CN111993464A - 一种弹簧耦合旋转多体机械臂系统振动测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弹簧耦合旋转多体机械臂系统振动测试装置及方法，包括驱动控制部分、检测部分及柔性压电梁本体部分；所述柔性压电梁本体部分包括柔性梁、旋转平台板、弹簧、固定支架及侧立板，所述检测部分包括线激光及位置灵敏探测器，所述驱动控制部分包括压电纤维片、伺服电机、伺服电机驱动器、压电纤维片控制器、端子板、运动控制卡及计算机。本发明利用PSD采集柔性梁自由端位移信息，计算机结合传感器信息，通过特定算法输出控制信号，对柔性梁的振动进行控制。本装置组装方便，可以调节弹簧刚度，旋转速度，用于测量旋转状态下，耦合柔性梁的振动特性。
Description
技术领域
本发明涉及轨道柔性多体系统振动控制领域，具体涉及一种弹簧耦合旋转多体机械臂系统振动测试装置及方法。
背景技术
自适应弹性力学结构，又被称为智能结构，其典型特征是具有搭载嵌入式执行器和传感器的空间可延伸的载体结构，以实现瞬态形状控制。这种能力在很多领域都提供了应用的机会，例如：自适应光学，汽车工程中的扰流器和航空工程中的自适应太阳帆。此类结构上，经常含有部分细长的柔性臂结构。此类结构易受激产生持续振动从而影响航天器的正常工作。具体到机械臂领域，与传统刚性机械臂相比,柔性机械臂具有质量轻、结构简单、高速和能耗低等优点。然而,由于柔性臂结构固有的刚度低的特点,使其在运动过程中或由于外界干扰时,会产生较长时间的大幅值振动。若不对这种振动进行有效抑制,将会影响柔性臂的定位精度和控制性能,严重时甚至会造成柔性臂结构疲劳损伤。因此,对柔性臂的弹性振动控制显得尤为必要。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明的首要目的是提供一种弹簧耦合旋转多体机械臂系统振动测试装置，本装置是一种可控旋转速度、振动方式并且方便测量的柔性多体机械臂系统。
本发明的另一个目的是提供一种弹簧耦合旋转多体机械臂系统振动测试装置的方法。
本发明的首要目的是采用如下技术方案实现
一种弹簧耦合旋转多体机械臂系统振动测试装置，包括驱动控制部分、检测部分及柔性压电梁本体部分；
所述柔性压电梁本体部分包括柔性梁、旋转平台板、弹簧、固定支架及侧立板；所述侧立板为四块，四块侧立板设置在旋转平台板上，且关于旋转平台板中心对称，每块侧立板安装两块相互平行的柔性梁，两块柔性梁的自由端通过弹簧连接，固定支架设置在每块柔性梁的外侧，所述固定支架通过弹簧与柔性梁的自由端连接；
所述检测部分包括线激光及位置灵敏探测器，所述线激光安装在侧立板上，所述位置灵敏探测器安装在柔性梁自由端的一角，所述线激光及位置灵敏探测器检测柔性梁信号输入驱动控制部分；
所述驱动控制部分包括压电纤维片、伺服电机、伺服电机驱动器、压电纤维片控制器、端子板、运动控制卡及计算机，每个柔性梁在固定端设置一片压电纤维片；所述计算机与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡与端子板相互连接，所述端子板分别与压电纤维片控制器及伺服电机驱动器相互连接，所述伺服电机驱动器与伺服电机连接驱动旋转平台板旋转，所述压电纤维片控制器与压电纤维片连接。
优选的，线激光的中心轴线与位置灵敏探测器的感光元件中心高度一致。
优选的，压电纤维片安装在柔性梁宽度中心线，且距固定端100mm处。
优选的，线激光投射面与柔性梁平行，线激光的中心轴线高于柔性梁上端60mm，且在装置静止状态时通过位置灵敏探测器的感光元件中心。
优选的，四块侧立板构成方形。
优选的，柔性梁竖直放置。
优选的，两块柔性梁的自由端通过弹簧连接，具体为：在柔性梁自由端的宽度中心线上设有通孔，用于穿过吊环，弹簧穿过吊环与相邻的梁或固定支架相连，构成柔性梁的耦合关系。
优选的，所述驱动控制部分还包括联轴器、第一阶梯轴、锥齿轮、回转支承内圈及正齿轮，所述伺服电机通过联轴器带动安装在第一阶梯轴的锥齿轮旋转，从而通过啮合从动轴的锥齿轮带动从动轴，从动轴的正齿轮与回转支承内圈啮合驱动旋转平台旋转。
一种基于弹簧耦合旋转多体机械臂系统振动测试装置的控制方法，包括如下步骤：
第一步，组装实验台；
第二步，计算机生成控制信号，通过运动控制卡以及伺服电机驱动器对伺服电机进行控制，从而使旋转平台按照预定速度旋转；
第三步，由旋转平台旋转引起柔性梁振动，位置灵敏探测器由于激光照射位置的变化的横向光电效应，产生电信号记录梁自由端的位移情况，电信号经过处理，通过端子板传输至运动控制卡，由运动控制卡的A/D转换端口处理后传输至计算机进行处理；
第四步，计算机根据输入信号产生相应的控制量，经过运动控制卡和端子板作用于压电纤维片控制器，使压电纤维片产生弯矩对柔性板振动进行控制。
本发明的有益效果：
(1)弹簧耦合的环氧梁组在旋转平台上的位置关于旋转轴中心对称，防止质量分布不均在旋转过程中对所测数据带来意外影响。
(2)环氧梁使用压电纤维片控制振动，并在梁自由端用线激光和位置灵敏探测器测量振动，致动及反馈安装方便，测量精度较高，且方便做闭环控制。
(3)传动机构结构紧凑，安装可靠，且控制了合适的减速比放大力矩，便于进行平台的稳定低速旋转；
(4)整个装置可分为多个模块，便于分别组装后在组合成整体，减小了搭建实验平台的难度。
附图说明
图1为本发明总体结构的轴测图。
图2为图1的侧面剖视图。
图3为回转支承内齿和从动轴正齿轮的啮合情况示意图。
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3所示，一种弹簧耦合旋转多体机械臂系统振动测试装置，其特征在于，包括驱动控制部分、检测部分及柔性压电梁本体部分；
所述柔性压电梁本体部分包括柔性梁4、角接件5、旋转平台板1、弹簧2、固定支架3及侧立板9；所述侧立板为四块，四块侧立板通过角铝中心的设置在旋转平台板上，且关于旋转平台板中心对称，本实施例中四块侧立板构成方形，每块侧立板通过角接件安装两块间隔一定距离，且相互平行的柔性梁，两块柔性梁沿着长度方向向方形外侧伸展，与侧立板固定的一端称为固定端，另一端为自由端。
两块柔性梁的自由端通过弹簧连接，固定支架间隔一定距离设置在每块柔性梁的外侧，且位于旋转平台板上。两块柔性梁之间为内侧，所述固定支架通过弹簧与柔性梁的自由端连接；具体为，在柔性梁的自由端附近的宽度中心线上有通孔，用于穿过吊环螺栓，与吊环螺母拧紧，一同贴合在梁上。弹簧2穿过这些吊环将柔性梁与相邻的梁或是固定支架3相连，构成柔性梁组的耦合关系。
本实施例中旋转平台板为两块矩形板垂直交叉构成，四块侧立板位于十字交叉的中心位置，四组柔性梁分别位于十字交叉的四个方向，柔性梁为环氧树脂材料。
所述检测部分包括线激光7、激光支架8、位置灵敏探测器(PSD)10、PSD固定件11、端子板15、运动控制卡16及计算机17；
线激光通过激光支架安装在侧立板上，PSD通过PSD固定件安装在柔性梁自由端一角，其中线激光的中心轴线和PSD的感光元件中心高度一致。当柔性梁开始振动时，PSD由于激光照射位置的变化的横向光电效应，产生电信号记录梁自由端的位移情况，电信号经过处理，通过端子板传输至运动控制卡，由控制卡的A/D转换端口处理后传输至计算机进行处理。
优选方式，线激光投射面与柔性梁平行，线激光的中心轴线高于柔性梁上端60mm，且在装置静止状态下通过PSD的感光元件中心；
所述驱动控制部分包括压电纤维片6、伺服电机18、压电纤维片控制器13及伺服电机驱动器14；
计算机对伺服电机18的控制方式为：计算机27根据预设的装置的旋转速度，考虑减速比后生成相应的控制信号输入到运动控制卡16中，由D/A模块转换后，信号经过端子板15输入到伺服电机驱动器14，采用速度控制方式对伺服电机1的转速进行控制；
计算机对压电纤维控制器13的控制方式为：计算机对梁振动时，PSD采集到的梁自由端的位移信息，经过特点算法生成相应的控制信号。控制信号输入运动控制卡16进行D/A转换，后经端子板15传输至压电纤维片控制器13进行压电纤维片6上的电压控制，进而抑制或控制柔性梁的振动。
每个柔性梁上的压电纤维片个数为1，安装在柔性梁宽度中心线距固定端100mm处。
所述驱动控制部分还包括：联轴器19、轴支座20、第一阶梯轴22、锥齿轮23、深沟球轴承21、轴支架25、第二阶梯轴26、正齿轮27、回转支承外圈29、回转支承内圈30、底座24、支承固定件28、旋转平台板1；
底座24上面安装有轴支座20、轴支架25、支承固定件28；伺服电机18通过自身的螺纹孔安装在轴支架25的一端，另一端的孔与2个深沟球轴承21的外径过盈配合；电机轴通过联轴器19与第一阶梯轴22联接，第一阶梯轴穿过深沟球轴承21内孔，与其内径过盈配合；锥齿轮23安装面有螺纹孔与第一阶梯轴法兰端连接；轴支架25上的从动轴系从下至上依次为锥齿轮23、第一阶梯轴、联轴器19、第二阶梯轴26、正齿轮27，它们的连接关系与所述主动轴上零件一致；回转支承分为内圈30和外圈29，内圈上带有齿，与正齿轮内啮合且通过安装孔固定在旋转平台板1上，外圈通过安装孔与支承固定件28连接；
伺服电机18通过联轴器19带动安装在阶梯轴22上的锥齿轮23旋转，从而通过啮合从动轴上的锥齿轮带动从动轴，从动轴的正齿轮27与回转支承内圈30啮合驱动旋转平台旋转；
所述的一种弹簧耦合旋转多体机械臂系统振动测试装置及方法，包括以下步骤：
第一步，组装实验台，将主动轴和从动轴上的各零件分别装配在轴支座20和轴支架25上，再将两者通过基座24上的安装孔确定位置；然后通过支承固定件28安装回转支承；在回转支承内圈30上固定旋转平台板1后，先将各柔性压电梁模块安装在侧立板9上，再将组装后的部分与固定支架3一起安装在平台上，最后利用吊环螺栓及螺母把各处弹簧安装上；
第二步，使用计算机17生成控制信号，通过运动控制卡16以及伺服电机驱动器14，对伺服电机18进行控制，产生相应的激励信号，使整个平台按预定速度旋转；
第三步，由平台旋转引起柔性压电梁模块的振动后，计算机17通过从PSD10得到各个柔性梁自由端的位移信息，通过OpenGL软件实现振动状态在计算机配套显示器上的可视化；
第四步，使用特定算法，通过计算机17产生相应的控制量，经过运动控制卡16和端子板15，作用于压电纤维片控制器13，使压电纤维片6产生弯矩对柔性板的振动进行控制；
第五步，改变控制相关参数，回到第二步，反复实验后统计实验结果，得到弹簧耦合旋转多体机械臂系统在给定转速下的振动特性及算法的振动抑制效果；
柔性梁4的材料为环氧树脂，几何尺寸为764mm×150mm×2mm，弹性模量为Ep＝26.3GPa，密度为ρ＝1980kg/m3。
伺服电机18采用DJI的M3508，其功率为240W，额定电压为DC24V；伺服电机驱动器14选用RM C620电调。电机自带行星减速箱，减速比为19。
压电纤维片6选用芯明天公司的M8528-P2，其几何尺寸为85mm×31mm×0.5mm。静电容量为177.07nF，致动宽度为28mm，杨氏模量为Ep＝63GPa，压电应变常数为-166×10-12C/N。压电纤维片控制器13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。
锥齿轮23模数为3，齿数为20，小齿轮齿数为12，轴交角为90°。正齿轮27模数为5，齿数为25，齿宽为60mm。回转支承内圈齿型模数为5，齿数为80，内圈与外圈高度均为60mm。
PSD6采用达瑞鑫光电科技的DRX-1DPSD-OAO3-34，光谱响应范围为320nm～1100nm，工作电压、电流为DC±15V，20mA。适用的激光器功率为1～5mW。
选用的计算机17的CPU型号为Pentium G620 2.6GHz。可以通过主板中的PCI插槽安装运动控制卡。运动控制卡16选用美国GALIL公司生产的DMC-2x00数字运动控制器。计算机配套显示器型号为飞利浦275M1RZ
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 (9)
1.一种弹簧耦合旋转多体机械臂系统振动测试装置，其特征在于，包括驱动控制部分、检测部分及柔性压电梁本体部分；
所述柔性压电梁本体部分包括柔性梁、旋转平台板、弹簧、固定支架及侧立板；所述侧立板为四块，四块侧立板设置在旋转平台板上，且关于旋转平台板中心对称，每块侧立板安装两块相互平行的柔性梁，两块柔性梁的自由端通过弹簧连接，固定支架设置在每块柔性梁的外侧，所述固定支架通过弹簧与柔性梁的自由端连接；
所述检测部分包括线激光及位置灵敏探测器，所述线激光安装在侧立板上，所述位置灵敏探测器安装在柔性梁自由端的一角，所述线激光及位置灵敏探测器检测柔性梁信号输入驱动控制部分；
所述驱动控制部分包括压电纤维片、伺服电机、伺服电机驱动器、压电纤维片控制器、端子板、运动控制卡及计算机，每个柔性梁在固定端设置一片压电纤维片；所述计算机与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡与端子板相互连接，所述端子板分别与压电纤维片控制器及伺服电机驱动器相互连接，所述伺服电机驱动器与伺服电机连接驱动旋转平台板旋转，所述压电纤维片控制器与压电纤维片连接。
2.根据权利要求1所述的弹簧耦合旋转多体机械臂系统振动测试装置，其特征在于，线激光的中心轴线与位置灵敏探测器的感光元件中心高度一致。
3.根据权利要求1所述的弹簧耦合旋转多体机械臂系统振动测试装置，其特征在于，压电纤维片安装在柔性梁宽度中心线，且距固定端100mm处。
4.根据权利要求1所述的弹簧耦合旋转多体机械臂系统振动测试装置，其特征在于，线激光投射面与柔性梁平行，线激光的中心轴线高于柔性梁上端60mm，且在装置静止状态时通过位置灵敏探测器的感光元件中心。
5.根据权利要求1所述的弹簧耦合旋转多体机械臂系统振动测试装置，其特征在于，四块侧立板构成方形。
6.根据权利要求1所述的弹簧耦合旋转多体机械臂系统振动测试装置，其特征在于，柔性梁竖直放置。
7.根据权利要求1所述的弹簧耦合旋转多体机械臂系统振动测试装置，其特征在于，两块柔性梁的自由端通过弹簧连接，具体为：在柔性梁自由端的宽度中心线上设有通孔，用于穿过吊环，弹簧穿过吊环与相邻的梁或固定支架相连，构成柔性梁的耦合关系。
8.根据权利要求1所述的弹簧耦合旋转多体机械臂系统振动测试装置，其特征在于，所述驱动控制部分还包括联轴器、第一阶梯轴、锥齿轮、回转支承内圈及正齿轮，所述伺服电机通过联轴器带动安装在第一阶梯轴的锥齿轮旋转，从而通过啮合从动轴的锥齿轮带动从动轴，从动轴的正齿轮与回转支承内圈啮合驱动旋转平台旋转。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述的弹簧耦合旋转多体机械臂系统振动测试装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，组装实验台；
第二步，计算机生成控制信号，通过运动控制卡以及伺服电机驱动器对伺服电机进行控制，从而使旋转平台按照预定速度旋转；
第三步，由旋转平台旋转引起柔性梁振动，位置灵敏探测器由于激光照射位置的变化的横向光电效应，产生电信号记录梁自由端的位移情况，电信号经过处理，通过端子板传输至运动控制卡，由运动控制卡的A/D转换端口处理后传输至计算机进行处理；
第四步，计算机根据输入信号产生相应的控制量，经过运动控制卡和端子板作用于压电纤维片控制器，使压电纤维片产生弯矩对柔性板振动进行控制。
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