CN110132517A - 一种多柔性压电梁耦合振动分析控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多柔性压电梁耦合振动分析控制装置及方法，包括激励部分、柔性压电梁部分、检测部分及控制部分；所述激励部分包括伺服电机、减速器、连接杆、滑块、第一导轨、伸缩杆及支撑座；所述柔性压电梁部分包括至少一个柔性梁模块，所述检测部分检测柔性梁的振动信号，得到控制信号，启动控制部分抑制柔性梁的振动。本发明利用相机与各种传感器采集到的信息，计算机通过一定算法，输出控制信号，对柔性梁的振动进行抑制。该装置对柔性梁进行了模块化，可以自由调整质量、弹簧刚度，测量振动特性。

Description

一种多柔性压电梁耦合振动分析控制装置及方法

技术领域

本发明涉及柔性压电梁耦合振动控制领域，具体涉及一种多柔性压电梁耦合振动分析控制装置及方法。

背景技术

柔性结构在航天及工业生产领域应用广泛，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，但柔性结构的固有频率低，低频模态振动易被激起等特点限制了其在某些领域内的应用与发展。多柔性梁耦合的振动特性与主动控制一直以来是世界研究的重点与热点。

现有技术中，使用压电纤维复合材料(MFC)是一种创新的低成本压电器件，由美国宇航局设计。MFC具有超薄性能的压电促动器及传感器，作为传感，它可以提供高性能、高灵活性及高可靠性，且成本上有较大的竞争力。MFC在控制复合结构中的振动、噪声和挠度中得到了广泛应用。

伺服电机有控制精度高、响应快、调速范围宽、动态特性好、操作简便、能定位伺服等优点。利用伺服电机驱动器控制伺服电机转动频率，生产不同形式的信号，对多柔性梁耦合结构的振动特性进行研究。

由于在各个实验当中柔性梁质量、弹簧的刚度、实验中柔性梁的个数的不同，实验平台的搭建需要花费大量的时间与精力。为此将多柔性梁结构进行模块化，实现快速自由搭建不同参数的实验平台。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种多柔性压电梁耦合振动分析控制装置及方法，实现多柔性梁耦合振动分析与控制。

本发明采用如下技术方案：

一种多柔性压电梁耦合振动分析控制装置，包括激励部分、柔性压电梁部分、检测部分及控制部分；

所述激励部分包括伺服电机、减速器、连接杆、滑块、第一导轨、伸缩杆及支撑座；

所述支撑座安装在实验台上，支撑座上安装伺服电机、减速器及第一导轨，所述减速器的输出端通过法兰与连接杆的一端连接，所述连接杆的另一端与滑块连接，所述伸缩杆铰接在滑块上，所述伸缩杆的末端与柔性压电梁部分连接，所述滑块在第一导轨上滑动，伺服电机通过减速器减速，带动法兰旋转，驱动滑块来回移动，产生激励；

所述柔性压电梁部分包括至少一个柔性梁模块，所述柔性梁模块包括第二导轨、滑动底座及柔性梁，所述滑动底座在第二导轨上滑动，所述柔性梁一端固定在滑动底座上，该端为固定端，另一端为自由端，所述自由端设置质量块，所述多个柔性梁模块平行设置；

所述检测部分检测柔性梁的振动信号，得到控制信号，启动控制部分抑制柔性梁的振动。

所述检测部分包括高速相机、加速度传感器及压电纤维传感器；

所述高速相机通过固定杆安装在柔性梁的上方，柔性梁在高速相机的视野范围内，高速相机拍摄包含柔性梁的图片，输入计算机；

所述加速度传感器安装在柔性梁上，检测柔性梁的振动信号，经过电荷放大器放大，通过端子板传输至运动控制卡，运动控制卡与计算机连接；

所述压电纤维传感器安装在柔性梁上，检测柔性梁的振动信号，经过电荷放大器放大，通过端子板传输至运动控制卡，运动控制卡与计算机连接。

所述控制部分包括伺服电机驱动器、压电纤维致动器及压电纤维片控制器，

计算机根据所需要的激励信号，生成相应的控制信号，输入运动控制卡，经过端子板，输入伺服电机驱动器，驱动伺服电机；

计算机根据采集的振动信号，生成相应控制信号，输入运动控制卡，经过端子板传输，压电纤维片控制器方法，驱动压电纤维致动器，抑制柔性梁的振动。

本发明中当柔性梁模块个数大于一个时，相邻柔性梁模块之间通过弹簧连接。

所述相邻柔性梁模块之间通过弹簧连接，具体是，柔性梁的质量块上装有弹簧片固定弹簧，相邻柔性梁之间通过弹簧连接，位于首尾的两个柔性梁，一个与伸缩杆的末端连接，另一个通过弹簧与壁板连接。

本发明中，每个柔性梁上的压电纤维传感器的个数为2个，粘贴在距离固定端250mm的中间处，正反两面粘贴，姿态为0°。

本发明中，每个柔性梁上的加速度传感器的个数为2个，位置在距离自由端70mm的中间处，正反两面粘贴。

本发明中，每个柔性梁上的压电纤维致动器的个数为2个，粘贴在距离固定端100mm的中间处，正反两面粘贴，姿态为0°。

本发明还包括显示器。

一种多柔性压电梁耦合振动分析控制装置的方法，包括：

对高速相机进行标定；在柔性板边缘放一个很薄的标定卡；对高速相机的内外参数进行确定；

计算机根据所需的激励ixnhao，生成相应的控制信号，通过运动控制卡及伺服电机驱动器，对伺服电机进行控制，产生相应的激励信号；

计算机通过从高速相机、压电纤维传感器、加速度传感器得到各个柔性梁的振动信息，通过OpenGL软件实现可视化；

通过计算机生产相应的控制量，经过运动控制卡及压电纤维片控制器，作用于压电纤维致动器，对柔性梁进行抑制。

本发明的有益效果：

1)本发明的一种多柔性压电梁耦合振动分析与控制装置及方法将零部件进行模块化，可以自由组合质量、刚度自定的多柔性压电梁耦合结构；

2)本发明中采用导轨滑块、伸缩杆、万向节等可以自由调整的结构部件，让实验台的搭建更快速顺利；

3)本发明中采用多传感器系统，可以通过多传感器信息融合对多柔性压电梁耦合结构振动研究；

4)本发明中采用新型压电纤维复合材料，其柔性好、变形大且驱动力强，质量小。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是图1的正视图；

图3是图1的俯视图；

图4是图1的右视图；

图5是柔性压电梁模块的正视图。

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，一种多柔性压电梁耦合振动分析控制装置，包括激励部分、柔性压电梁部分、检测部分及控制部分；

所述激励部分，包括伺服电机1、、减速器2、法兰4、连接杆15、滑块17、第一导轨16、伸缩杆18、万向节19、边连接块14及支撑座3；

支撑座3安装在实验台5上，上面装有伺服电机1、减速器2、第一导轨；法兰4固定在减速器2输出端，并与连接杆15连接，连接杆15连接滑块17与法兰4；伸缩杆18铰接在滑块17上，末端连接万向节19；万向节19另一端连接边连接块14；边连接块14固定在柔性梁上；

伺服电机1通过减速器2减速，带动法兰4旋转，从而滑块17来回移动，产生激励。

所述柔性压电梁部分包括至少一个柔性梁模块，所述柔性梁模块包括第二导轨6、滑动底座7、固定板8、固定块9、固定杆10、相机云台25、柔性梁27、质量块21、弹簧片22、弹簧20及壁板23，所述柔性梁可以一面安装质量块，可以两个表面对称安装，根据实际需要确定；

第二导轨6安装在实验台上，上面装有滑动底座7；固定板8通过螺钉固定在滑动底座7上，固定板8上装有固定块9和固定杆10，通过螺栓连接；固定杆上装有相机云台25；相机云台25上装有高速相机26，可以自由移动；固定块9上装有柔性梁27，通过螺栓连接，与固定板连接端称为固定端，另一端为自由端，自由端装有质量块，通过螺栓连接；质量块21上装有弹簧片22，或边连接块14；弹簧片22用于固定弹簧20；各个柔性压电梁模块之间由弹簧20连接，其中一个连接在壁板23上。

将柔性梁模块化，可以自由更换质量块21，选择不同的质量；可以自由更换弹簧20，选择不同的刚度。

本实施例中有三个柔性梁模块，三个柔性梁模块竖直设置在实验台上，并平行设置。三个第二导轨首尾相连设置，三个相邻柔性梁的自由端采用弹簧连接，位于前面的柔性梁通过边连接块与伸缩杆的末端连接，位于末尾的柔性梁正面通过弹簧与中间点的柔性梁连接，反面通过弹簧与壁板连接。

所述检测部分包括高速相机、压电纤维传感器12及加速度传感器13，所述压电纤维传感器每个柔性梁安装两个，贴在距离固定端250mm的中间处，即横向中线位置，姿态为0°。

每个柔性梁27上的加速度传感器13的个数为2个，位置在距离自由端70mm的中间处，即横向中线位置。

使用高速相机26对柔性梁27进行拍摄，通过USB3.0接口传输到计算机33；经过计算机33中的算法进行处理，得到柔性梁27的振动信息；使用加速度传感器13的自身特性，产生的电信号，经过电荷放大器28放大，通过端子板30，传输至运动控制卡32，通过运动控制卡32A/D转换端口传输至计算机33，计算机33处理后得到柔性梁27的振动信息；使用压电纤维传感器12的自身特性，经过电荷放大器28放大，通过端子板30传输至运动控制卡32，由其A/D转换端口进行转换，接着传输至计算机33进行处理。

所述控制部分包括压电纤维致动器11，每个柔性梁27上的压电纤维致动器11的个数为2个，粘贴在距离固定端100mm的中间处，姿态为0°。

计算机对伺服电机1的控制通过：计算机33根据所需要的激励信号，生成相应的控制信号，输入至运动控制卡32由D/A模块转换，经过端子板30，并输入到伺服电机驱动器29，采用位置控制方式或者速度控制方式，进而对伺服电机1产生相应的控制；

计算机对压电纤维致动器11的控制通过：计算机33通过采集到的信号，经一定算法对其生成相应的控制信号，输入至运动控制卡32，由D/A模块转换，经端子板30传输，经过压电纤维片控制器31放大，输出到压电纤维致动器11，进而可以抑制柔性铰接板的振动。

本发明的控制过程具体如下：

第一步：组装实验台：将所有的柔性压电梁模块装在导轨II6上；然后将所需要的弹簧20、弹簧片22、质量块21、柔性梁27装在相应的梁模块上，梁模块的个数可以根据自己需要而定；连接好之间的弹簧片22以及壁板23的连接，在最靠近电机的柔性压电梁模块上，装上边连接块14；调整并放置好高速相机26；接着通过伺服电机1调滑块17使得滑块17处于中间位置；最后调整伸缩杆18，与边连接块14联接；

第二步：对高速相机进行标定；在柔性板边缘放一个很薄的标定卡；对高速相机26的内外参数进行确定；

第三步：使用计算机33生成控制信号，通过运动控制卡32及伺服电机驱动器29，对伺服电机1进行控制，产生相应的激励信号；

第四步：计算机33通过从高速相机26、压电纤维传感器12、加速度传感器13得到各个柔性梁27的振动信息；通过OpenGL软件实现可视化，在显示器34上显示；

第五步：采用一定的算法，通过计算机33生产相应的控制量，经过运动控制卡32及压电纤维片控制器31，作用于压电纤维致动器11，对柔性板进行抑制；

第六步：通过改变控制参数，回到第三步，反复试验，获取多次实验结果，得到多柔性移动梁的振动特性及控制效果。

柔性梁27的材料可选环氧树脂材料薄板，其几何尺寸为800mm×200mm×3mm。环氧树脂的弹性模量为E_p＝34.64GPa，密度为ρ＝1840kg/m³。

实验台5由三种长度分别为1180mm、1200mm、500mm的铝型材组装而成，台面为一块1320mm×1300mm×10mm的不锈钢板；钢板通过螺钉与型材连接，型材的每个连接处都有角铁固定。

第一导轨16与第二导轨6为THK公司的导轨，型号为SGR10和SGR25。滑块17和滑动底座7为THK公司配套的滑块，型号为SGB10和SGB25。

伺服电机1采用安川SGM7A-02A_A6C，其转轴直径14mm，功率为200W，额定电压为AC200V；伺服电机驱动器29选用安川伺服电机驱动器，型号为SGM7S-1R6A。行星减速器2为德国Neugart减速器，其型号为PLFE064-005-SSSE3AD-R14，减速比为5。

压电纤维传感器17选用芯明天公司的M5628-P2，其几何尺寸为66mm×31mm×0.3mm。加速度传感器14选用Kistler公司的型号为8315A030AC的电容式压电传感器，灵敏度133.33mV/g，测量范围-30g～+30g，测量频率范围为0～1000Hz。电荷放大器21选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器。

高速相机26选用Basler公司的相机，其型号为acA640-120um，30万像素，帧率为120帧/秒。镜头24选用basler公司的镜头，其型号为Basler Lens C125-0618-5MF1.8f6mm，焦距为6mm，大小为φ14.5mm×38.7mm。

运动控制卡23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；选用的计算机33的CPU型号为Pentium G620 2.6GHz。内存4G，主板中有PCI插槽，可以安装运动控制卡。显示器28选用华硕VA249HE。

压电纤维致动器11由选用芯明天公司的M5628-P1，几何尺寸为67mm×37mm×0.3mm。压电纤维片控制器31选用芯明天公司的HVA1500/50-4四通道，供电电压220VAC，带宽10kHz，放大倍数200，即输入电压-2.5V～7.5V，输出电压-500V～1500V。

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 (10)

1.一种多柔性压电梁耦合振动分析控制装置，其特征在于，包括激励部分、柔性压电梁部分、检测部分及控制部分；

所述激励部分包括伺服电机、减速器、连接杆、滑块、第一导轨、伸缩杆及支撑座；

所述支撑座安装在实验台上，支撑座上安装伺服电机、减速器及第一导轨，所述减速器的输出端通过法兰与连接杆的一端连接，所述连接杆的另一端与滑块连接，所述伸缩杆铰接在滑块上，所述伸缩杆的末端与柔性压电梁部分连接，所述滑块在第一导轨上滑动，伺服电机通过减速器减速，带动法兰旋转，驱动滑块来回移动，产生激励；

所述柔性压电梁部分包括至少一个柔性梁模块，所述柔性梁模块包括第二导轨、滑动底座及柔性梁，所述滑动底座在第二导轨上滑动，所述柔性梁一端固定在滑动底座上，该端为固定端，另一端为自由端，所述自由端设置质量块，所述多个柔性梁模块平行设置；

所述检测部分检测柔性梁的振动信号，得到控制信号，启动控制部分抑制柔性梁的振动。

2.根据权利要求1所述的一种多柔性压电梁耦合振动分析控制装置，其特征在于，所述检测部分包括高速相机、加速度传感器及压电纤维传感器；

所述高速相机通过固定杆安装在柔性梁的上方，柔性梁在高速相机的视野范围内，高速相机拍摄包含柔性梁的图片，输入计算机；

所述加速度传感器安装在柔性梁上，检测柔性梁的振动信号，经过电荷放大器放大，通过端子板传输至运动控制卡，运动控制卡与计算机连接；

所述压电纤维传感器安装在柔性梁上，检测柔性梁的振动信号，经过电荷放大器放大，通过端子板传输至运动控制卡，运动控制卡与计算机连接。

3.根据权利要求2所述的一种多柔性压电梁耦合振动分析控制装置，其特征在于，所述控制部分包括伺服电机驱动器、压电纤维致动器及压电纤维片控制器，

计算机根据所需要的激励信号，生成相应的控制信号，输入运动控制卡，经过端子板，输入伺服电机驱动器，驱动伺服电机；

计算机根据采集的振动信号，生成相应控制信号，输入运动控制卡，经过端子板传输，压电纤维片控制器方法，驱动压电纤维致动器，抑制柔性梁的振动。

4.根据权利要求1所述的一种多柔性压电梁耦合振动分析控制装置，其特征在于，当柔性梁模块个数大于一个时，相邻柔性梁模块之间通过弹簧连接。

5.根据权利要求4所述的一种多柔性压电梁耦合振动分析控制装置，其特征在于，所述相邻柔性梁模块之间通过弹簧连接，具体是，柔性梁的质量块上装有弹簧片固定弹簧，相邻柔性梁之间通过弹簧连接，位于首尾的两个柔性梁，一个与伸缩杆的末端连接，另一个通过弹簧与壁板连接。

6.根据权利要求1所述的一种多柔性压电梁耦合振动分析控制装置，其特征在于，每个柔性梁上的压电纤维传感器的个数为2个，粘贴在距离固定端250mm的中间处，正反两面粘贴，姿态为0°。

7.根据权利要求1所述的一种多柔性压电梁耦合振动分析控制装置，其特征在于，每个柔性梁上的加速度传感器的个数为2个，位置在距离自由端70mm的中间处，正反两面粘贴。

8.根据权利要求1所述的一种多柔性压电梁耦合振动分析控制装置，其特征在于，每个柔性梁上的压电纤维致动器的个数为2个，粘贴在距离固定端100mm的中间处，正反两面粘贴，姿态为0°。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种多柔性压电梁耦合振动分析控制装置，其特征在于，还包括显示器。

10.根据权利要求3所述的一种多柔性压电梁耦合振动分析控制装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

对高速相机进行标定；在柔性板边缘放一个很薄的标定卡；对高速相机的内外参数进行确定；

计算机根据所需的激励ixnhao，生成相应的控制信号，通过运动控制卡及伺服电机驱动器，对伺服电机进行控制，产生相应的激励信号；

计算机通过从高速相机、压电纤维传感器、加速度传感器得到各个柔性梁的振动信息，通过OpenGL软件实现可视化；

通过计算机生产相应的控制量，经过运动控制卡及压电纤维片控制器，作用于压电纤维致动器，对柔性梁进行抑制。