悬臂梁的一端通过同一支架固定，该端为固定端，另一端为自由端，四根悬臂梁以支架为转轴中心，沿周向呈90度均布；每根悬臂梁上设有压电陶瓷传感器、压电陶瓷驱动器和加速度传感器；

所述支持驱动组件包括单轴气浮台、供气回路、伺服电机和伺服电机支架，所述四根悬臂梁通过支架安装在单轴气浮台的支持转台上；所述供气回路与单轴气浮台连接，用于向单轴气浮台供气；所述伺服电机支架与单轴气浮台的支持转台固定连接，所述伺服电机带有光电编码器，并与伺服电机支架固定连接，用于通过伺服电机支架带动单轴气浮台的支持转台旋转；

所述控制组件分别与压电陶瓷传感器、压电陶瓷驱动器、加速度传感器、供气回路和伺服电机连接。

作为一种优选方案，所述四根悬臂梁分别为第一单悬臂梁、第二单悬臂梁、第一铰接悬臂梁和第二铰接悬臂梁，所述第一单悬臂梁和第二单悬臂梁均由一根柔性梁组成，所述第一铰接悬臂梁和第二铰接悬臂梁均由内、外两根柔性梁铰接而成；所述第一单悬臂梁与第一铰接悬臂梁处于同一平面且对立分布在支架两侧，所述第二单悬臂梁与第二铰接悬臂梁处于同一平面且对立分布在支架两侧，形成了第一单悬臂梁、第二单悬臂梁、第一铰接悬臂梁和第二铰接悬臂梁以支架为转轴中心，沿周向呈90度均布的配置。

作为一种优选方案，所述第一单悬臂梁和第二单悬臂梁上，在横向中心线且距离固定端较近的位置上，前、后两面各粘贴有一片压电陶瓷传感器，压电陶瓷传感器的姿态角为0度；在靠近固定端根部的位置上，前、后两面对称粘贴有两片压电陶瓷驱动器，每一面的两片压电陶瓷驱动器关于横向中心线对称，且姿态角为0度；在自由端边缘的横向中心线上安装有一个加速度传感器；

所述第一铰接悬臂梁和第二铰接悬臂梁上，在内柔性梁的横向中心线且距离固定端较近的位置上，前、后两面各粘贴有一片压电陶瓷传感器，在外柔性梁的横向中心线且靠近铰链的位置上，前、后两面各粘贴有一片压电陶瓷传感器，压电陶瓷传感器的姿态角为0度；在靠近固定端根部的位置上，前、后两面对称粘贴有两片压电陶瓷驱动器，每一面的两片压电陶瓷驱动器关于横向中心线对称，且姿态角为0度；在自由端边缘的横向中心线上安装有一个加速度传感器。

作为一种优选方案，所述供气回路由气泵、气动三联件和二位三通阀组成，所述气动三联件分别与气泵和二位三通阀连接，所述二位三通阀与单轴气浮台连接；所述气动三联件由空气过滤器、减压阀和油雾分离器组装在一起，并带有一个压力表。

作为一种优选方案，所述控制组件包括计算机、运动控制卡、开关阀驱动电路、压电放大电路、电荷放大器和电机伺服单元，所述计算机通过运动控制卡分别与开关阀驱动电路、压电放大电路、电荷放大器和电机伺服单元连接，所述开关阀驱动电路与二位三通阀连接，所述压电放大电路与压电陶瓷驱动器连接，所述电荷放大器分别与压电陶瓷传感器、加速度传感器连接，所述电机伺服单元与伺服电机连接；

计算机根据需要发出相应的开关控制信号，通过运动控制卡内部的I/O模块向开关阀驱动电路输入控制信号，开关阀驱动电路驱动二位三通阀的工位切换，从而控制供气回路的开关，使单轴气浮台的支持转台浮起；

伺服电机的光电编码器将伺服电机的转动信息反馈给电机伺服单元，电机伺服单元通过运动控制卡传输给计算机，计算机根据反馈信息发出相应控制参数，通过运动控制卡传输给电机伺服单元，电机伺服单元驱动伺服电机转动，从而带动单轴气浮台的支持转台旋转；

压电陶瓷传感器和加速度传感器检测所在悬臂梁的弯曲振动，将检测到的振动信号转化为模拟电信号输出，经过电荷放大器放大后，通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟电信号按比例转换成数字信号输入到计算机中，计算机处理后将控制信号经由运动控制卡内部的D/A输出模块输出，经过压电放大电路放大信号，输出到压电陶瓷驱动器中进行响应，以抑制悬臂梁的弯曲振动。

作为一种优选方案，所述伺服电机支架上设有行星减速器和飞轮，所述伺服电机通过行星减速器的法兰盘与伺服电机支架固定连接，且伺服电机的输出轴与单轴气浮台的支持转台主轴同轴，所述飞轮与行星减速器的法兰盘固定连接。

作为一种优选方案，所述单轴气浮台包括空气静压轴承和支持转台；供气回路向单轴气浮台供应加压气体，再经由单轴气浮台向空气静压轴承表面喷射加压气体，使支持转台主轴悬浮在空气静压轴承的轴承套中。

作为一种优选方案，所述单轴气浮台设置在一底座上。

作为一种优选方案，所述底座的底部具有四个支撑脚，每两个相邻的支撑脚之间安装一横向支架。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

基于上述装置的多柔性悬臂梁耦合振动测控方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、压电陶瓷传感器和加速度传感器检测所在悬臂梁的弯曲振动，将检测到的振动信号转化为模拟电信号输出；

步骤二、采集到的模拟电信号经过电荷放大器放大，通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟电信号转换为数字信号输入到计算机中，计算机运行相应的主动控制算法对数字信号进行处理，得到相应的弯曲振动反馈信号；

步骤三、所得到的弯曲振动反馈信号经由运动控制卡内部的D/A输出模块输出，经过压电放大电路放大信号，输出到压电陶瓷驱动器中进行响应，以抑制悬臂梁的弯曲振动；

步骤四、通过控制伺服电机的正反转以重复上述步骤进行实验，获取多次实验的结果。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的测控装置基于单轴气浮台搭建，其结构简单，便于进行搭建和实施实验，通过巧妙的机械结构设计，将总计四根柔性悬臂梁合理地实现了以支架为转轴中心的沿周向呈90度均布的配置，且不与伺服电机支架发生干涉，有利于消除偏心对振动过程和测量结果的影响，提高实验的精度，并且每根悬臂梁上设有压电陶瓷传感器、压电陶瓷驱动器和加速度传感器，使用压电陶瓷传感器和加速度传感器相结合的测量方法对柔性悬臂梁的弯曲振动模态进行检测，根据检测信号对压电陶瓷驱动器进行响应，以实现对悬臂梁结构的弯曲振动主动抑制的目的。

2、本发明的测控装置使用了单悬臂梁和铰接悬臂梁整合配置的方法，通过对两种结构特性略有不同的悬臂梁的振动实验结果进行分析和对比，以及对两者耦合振动模态的观察和检测，可以更好地分析铰接对悬臂梁结构特性的影响。

3、本发明的测控装置利用供气回路向单轴气浮台供应加压气体，再经由单轴气浮台向空气静压轴承表面喷射加压气体，在空气静压轴承和支持转台之间形成一层很薄的压力气膜，使支持转台主轴悬浮在空气静压轴承的轴承套中，从而让支持转台处于无摩擦悬浮状态，消除了外界阻尼对系统的干扰，从而模拟太空中的无阻尼漂浮环境，有利于得到更为吻合实际情况的实验数据。

4、本发明的测控装置使用伺服电机来驱动单轴气浮台的支持转台旋转，以及使柔性悬臂梁振动，也就是说将电机驱动部分整合进了整个气浮台系统中，相较于直接用外力激励悬臂梁振动的方法，这种方式能更好地模拟航天器的机动，及其激起的悬臂梁的振动，有利于实验数据的获取。

附图说明

图1为本发明实施例1的多柔性悬臂梁耦合振动测控装置总体结构示意图。

图2为本发明实施例1的多柔性悬臂梁耦合振动测控装置中单轴气浮台与四根悬臂梁的结构关系示意图。

图3为本发明实施例1的多柔性悬臂梁耦合振动测控装置的主视图。

图4为本发明实施例1的多柔性悬臂梁耦合振动测控装置的俯视图。

其中，1-第一单悬臂梁，2-第二单悬臂梁，3-第一铰接悬臂梁，4-第二铰接悬臂梁，5-支架，6-压电陶瓷传感器，7-压电陶瓷驱动器，8-加速度传感器，9-单轴气浮台，10-伺服电机，11-伺服电机支架，12-底座，13-支撑脚，14-横向支架，15-气泵，16-气动三联件，17-二位三通阀，18-行星减速器，19-飞轮，20-计算机，21-运动控制卡，22-开关阀驱动电路，23-压电放大电路，24-电荷放大器，25-电机伺服单元。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1～图4所示，本实施例提供了一种多柔性悬臂梁耦合振动测控装置，该装置包括悬臂梁本体、支持驱动组件和控制组件，图1中的虚线连接示出了各个设备之间的连接关系，方向箭头表明了检测和控制信号流的传递方向，实线连接示出了气压传动中的气路连接。

所述悬臂梁本体包括四根悬臂梁，四根悬臂梁分别为第一单悬臂梁1、第二单悬臂梁2、第一铰接悬臂梁3和第二铰接悬臂梁4，所述第一单悬臂梁1和第二单悬臂梁2均由一根柔性梁组成，所述第一铰接悬臂梁3和第二铰接悬臂梁4均由内、外两根柔性梁铰接而成；第一单悬臂梁1、第二单悬臂梁2、第一铰接悬臂梁3和第二铰接悬臂梁4的一端通过同一支架5固定，该端为固定端，另一端为自由端；第一单悬臂梁1与第一铰接悬臂梁3处于同一平面且对立分布在支架5两侧，第二单悬臂梁2与第二铰接悬臂梁4处于同一平面且对立分布在支架5两侧，由此形成了第一单悬臂梁1、第二单悬臂梁2、第一铰接悬臂梁3和第二铰接悬臂梁4以支架5为转轴中心，沿周向呈90度均布的配置；

在本实施例中，第一单悬臂梁1、第二单悬臂梁2、第一铰接悬臂梁3和第二铰接悬臂梁4的材料选用环氧树脂材料薄板，其中第一单悬臂梁1和第二单悬臂梁2的几何尺寸为600mm×100mm×5mm，第一铰接悬臂梁3和第二铰接悬臂梁4的内、外柔性梁几何尺寸均为300mm×100mm×5mm，环氧树脂的弹性模量为E_p＝34.64Gpa，密度为ρ＝1840kg/m³；

所述第一单悬臂梁1和第二单悬臂梁2上，在横向中心线且距离固定端较近(距离固定端10mm-20mm处)的位置上，前、后两面各粘贴有一片压电陶瓷传感器6，压电陶瓷传感器6的姿态角为0度；在靠近固定端根部(距离固定端10mm-20mm处)的位置上，前、后两面对称粘贴有两片压电陶瓷驱动器7，每一面的两片压电陶瓷驱动器7关于横向中心线对称，且姿态角为0度；在自由端边缘的横向中心线上安装有一个加速度传感器8；

所述第一铰接悬臂梁3和第二铰接悬臂梁4上，在内柔性梁的横向中心线且距离固定端较近(距离固定端10mm-20mm处)的位置上，前、后两面各粘贴有一片压电陶瓷传感器6，在外柔性梁的横向中心线且靠近铰链(距离铰链10mm-20mm处)的位置上，前、后两面各粘贴有一片压电陶瓷传感器6，压电陶瓷传感器6的姿态角为0度；在靠近固定端根部(距离固定端10mm-20mm处)的位置上，前、后两面对称粘贴有两片压电陶瓷驱动器7，每一面的两片压电陶瓷驱动器7关于横向中心线对称，且姿态角为0度；在自由端边缘的横向中心线上安装有一个加速度传感器8；

在本实施例中，压电陶瓷传感器6和压电陶瓷驱动器7由压电陶瓷材料制成，几何尺寸为40mm×10mm×1mm，成片状粘贴在每根悬臂梁上，压电陶瓷材料的弹性模量为E_p＝63Gpa，d₃₁＝-166pm/V；加速度传感器8选用Bruel&Kjaer公司的振动传感器中的4384型压电式电荷加速计，其标称灵敏度为1.0pc/ms^-2，测量频率范围为0.1～12.6kHz，具有高灵敏度、频带宽等特点。

所述支持驱动组件包括单轴气浮台9、供气回路、伺服电机10和伺服电机支架11，所述单轴气浮台9包括空气静压轴承和支持转台，第一单悬臂梁1、第二单悬臂梁2、第一铰接悬臂梁3和第二铰接悬臂梁4通过支架5安装在单轴气浮台9的支持转台上；

所述单轴气浮台9设置在一底座12上，该底座12的底部具有四个支撑脚13，每两个相邻的支撑脚13之间安装一横向支架14，通过四个支撑脚13可以在实验时对单轴气浮台9进行支撑，横向支架14可以使四个支撑脚13更稳固；

所述供气回路用于向单轴气浮台9供气，其由气泵15、气动三联件16和二位三通阀17组成，所述气动三联件16分别与气泵15和二位三通阀17连接，所述二位三通阀17与单轴气浮台9连接；

供气回路向单轴气浮台9供应加压气体，再经由单轴气浮台9向空气静压轴承表面喷射加压气体，在空气静压轴承和支持转台之间形成一层很薄的压力气膜，使支持转台主轴悬浮在空气静压轴承的轴承套中，从而让支持转台处于无摩擦悬浮状态，即模拟太空中的无阻尼漂浮环境；

在本实施例中，气泵15可以为选用由上海捷豹压缩机制造有限公司生产的型号为FB-0.017/7的静音空气压缩机；所述气动三联件16由空气过滤器(型号为AF30-03)、减压阀(型号为AR25-03)和油雾分离器(型号为AFM30-03)组装在一起，并带有一个压力表(型号：G36-10-01)，由日本SMC气动公司生产；二位三通阀17可以选用型号为VPA342-01A-F的三通气控阀，由日本SMC气动公司生产；单轴气浮台9可以选用北京航星联合科技有限公司生产的型号为ZT-AB-D300(-H)的数控转台，外形为320mm×320mm×116mm，最大轴端径向承载为550N，最大轴向承载为1000N；底座12可以由型材500组装而成；

所述伺服电机支架11上设有行星减速器18和飞轮19，所述伺服电机支架11与单轴气浮台9的支持转台固定连接，从图1～图4中可以看到伺服电机支架11与支持转台的连接位置分别在第一单悬臂梁1和第二单悬臂梁2之间的区域、第二单悬臂梁2和第一铰接悬臂梁3之间的区域、第一铰接悬臂梁3和第二铰接悬臂梁4之间的区域、第二铰接悬臂梁4和第一单悬臂梁1之间的区域，以避免伺服电机支架11与悬臂梁相接触，导致装置不能正常工作；所述伺服电机10带有光电编码器，通过行星减速器18的法兰盘与伺服电机支架11固定连接，且伺服电机10的输出轴与单轴气浮台9的支持转台主轴同轴，所述飞轮19与行星减速器18的法兰盘固定连接，伺服电机10经由行星减速器18适当降低转速后带动飞轮19旋转，由于动量矩守恒，形成的反作用力矩将驱动单轴气浮台9的支持转台往反方向旋转，从而模拟航天器的机动，并激励四根悬臂梁的耦合振动；

在本实施例中，伺服电机10可以选用由安川伺服电机株式会社生产的型号为SGM7A-40A7A61型伺服电机，额定电压为交流220V，输出功率为4.0kW；飞轮19可以为45号碳钢制造，半径为90mm，转动惯量约为0.005kg*m²；行星减速器18可以选用纽卡特行星减速器，该纽卡特行星减速器的型号为PLE90-20，减速比为1:20。

所述控制组件包括计算机20、运动控制卡21、开关阀驱动电路22、压电放大电路23、电荷放大器24和电机伺服单元25，所述计算机20通过运动控制卡21分别与开关阀驱动电路22、压电放大电路23、电荷放大器24和电机伺服单元25连接，其中，可以选择运动控制卡21的一个通道作为电机控制通道，将伺服电机10设置好速度控制或位置控制的方式后正确连接到运动控制卡21；所述开关阀驱动电路22与二位三通阀17连接，所述压电放大电路23与压电陶瓷驱动器7连接，所述电荷放大器24分别与压电陶瓷传感器6、加速度传感器8连接，所述电机伺服单元25与伺服电机10连接；

整个控制组件的控制包括电磁阀控制、电机控制和振动控制，具体如下：

电磁阀控制：计算机20根据需要发出相应的开关控制信号，通过运动控制卡21内部的I/O模块向开关阀驱动电路22输入控制信号，开关阀驱动电路22驱动二位三通阀17的工位切换，从而控制供气回路的开关，使单轴气浮台9的支持转台浮起；

电机控制：伺服电机10的光电编码器将伺服电机10的转动信息反馈给电机伺服单元25，电机伺服单元25通过运动控制卡21传输给计算机20，计算机20根据反馈信息发出相应控制参数，通过运动控制卡21传输给电机伺服单元25，电机伺服单元25驱动伺服电机10转动，从而带动单轴气浮台9的支持转台旋转，这样四根悬臂梁就可以在水平面旋转；由于四根周向布置的悬臂梁的结构尺寸不同，所以当单轴气浮台9的支持转台浮起时，四根悬臂梁和支架5之间是耦合振动，体现的振动特性为低阶且模态密集的振动特性，伺服电机10通过行星减速器18驱动飞轮19转动，控制支持转台旋转，并带动四根悬臂梁在平面旋转，转动过程会激励悬臂梁的耦合振动，同时通过对单悬臂梁和铰接悬臂梁这两种结构特性略有不同的悬臂梁的振动实验结果进行分析和对比，以及对两者耦合振动模态的观察和检测；

振动控制：压电陶瓷传感器6和加速度传感器8检测所在悬臂梁的弯曲振动，将检测到的振动信号转化为模拟电信号输出，经过电荷放大器24放大后，通过运动控制卡21内部的A/D转换模块将模拟电信号按比例转换成数字信号输入到计算机20中，计算机20处理后将控制信号经由运动控制卡21内部的D/A输出模块输出，经过压电放大电路23放大信号，输出到压电陶瓷驱动器7中进行响应，以抑制悬臂梁的弯曲振动。

在本实施例中，计算机20可以选用CPU型号为core76650U2.2GHz，内存4G，主板中有PCI-e插槽，可以安装运动控制卡21；运动控制卡21可以选用美国GALIL公司生产的DMC-2x00数字运动控制器，提供标准的PCI总线接口；开关阀驱动电路22可以参见中国专利号为200810198032.1、名称为“柱塞式双出杆气液缸与气液联控位置和速度伺服控制装置”的发明专利，在该专利文献中对开关阀驱动电路22进行了说明；压电放大电路23可以选用型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX的压电放大器等零件组成，其研制单位为华南理工大学，在发明专利申请号为200810027186.4、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”的发明专利申请中有详细介绍，其放大倍数可达到52倍，即将-5V～+5V放大到-260～+260V；电荷放大器24选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器；电机伺服单元25可以选用Σ-II系列型号为SGDM-04ADAR的伺服单元。

本实施例还提供了一种多柔性悬臂梁耦合振动测控方法，该方法基于上述装置实现，包括以下步骤：

步骤一、压电陶瓷传感器6和加速度传感器8检测所在悬臂梁的弯曲振动，将检测到的振动信号转化为模拟电信号输出；

步骤二、采集到的模拟电信号经过电荷放大器24放大，通过运动控制卡21内部的A/D转换模块将模拟电信号转换为数字信号输入到计算机20中，计算机20运行相应的主动控制算法(该控制算法为现有技术)对数字信号进行处理，得到相应的弯曲振动反馈信号；

步骤三、所得到的弯曲振动反馈信号经由运动控制卡21内部的D/A输出模块输出，经过压电放大电路23放大信号，输出到压电陶瓷驱动器7中进行响应，以抑制悬臂梁的弯曲振动；

步骤四、通过控制伺服电机10的正反转以重复上述步骤进行实验，获取多次实验的结果。

综上所述，本发明的测控装置基于单轴气浮台搭建，其结构简单，便于进行搭建和实施实验，通过巧妙的机械结构设计，将总计四根柔性悬臂梁合理地实现了以支架为转轴中心的沿周向呈90度均布的配置，且不与伺服电机支架发生干涉，有利于消除偏心对振动过程和测量结果的影响，提高实验的精度，并且每根悬臂梁上设有压电陶瓷传感器、压电陶瓷驱动器和加速度传感器，使用压电陶瓷传感器和加速度传感器相结合的测量方法对柔性悬臂梁的弯曲振动模态进行检测，根据检测信号对压电陶瓷驱动器进行响应，以实现对悬臂梁结构的弯曲振动主动抑制的目的；同时，使用了单悬臂梁和铰接悬臂梁整合配置的方法，通过对两种结构特性略有不同的悬臂梁的振动实验结果进行分析和对比，以及对两者耦合振动模态的观察和检测，可以更好地分析铰接对悬臂梁结构特性的影响。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (9)

1.基于单轴气浮台的多柔性悬臂梁耦合振动测控装置，其特征在于：包括悬臂梁本体、支持驱动组件和控制组件；

所述悬臂梁本体包括四根悬臂梁，所述四根悬臂梁均为柔性梁；四根悬臂梁的一端通过同一支架固定，该端为固定端，另一端为自由端，四根悬臂梁以支架为转轴中心，沿周向呈90度均布；每根悬臂梁上设有压电陶瓷传感器、压电陶瓷驱动器和加速度传感器；

所述四根悬臂梁分别为第一单悬臂梁、第二单悬臂梁、第一铰接悬臂梁和第二铰接悬臂梁，所述第一单悬臂梁和第二单悬臂梁均由一根柔性梁组成，所述第一铰接悬臂梁和第二铰接悬臂梁均由内、外两根柔性梁铰接而成；所述第一单悬臂梁与第一铰接悬臂梁处于同一平面且对立分布在支架两侧，所述第二单悬臂梁与第二铰接悬臂梁处于同一平面且对立分布在支架两侧，形成了第一单悬臂梁、第二单悬臂梁、第一铰接悬臂梁和第二铰接悬臂梁以支架为转轴中心，沿周向呈90度均布的配置；

所述支持驱动组件包括单轴气浮台、供气回路、伺服电机和伺服电机支架，所述四根悬臂梁通过支架安装在单轴气浮台的支持转台上；所述供气回路与单轴气浮台连接，用于向单轴气浮台供气；所述伺服电机支架与单轴气浮台的支持转台固定连接，所述伺服电机带有光电编码器，并与伺服电机支架固定连接，用于通过伺服电机支架带动单轴气浮台的支持转台旋转；

所述控制组件分别与压电陶瓷传感器、压电陶瓷驱动器、加速度传感器、供气回路和伺服电机连接。

2.根据权利要求1所述的基于单轴气浮台的多柔性悬臂梁耦合振动测控装置，其特征在于：

所述第一单悬臂梁和第二单悬臂梁上，在横向中心线且距离固定端较近的位置上，前、后两面各粘贴有一片压电陶瓷传感器，压电陶瓷传感器的姿态角为0度；在靠近固定端根部的位置上，前、后两面对称粘贴有两片压电陶瓷驱动器，每一面的两片压电陶瓷驱动器关于横向中心线对称，且姿态角为0度；在自由端边缘的横向中心线上安装有一个加速度传感器；

所述第一铰接悬臂梁和第二铰接悬臂梁上，在内柔性梁的横向中心线且距离固定端较近的位置上，前、后两面各粘贴有一片压电陶瓷传感器，在外柔性梁的横向中心线且靠近铰链的位置上，前、后两面各粘贴有一片压电陶瓷传感器，压电陶瓷传感器的姿态角为0度；在靠近固定端根部的位置上，前、后两面对称粘贴有两片压电陶瓷驱动器，每一面的两片压电陶瓷驱动器关于横向中心线对称，且姿态角为0度；在自由端边缘的横向中心线上安装有一个加速度传感器。

3.根据权利要求1或2所述的基于单轴气浮台的多柔性悬臂梁耦合振动测控装置，其特征在于：所述供气回路由气泵、气动三联件和二位三通阀组成，所述气动三联件分别与气泵和二位三通阀连接，所述二位三通阀与单轴气浮台连接；所述气动三联件由空气过滤器、减压阀和油雾分离器组装在一起，并带有一个压力表。

4.根据权利要求3所述的基于单轴气浮台的多柔性悬臂梁耦合振动测控装置，其特征在于：所述控制组件包括计算机、运动控制卡、开关阀驱动电路、压电放大电路、电荷放大器和电机伺服单元，所述计算机通过运动控制卡分别与开关阀驱动电路、压电放大电路、电荷放大器和电机伺服单元连接，所述开关阀驱动电路与二位三通阀连接，所述压电放大电路与压电陶瓷驱动器连接，所述电荷放大器分别与压电陶瓷传感器、加速度传感器连接，所述电机伺服单元与伺服电机连接；

计算机根据需要发出相应的开关控制信号，通过运动控制卡内部的I/O模块向开关阀驱动电路输入控制信号，开关阀驱动电路驱动二位三通阀的工位切换，从而控制供气回路的开关，使单轴气浮台的支持转台浮起；

伺服电机的光电编码器将伺服电机的转动信息反馈给电机伺服单元，电机伺服单元通过运动控制卡传输给计算机，计算机根据反馈信息发出相应控制参数，通过运动控制卡传输给电机伺服单元，电机伺服单元驱动伺服电机转动，从而带动单轴气浮台的支持转台旋转；

压电陶瓷传感器和加速度传感器检测所在悬臂梁的弯曲振动，将检测到的振动信号转化为模拟电信号输出，经过电荷放大器放大后，通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟电信号按比例转换成数字信号输入到计算机中，计算机处理后将控制信号经由运动控制卡内部的D/A输出模块输出，经过压电放大电路放大信号，输出到压电陶瓷驱动器中进行响应，以抑制悬臂梁的弯曲振动。

5.根据权利要求1或2所述的基于单轴气浮台的多柔性悬臂梁耦合振动测控装置，其特征在于：所述伺服电机支架上设有行星减速器和飞轮，所述伺服电机通过行星减速器的法兰盘与伺服电机支架固定连接，且伺服电机的输出轴与单轴气浮台的支持转台主轴同轴，所述飞轮与行星减速器的法兰盘固定连接。

6.根据权利要求1或2所述的基于单轴气浮台的多柔性悬臂梁耦合振动测控装置，其特征在于：所述单轴气浮台包括空气静压轴承和支持转台；供气回路向单轴气浮台供应加压气体，再经由单轴气浮台向空气静压轴承表面喷射加压气体，使支持转台主轴悬浮在空气静压轴承的轴承套中。

7.根据权利要求1或2所述的基于单轴气浮台的多柔性悬臂梁耦合振动测控装置，其特征在于：所述单轴气浮台设置在一底座上。

8.根据权利要求7所述的基于单轴气浮台的多柔性悬臂梁耦合振动测控装置，其特征在于：所述底座的底部具有四个支撑脚，每两个相邻的支撑脚之间安装一横向支架。

9.基于权利要求4所述装置的多柔性悬臂梁耦合振动测控方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一、压电陶瓷传感器和加速度传感器检测所在悬臂梁的弯曲振动，将检测到的振动信号转化为模拟电信号输出；

步骤二、采集到的模拟电信号经过电荷放大器放大，通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟电信号转换为数字信号输入到计算机中，计算机运行相应的主动控制算法对数字信号进行处理，得到相应的弯曲振动反馈信号；

步骤三、所得到的弯曲振动反馈信号经由运动控制卡内部的D/A输出模块输出，经过压电放大电路放大信号，输出到压电陶瓷驱动器中进行响应，以抑制悬臂梁的弯曲振动；

步骤四、通过控制伺服电机的正反转以重复上述步骤进行实验，获取多次实验的结果。