CN109115439B - 一种高频激振装置及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于液压振动及控制领域，尤其涉及一种高频激振装置及控制系统。本发明的一种高频激振装置及控制系统抑制了系统的谐振峰值，提高了动态响应速度。利用速度反馈可提高动力系统的共振频率，利用加速度反馈增大系统阻尼比，减小影响系统稳定的谐振峰值，本发明高频激振装置及控制系统，安全系数足够大，自振频率能够避开系统的工作频宽范围，不断根据分析结果优化，同时将阀控缸系统与蓄能器、过滤器、压力传感器等集成设计在一起，使系统紧凑简洁，同时还能提高系统的动态响应。以本发明的高频激振装置及控制系统为基础，能够方便的建立真实表征系统特性的非线性模型，对探究更有效的控制策略及参数整定方法提供硬件设备基础。
Description
技术领域
本发明属于液压振动及控制领域，尤其涉及一种高频激振装置及控制系统。
背景技术
在模拟产品实际工况考核和结构强度试验中，常需要振动台作为校准或振动试验的振源。比如在一些振动试验中，需要使用振动台产生指定的振动信号，如地震波信号，以确定试验对象在该激励下的响应，进而确定试验对象的参数。振动台也常应用于仪器校准，比如，在拾振器校准时，振动台产生振动激励信号输入给拾振器的传感器，通过测量传感器的输入与输出，得到传感器的参数。随着技术的发展，很多振动试验需要频率较低的振动激励信号，但标准振动台和试验振动台通常体积重量较大，结构复杂，不具备便携式的特点；振动台加速度运动信号的失真度会达到10％，频率更低时，加速度信号失真度会超过30％甚至更大。
发明内容
本发明创造的目的在于，提供能够抑制谐振峰值，提高动态响应速度、提高动力系统的共振频率、增大系统阻尼比，减小影响系统稳定的谐振峰值的一种高频激振装置及控制系统。
为实现上述目的，本发明创造采用如下技术方案。
本发明的一种高频激振装置及控制系统，包括液压激振模块、机械结构模块、电控模块；液压激振模块包括泵站、蓄能器、伺服阀、伺服气缸、伺服油缸、溢流阀、压力传感器；电控模块由伺服阀、控制器、数据单元、信号调理装置、传感器组成；
泵站包括依次连接的油源、轴向柱塞变量泵以及比例溢流阀，比例溢流阀控制系统供油压力；轴向柱塞变量泵使用电机驱动，轴向柱塞变量泵与比例溢流阀之间设置有过滤器；伺服阀控制伺服油缸运动；油源的连接管路上设置有球阀开关以启停供油过程，油源分别相伺服阀以及静压支撑油缸供油，还包括作为辅助动力源同时补偿泄漏、保持恒压的蓄能器，其中蓄能器的容积V0的计算方法为
其中
m(kg)为管路中液体总质量，V(m/s)为液体流速，p(pa)为蓄能器充气压力，
pmax(pa)为系统最大冲击压力；
静压支撑油缸的的内部设有静压轴承，静压轴承内独立的供油回路接引入回油管路；
机械结构模块用于实现高频振动以及连接和固定系统结构，机械结构模块包括基础底座、基础底座的上端面沿振动方向设有三条平行均布的导轨，即第一导轨以及对称分布在第一导轨两侧的第二导轨；导轨的上方设置有振动台，振动台的下端面通过直线导轨滑块与三条导轨滑动连接；还包括多个质量块质量块横截面为形状均匀对称的规则形状，质量块上设置有多个从上至下贯穿的用于连接固定至振动台的连接螺纹孔，质量块上表面还均匀设置有用于连接和固定质量块以及待测物品的安装螺纹孔，本实施例中第一导轨安装位置与伺服气缸在振动台上的投影位置重合；以利用第一导轨控制质量块以及待测物振动方向使其与伺服气缸动作方向一致，减小干扰因素，安装螺纹孔设置在伺服气缸轴在质量块表面的投影上或者对称分布在投影两侧；以保证质量块的质量沿震荡方向均匀分布，降低安装偏差以及质量块质量分布不均匀对检测质量的不利影响。
振动台的后侧还设置有用于连接伺服气缸轴的驱动块，驱动块为对称结构；驱动块的对称轴与伺服气缸轴重合进而消除驱动块结构以及质量分布对伺服气缸轴的干扰；驱动块上还设置有沿第一导轨方向分布的第一轴孔；
基础底座上还固定安装有伺服气缸座，伺服气缸座用于安装和固定伺服气缸以及其他液压系统硬件，伺服气缸座包括与基础底座平行的固定板以及垂直于固定板和直线导轨的连接板，固定板上均匀设置有用于连接和固定至基础底座的螺纹孔，连接板的中间设置有与第一导轨位置相对的第二轴孔；伺服气缸的气缸轴穿过第二轴孔后与第一轴孔连接，第一轴孔与第二轴孔的轴线同轴且与导轨延伸方向平行。
伺服气缸的缸体通过连接法兰以及螺栓组等结构固定在连接板上，本实施例中，液压管路通过两个阀板组合连接，固定板和/或连接板还用于安装和固定阀板，液压系统的其他结构通过一个与伺服气缸座相对静止的阀架安装固定；液压系统的阀板以及阀板与各液压元件之间采用硬质管道连接，以充分发挥继承法快以及高频振动的特性，提高响应速度，降低内外部干扰；
电控模块由伺服阀、控制器、数据单元、信号调理装置、传感器组成；伺服阀内部设有电气闭环系统以控制阀芯位移，还集成有内置式LVDT传感器以将其工作状态反馈至控制器，并根据控制器指令调整阀芯；传感器主要用于监测和反馈液压系统的压力、加速度等反馈参数；数据单元主要包括数据采集板，数据采集板用于将传感器的反馈信号进行处理，其内部设置有A/D和D/A转换电路、信号整理以及放大电路。
对上述方案的进一步优化包括，p≈0.9P0；P0为系统压力；在计算出蓄能器容积的基础上，蓄能器的实际容积V1为1.5～3V0。
对上述方案的进一步优化包括，采用双伺服阀并联的方式驱动伺服油缸；伺服油缸内设置有内置式LVDT传感器以及位移传感器以获取伺服油缸位移数据，各传感器分别连接至控制器。
对上述方案的进一步优化包括，还包括用于将电磁溢流阀、高低压过滤器、压力表等元件集成在一起的集成阀板，集成阀板上预留有用于安装压力传感器的接口。
对上述方案的进一步优化包括，还包括伺服阀板，伺服阀板用于集中并联伺服阀、连接蓄能器和阀控缸，安装蓄能器以及导通静压支撑回路；伺服阀进油P口、高压蓄能器及静压轴承供油L口分别通过工艺孔与系统供油P口连接，伺服阀T口及低压蓄能器分别通过工艺孔与系统回油T口连接，伺服阀A、B口分别与油缸两侧对称进油口相连接。
对上述方案的进一步优化包括，第一导轨安装位置与伺服气缸在振动台上的投影位置重合；安装螺纹孔设置在伺服气缸轴在质量块表面的投影上或者对称分布在投影两侧。
对上述方案的进一步优化包括，液压管路通过阀板组合连接，固定板和/或连接板还用于安装和固定阀板，液压系统的其他结构通过一个与伺服气缸座相对静止的阀架安装固定；液压系统的阀板以及阀板与各液压元件之间采用硬质管道连接。
对上述方案的进一步优化包括，还包括为伺服阀机器电子结构提供动力和保护的电源结构以及接地系统，信号统一采用屏蔽电缆传输。
其有益效果在于：本发明的一种高频激振装置及控制系统抑制了系统的谐振峰值，提高了动态响应速度。利用速度反馈可提高动力系统的共振频率，利用加速度反馈增大系统阻尼比，减小影响系统稳定的谐振峰值，本发明高频激振装置及控制系统，安全系数足够大，自振频率能够避开系统的工作频宽范围，不断根据分析结果优化，同时将阀控缸系统与蓄能器、过滤器、压力传感器等集成设计在一起，使系统紧凑简洁，同时还能提高系统的动态响应。以本发明的高频激振装置及控制系统为基础，能够方便的建立真实表征系统特性的非线性模型，对探究更有效的控制策略及参数整定方法提供硬件设备基础。
附图说明
图1是高频激振装置及控制系统的结构原理图；
图2是液压系统的原理连接图；
图3是机械结构模块的俯视图；
图4是机械结构模块的前视图；
图5是电控模块的原理结构图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。
如图1所示，一种高频激振装置及控制系统，包括液压激振模块、机械结构模块、电控模块；
本发明的一种高频激振装置及控制系统，包括液压激振模块、机械结构模块、电控模块；液压激振模块包括泵站、蓄能器9i、伺服阀、伺服气缸、伺服油缸、溢流阀、压力传感器；电控模块由伺服阀、控制器19i、数据单元、信号调理装置、传感器组成；
泵站包括依次连接的油源1i、轴向柱塞变量泵2i以及比例溢流阀4，比例溢流阀4用于控制系统供油压力；轴向柱塞变量泵2i使用电机驱动，轴向柱塞变量泵2i与比例溢流阀 4之间设置有第一过滤器3i，第一过滤器3i用于过滤油液中的颗粒杂质，以保证油液满足清洁度需求，避免影响伺服阀正常使用；伺服阀控制伺服油缸运动，本发明中采用并联双伺服阀10i驱动油缸运动以实现大流量以及高频工作要求；为实现高频高速激振，伺服油缸采用静压支撑油缸；为实现动力系统的监测以及分析，设置有压力传感器13i以获取伺服油缸的压差以及伺服阀的背压，伺服油缸内设置有内置式LVDT传感器16i以及位移传感器以获取伺服油缸位移数据，各传感器分别连接至控制器19i。
油源1i管路上设置有球阀开关以启停供油过程，油源1i分别相伺服阀以及静压支撑油缸11i供油，为防止高频下油源1i响应与伺服系统响应不同步，设置有伺服阀作为辅助动力源同时补偿泄漏、保持恒压、本发明中伺服阀还用于吸收液压冲击能量，保护液压系统元件，本发明中使用的事隔膜式伺服阀，以提高高频响应速度，降低伺服阀惯性，其中伺服阀的容积V0的计算方法为
其中
m(kg)为管路中液体总质量，V(m/s)为液体流速，p(pa)为蓄能器充气压力，
pmax(pa)为系统最大冲击压力；
在本发明中，p≈0.9P0；P0为系统压力；在计算出伺服阀容积的基础上，还应当预留足够的余量空间以提高系统安全性，因此在本发明中实际伺服阀的容积V1为1.5～3V0；
本发明中，静压支撑油缸11i的的内部设有静压轴承12i，静压轴承12i内部有独立的供油回路，因此可以直接引入回油管路，为压缩液压系统的体积，提高集成度，减少其他因素对响应速度的影响，伺服阀板3集中了并联伺服阀、连接伺服阀和阀控缸，同时还用于安装伺服阀以及导通静压支撑回路。伺服阀进油P口、高压伺服阀及静压轴承12i供油 L口分别通过工艺孔与系统供油P口连接，伺服阀T口及低压伺服阀分别通过工艺孔与系统回油T口连接，伺服阀A、B口分别与油缸两侧对称进油口相连接。
同样为了使系统结构紧凑，减少影响响应速度的因素，本实施例中设计了集成阀板1 将电磁溢流阀、高低压过滤器、压力表等元件集成在一起，此外还预留了几个接口便于安装压力传感器或压力表以便实时观测压力变化状况。
机械结构模块用于实现高频振动以及连接和固定系统结构，其具体结构如图3～4所示，机械结构模块包括基础底座9、基础底座9的上端面沿振动方向设有三条平行均布的导轨，即第一导轨以及对称分布在第一导轨两侧的第二导轨；导轨的上方设置有振动台9a，振动台9a的下端面通过直线导轨滑块9g与三条导轨滑动连接；还包括多个质量块9e质量块9e横截面为形状均匀对称的规则形状，质量上设置有多个从上至下贯穿的用于连接固定至振动台9a的连接螺纹孔，质量块9e上表面还均匀设置有用于连接和固定质量块9e以及待测物品的安装螺纹孔，本实施例中第一导轨安装位置与伺服气缸5a在振动台9a上的投影位置重合；以利用第一导轨控制质量块9e以及待测物振动方向使其与伺服气缸5a动作方向一致，减小干扰因素，安装螺纹孔设置在伺服气缸轴在质量块9e表面的投影上或者对称分布在投影两侧；以保证质量块9e的质量沿震荡方向均匀分布，降低安装偏差以及质量块 9e质量分布不均匀对检测质量的不利影响。
振动台9a的后侧还设置有用于连接伺服气缸轴的驱动块9c，驱动块9c为对称结构；驱动块9c的对称轴与伺服气缸轴重合进而消除驱动块9c结构以及质量分布对伺服气缸轴的干扰；驱动块9c上还设置有沿第一导轨方向分布的第一轴孔；
基础底座9上还固定安装有伺服气缸座9b，伺服气缸座9b用于安装和固定伺服气缸 5a以及其他液压系统硬件，伺服气缸座9b包括与基础底座9平行的固定板以及垂直于固定板和直线导轨的连接板，固定板上均匀设置有用于连接和固定至基础底座9的螺纹孔，连接板的中间设置有与第一导轨位置相对的第二轴孔；伺服气缸5a的气缸轴穿过第二轴孔后与第一轴孔连接，易知的，第一轴孔与第二轴孔的轴线同轴且与导轨延伸方向平行。
伺服气缸5a的缸体通过连接法兰以及螺栓组等结构固定在连接板上，本实施例中，液压管路通过两个阀板组合连接，固定板和/或连接板还用于安装和固定阀板，液压系统的其他结构通过一个与伺服气缸座9b相对静止的阀架安装固定；液压系统的阀板以及阀板与各液压元件之间采用硬质管道连接，以充分发挥继承法快以及高频振动的特性，提高响应速度，降低内外部干扰；
电控模块，其结构原理如图5所示，本发明中，电控模块首先发出信号给伺服放大器，液压系统将电压信号转换为液压能量输出，并通过液压能量对被测物进行激振，同时通过液压系统内的位移、速度以及加速度传感器18i进行反馈，构成闭环的伺服控制结构。电控模块由伺服阀、控制器19i、数据单元、信号调理装置、传感器组成，伺服阀可以根据液压系统的压力以及高频振动系统的参数进行选用，已有现有成品，其内部设有电气闭环系统以控制阀芯位移，本实施例中伺服阀的内部还集成有内置式LVDT传感器16i以将其工作状态反馈至控制器19i，并根据控制器19i指令调整阀芯，在具体实施过程中还应当设置为伺服阀机器电子结构提供动力和保护的电源结构以及接地系统；传感器主要用于监测和反馈液压系统的压力、加速度等反馈参数，可以直接进行采购，其参数以及用途均属于公知或通过产品说明书即可了解，在此不予赘述；数据单元主要包括数据采集板，数据采集板用于将传感器的反馈信号进行处理，其内部设置有A/D和D/A转换电路、信号整理以及放大电路；
特别的，为了减小外界信号的干扰，信号统一采用屏蔽电缆传输。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。
Claims (8)
1.一种高频激振装置及控制系统，其特征在于，包括液压激振模块、机械结构模块、电控模块；
液压激振模块包括泵站、蓄能器、伺服阀、伺服气缸、伺服油缸、溢流阀、温度压力传感器；电控模块由伺服阀、控制器、数据单元、信号调理装置、传感器组成；
泵站包括依次连接的油源、轴向柱塞变量泵以及比例溢流阀，比例溢流阀控制系统供油压力；轴向柱塞变量泵使用电机驱动，轴向柱塞变量泵与比例溢流阀之间设置有过滤器；伺服阀控制伺服油缸运动；油源的连接管路上设置有球阀开关以启停供油过程，油源分别相伺服阀以及静压支撑油缸供油，还包括作为辅助动力源同时补偿泄漏、保持恒压的蓄能器，其中蓄能器的计算容积V0的计算方法为
其中：
m为管路中液体总质量，单位kg；V为液体流速，单位m/s；p为蓄能器充气压力，单位pa；pmax为系统最大冲击压力，单位pa；
静压支撑油缸的内部设有静压轴承，静压轴承内独立的供油回路接引入回油管路；
机械结构模块包括基础底座、基础底座的上端面沿振动方向设有三条平行均布的导轨，即第一导轨以及对称分布在第一导轨两侧的第二导轨；导轨的上方设置有振动台，振动台的下端面通过直线导轨滑块与三条导轨滑动连接；还包括多个质量块，质量块横截面为形状均匀对称的规则形状，质量块上设置有多个从上至下贯穿的用于连接固定至振动台的连接螺纹孔，质量块上表面还均匀设置有用于连接和固定质量块以及待测物品的安装螺纹孔，
振动台的后侧还设置有用于连接伺服气缸轴的驱动块，驱动块为对称结构；驱动块的对称轴与伺服气缸轴重合；驱动块上还设置有沿第一导轨方向分布的第一轴孔；
基础底座上还固定安装有伺服气缸座，伺服气缸座用于安装和固定伺服气缸以及液压系统硬件，伺服气缸座包括与基础底座平行的固定板以及垂直于固定板和直线导轨的连接板，固定板上均匀设置有用于连接和固定至基础底座的螺纹孔，连接板的中间设置有与第一导轨位置相对的第二轴孔；伺服气缸的气缸轴穿过第二轴孔后与第一轴孔连接，第一轴孔与第二轴孔的轴线同轴且与导轨延伸方向平行；伺服气缸的缸体通过连接法兰以及螺栓组固定在连接板上；
电控模块由伺服阀、控制器、数据单元、信号调理装置、传感器组成；伺服阀内部设有电气闭环系统以控制阀芯位移，还集成有LVDT传感器以将其工作状态反馈至控制器，并根据控制器指令调整阀芯；传感器主要用于监测和反馈液压系统的压力、加速度；数据单元主要包括数据采集板，数据采集板用于将传感器的反馈信号进行处理，其内部设置有A/D和D/A转换电路、信号整理以及放大电路。
2.根据权利要求1所述一种高频激振装置及控制系统，其特征在于，p≈0.9P0；P0为系统压力；蓄能器的实际容积V1为1.5～3V0。
3.根据权利要求1所述一种高频激振装置及控制系统，其特征在于，采用双伺服阀并联的方式驱动伺服油缸；伺服油缸内设置有内置式LCDT传感器以及位移传感器以获取伺服油缸位移数据，各传感器分别连接至控制器。
4.根据权利要求1所述一种高频激振装置及控制系统，其特征在于，还包括用于将电磁溢流阀、高低压过滤器、压力表集成在一起的集成阀板，集成阀板上预留有用于安装压力传感器的接口。
5.根据权利要求1所述一种高频激振装置及控制系统，其特征在于，还包括伺服阀板，伺服阀板用于集中并联伺服阀、连接蓄能器和阀控缸，安装蓄能器以及导通静压支撑回路；伺服阀进油P口、高压蓄能器及静压轴承供油L口分别通过工艺孔与系统供油P口连接，伺服阀T口及低压蓄能器分别通过工艺孔与系统回油T口连接，伺服阀A、B口分别与油缸两侧对称进油口相连接。
6.根据权利要求1所述一种高频激振装置及控制系统，其特征在于，第一导轨安装位置与伺服气缸在振动台上的投影位置重合；安装螺纹孔设置在伺服气缸轴在质量块表面的投影上或者对称分布在投影两侧。
7.根据权利要求1所述一种高频激振装置及控制系统，其特征在于，液压管路通过阀板组合连接，固定板和/或连接板还用于安装和固定阀板，液压系统通过一个与伺服气缸座相对静止的阀架安装固定；液压系统的阀板以及阀板与各液压元件之间采用硬质管道连接。
8.根据权利要求1所述一种高频激振装置及控制系统，其特征在于，还包括为伺服阀机器电子结构提供动力和保护的电源结构以及接地系统，信号统一采用屏蔽电缆传输。
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