CN112051795B - 一种弹簧连接的移动多柔性梁耦合振动检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种弹簧连接的移动多柔性梁耦合振动检测装置及方法，包括移动多柔性梁本体部分、丝杠传动部分、振动信号检测部分及驱动控制部分；移动柔性梁本体部分包括柔性梁、弹簧等，柔性梁两端自由，且一端通过弹簧耦合连接，中心固定在夹板上可随滑块一起移动；使用压电片传感器、激光位移传感器及加速度传感器检测柔性梁结构的耦合振动信号，基于伺服电机驱动的导轨丝杠以及压电片驱动器作为抑制振动的作动器。该装置可用于研究不同长度及刚度的弹簧对柔性梁耦合振动特性的影响，实现对多柔性梁耦合振动的实时检测与主动控制。
Description
技术领域
本发明涉及柔性结构耦合控制领域，具体涉及一种弹簧连接的移动多柔性梁耦合振动检测装置及方法。
背景技术
柔性结构的质量轻、能耗低且操作灵活，可以广泛应用于航天工程及工业生产领域。柔性结构还具有刚度低、柔性大及低频模态密集的特点，在多柔性结构共同工作时易在外部激励作用下产生不易衰减的耦合振动，影响系统运行的准确性及稳定性。因此柔性结构的耦合振动检测与主动控制方法是当前研究的重点。
激光位移传感器的测量精度高，且为非接触测量方式，不会为柔性梁结构带来额外质量，可减少对柔性梁振动特性的影响，实现对移动多柔性梁结构耦合振动的精确测量。
压电片驱动器具有响应快、频带宽、线性度好、容易加工等特点，广泛应用于柔性梁等挠性结构的振动控制领域，具有良好的控制效果。
伺服电机具有控制精度高、响应快、动态特性好、调速范围宽、操作简便的特点，对于柔性梁姿态调整的大幅值耦合振动，通过轨迹规划等方法控制伺服电机的启停及其转动速度以减小柔性梁移动时的冲击，可实现对大幅值耦合振动的主动控制。且通过调整弹簧的长度和刚度，可以研究不同弹簧特性对移动柔性梁耦合振动特性的影响。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种弹簧连接的移动多柔性梁耦合振动检测装置及方法，实现对移动多柔性梁耦合振动的实时检测与主动控制。
本发明采用如下技术方案：
一种弹簧连接的移动多柔性梁耦合振动检测装置，包括移动多柔性梁本体部分、丝杠传动部分、振动信号检测部分及驱动控制部分；
所述移动多柔性梁本体部分，包括柔性梁、夹板、夹块、弹簧、弹簧联接板、弹簧支架、第一垫板、第二垫板及第三垫板，第二垫板为两块，平行设置在第一垫板上，所述柔性梁为两块，两块柔性梁的中心由夹板和夹块固定在第二垫板上，随第二垫板在水平方向移动，第三垫板设置在第二垫板上，两块柔性梁两端均为自由端，一端通过弹簧耦合连接，另一端悬置，弹簧固定在弹簧联接板上，使柔性梁产生耦合振动，弹簧联接板通过弹簧支架固定在第三垫板上；
所述丝杠传动本体部分包括，伺服电机、导轨丝杠、第一滑块及丝杠垫板，所述丝杠垫板固定在实验台上，导轨丝杠安装在丝杠垫板上，第一滑块与导轨丝杠连接，所述第一垫板安装在第一滑块上，伺服电机带动导轨丝杠转动，使第一滑块在水平方向上移动；
所述振动信号检测部分包括，压电片传感器、激光位移传感器、导轨、第二滑块、加速度传感器、电荷放大器、端子板、运动控制卡及计算机，压电片传感器及加速度传感器设置在柔性梁上，激光位移传感器通过传感器支架安装在第二滑块上，第二滑块与导轨连接；所述激光位移传感器检测柔性梁耦合端的振动信号，通过端子板传输至运动控制卡，再输入计算机中，压电片传感器及加速度传感器检测的弯曲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后，再输入计算机中；
驱动控制部分，包括丝杠驱动控制单元及压电驱动控制单元；
所述丝杠驱动控制单元，包括与伺服电机连接的伺服电机驱动器，伺服电机自带编码器将电机转动信息反馈伺服电机驱动器，计算机根据该反馈信息，生成控制信号，通过运动控制卡及端子板输入伺服电机驱动器，控制伺服电机，驱动第一滑块在水平方向移动；
所述压电驱动控制单元，包括压电片驱动器及压电放大电路，所述压电片驱动器设置在柔性梁上，压电片传感器、激光位移传感器和加速度传感器采集的振动信号输入计算机，计算机得到控制信号，通过运动控制卡和端子板，输入压电放大电路，驱动压电片驱动器。
优选的，所述压电片传感器粘贴在柔性梁宽度方向中心线且距离固定端85mm位置处，姿态角为0°且单面粘贴，每根柔性梁上耦合端与悬置端各粘贴1片，总计4片。
优选的，所述加速度传感器设置在每根柔性梁悬置端宽度方向中心线上，且距离自由端60mm位置处。
优选的，所述压电片驱动器包括16片压电陶瓷片，每根柔性梁粘贴八片，距离柔性梁固定位置25mm，正反两面对称粘贴，每面4片，且关于柔性梁宽度方向中线对称。
优选的，两根柔性梁之间通过弹簧连接，每根柔性梁通过弹簧与弹簧支架连接。
优选的，还包括行程开关，所述行程开关通过行程开关支架位于实验台上。
一种移动多柔性梁耦合振动检测装置的控制方法，包括如下步骤：
第一步 利用压电片传感器、激光位移传感器及加速度传感器分别检测移动多柔性梁的耦合振动及自由振动，得到相应的测量信号；
第二步 将压电片传感器及加速度传感器检测的振动信号经由电荷放大器放大，再由端子板传输至运动控制卡，运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中；同时激光位移传感器检测的振动信号通过端子板传输至运动控制卡，运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中；
第三步 根据振动信号，计算机运行主动控制算法，得到相应的振动控制信号由运动控制卡的D/A转换模块输出，经过端子板传递信号和压电放大电路放大信号，输出到压电片驱动器中以控制柔性梁的振动；同时，计算机根据振动信号以及路径规划生成相应的控制信号通过伺服电机驱动器驱动伺服电机旋转，使与第一滑块连接的柔性梁按预定轨迹在水平方向移动，实现对弹簧连接的柔性梁的耦合振动的控制；
第四步 通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到移动多柔性梁耦合振动特性及控制效果。
优选的，通过弹簧连接实现移动多柔性梁的耦合振动，且弹簧的长度和刚度可调整，以研究不同弹簧特性对移动梁耦合振动特性的影响。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过垫板的合理设计与布置，搭建出一个弹簧连接的多柔性梁耦合振动的移动检测与控制实验平台，实验平台的柔性梁距离、弹簧特性等各项参数可调整，为研究不同弹簧长度及刚度对柔性梁耦合振动特性的影响提供了有利条件。
(2)本发明采用激光位移传感器对柔性梁耦合振动进行非接触式测量，测量精度高且不影响耦合柔性梁的振动特性。
(3)本发明采用伺服电机驱动和压电片驱动器组合的方式复合控制柔性梁结构的振动，互补单独控制的缺点，通过伺服电机驱动的轨迹规划方法从源头上减小柔性梁的振动以及压电片驱动快速抑制柔性梁的残余振动，实现对柔性耦合梁振动的快速控制。
(4)本发明采用多传感器组合的检测方法，可实现对柔性梁振动信号的准确稳定测量。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是图1的移动多柔性梁的结构示意图；
图3是图1中丝杠驱动部分的结构示意图；
图4是图1的主视图；
图5是图1的俯视图；
图6是图1的右视图；
图7是本发明的振动控制流程框图。
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6所示，一种弹簧连接的移动多柔性梁耦合振动检测装置，包括移动多柔性梁本体部分、丝杠传动部分、振动信号检测部分及驱动控制部分；
所述移动多柔性梁本体部分，包括柔性梁15、夹板21、夹块20、弹簧7、弹簧联接板1、弹簧支架9、吊环螺钉10、吊环螺母14、第一垫板16、第二垫板6及第三垫板8；第一垫板安装在第一滑块33上，可随第一滑块在水平方向移动，第一垫板只有一块；第二垫板为两块，平行设置在第一垫板上，可以随第一垫板在水平方向移动且第二垫板的安装位置可以调整。夹板固定在第二垫板上，柔性梁为两块，分别通过夹板和夹快固定在第二垫板上，固定位置位于柔性梁的中间位置，可随第二垫板在水平方向移动，第三垫板搭接在第二垫板上，可随第二垫板在水平方向移动且安装位置可调整。两块柔性梁的材料，尺寸及其他设置元件均相同。
柔性梁的两端均为自由端，一端通过弹簧耦合连接，另一端悬置，第三垫板上布置有安装位置可调的弹簧支架9及弹簧联接板，弹簧通过吊环螺钉及吊环螺母固定在柔性梁和弹簧联接板上，使柔性梁产生耦合振动。
本实施例中，两个柔性梁之间通过一根弹簧连接，两个柔性梁分别通过一根弹簧与弹簧联接板连接，三根弹簧位于同一条直线上。
本实施例中，当柔性梁产生振动时，一端为弹簧连接的耦合振动，另一端为自由弯曲振动；通过第一垫板、第二垫板及第三垫板的合理设计，搭建出多柔性梁移动平台，为移动多柔性梁耦合振动信号的检测及控制提供了有利条件。
——丝杠传动部分包括：
伺服电机11、电机法兰12、联轴器13、导轨丝杠25、第一滑块33及丝杠垫板26；所述丝杠垫板与实验台24固定，导轨丝杠安装在丝杠垫板上，第一滑块与导轨丝杠连接；伺服电机通过联轴器带动导轨丝杠转动，从而使第一滑块在水平方向上移动。
——振动信号检测部分包括：
压电片传感器17、激光位移传感器5、传感器支架4、导轨3、第二滑块2、加速度传感器19、电荷放大器27、端子板29、运动控制卡30及计算机31；柔性梁15耦合端通过激光位移传感器5和压电片传感器17检测振动信号；柔性梁15悬置端通过加速度传感器19和压电片传感器17检测振动信号；所述激光位移传感器5通过传感器支架4安装在第二滑块2上，第二滑块2与导轨3连接，方便调整激光位移传感器5与柔性梁15的距离；所述压电片传感器17粘贴在梁宽度方向中心线且距离固定端85mm位置处，姿态角为0°且单面粘贴，每根柔性梁上耦合端与悬置端各粘贴1片，总计4片；所述加速度传感器19安装在每根柔性梁悬置端宽度方向中心线上距离自由端60mm位置处，总计2个；所述激光位移传感器检测的柔性梁耦合振动信号通过端子板传输至运动控制卡30，由其A/D转换模块转换后传输至计算机处理；所述压电片传感器和加速度传感器检测的弯曲振动信号经过电荷放大器放大以后，通过端子板传输至运动控制卡，由其内部的A/D转换模块进行转换，再输入到计算机中处理。
——驱动控制部分，包括丝杠驱动控制单元及压电驱动控制单元；
一是丝杠驱动控制单元：包括伺服电机驱动器32、行程开关22、行程开关支架23；所述伺服电机驱动器32采用速度控制或位置控制的方式与伺服电机11连接，伺服电机11自带的编码器可以将电机转动信息反馈给伺服电机驱动器；计算机根据反馈信息运行控制算法，生成相应的控制信号，通过运动控制卡的D/A转换模块转换和端子板的信息传递，输入至伺服电机驱动器，控制伺服电机转动以驱动第一滑块按一定轨迹在水平方向移动，从而控制柔性梁的移动和振动；行程开关通过行程开关支架布置在实验台上，以限制柔性梁在水平方向上的最大位移；
二是压电驱动控制单元：包括压电片驱动器18、压电放大电路28；所述压电片驱动器粘贴在柔性梁距离固定端25mm位置处，固定端两侧对称双面粘贴，姿态角为0°且关于梁宽度方向中线对称，每面4片，总计16片；压电片传感器、激光位移传感器和加速度传感器采集的振动信号输入到计算机中，计算机运行主动控制算法生成相应的控制信号，通过运动控制卡的D/A转换模块转换和端子板的传输，输入到压电放大电路将模拟信号放大，再输出到压电片驱动器，从而抑制柔性梁的残余振动。
本实施例可以通过伺服电机和导轨丝杠驱动柔性梁在水平方向移动以控制柔性梁的移动和振动；同时可以用压电片驱动器抑制柔性梁的振动，实现对振动的双重控制。
本装置中，第一垫板水平放置，两个第二垫板竖直放置，第三垫板水平放置在两个第二垫板上。
如图7所示，上述装置的控制过程，包括如下步骤：
第一步 利用压电片传感器、激光位移传感器及加速度传感器分别检测移动多柔性梁的耦合振动及自由振动，得到相应的测量信号；
第二步 将压电片传感器及加速度传感器检测的振动信号经由电荷放大器放大，再由端子板传输至运动控制卡，运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中；同时激光位移传感器检测的振动信号通过端子板传输至运动控制卡，运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中；
第三步 根据振动信号，计算机运行主动控制算法，得到相应的振动控制信号由运动控制卡的D/A转换模块输出，经过端子板传递信号和压电放大电路放大信号，输出到压电片驱动器中以控制柔性梁的振动；同时，计算机根据振动信号以及路径规划生成相应的控制信号通过伺服电机驱动器驱动伺服电机旋转，使与第一滑块连接的柔性梁按预定轨迹在水平方向移动，实现对弹簧连接的柔性梁的耦合振动的控制；
第四步 通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到移动多柔性梁耦合振动特性及控制效果。
图1中的虚线指示了各个设备之间的连线关系，方向箭头表明了检测和控制信号流的传递方向。
在本实施例中，柔性梁的材料选用环氧树脂薄板，其几何尺寸为1700mm×150mm×2mm，弹性模量为Ep＝26.8Gpa，密度为ρ＝1980kg/m3。
压电片驱动器和压电片传感器由压电陶瓷材料制成，其中压电片驱动器几何尺寸为60mm×25mm×2mm，压电片传感器几何尺寸为50mm×20mm×2mm，均成片状粘贴在柔性梁上。压电陶瓷材料的弹性模量和压电应变常量分别为Ep＝63Gpa，d31＝166pm/V。
激光位移传感器选用PANASONIC公司型号为HG-C1100的高精度激光位移传感器，其测量中心距离为100mm，测量范围为±35mm；加速度传感器的型号为Kistler公司的8310B2型电容式传感器，其标称灵敏度为1000mv/g，测量频率范围为0-250Hz。
伺服电机选用三菱电机公司型号为HC-KFS43的交流伺服电机，其功率和最大转速分别为400W和3000r/min；伺服电机驱动器选用三菱电机公司型号为MR-J2S-40A的伺服驱动器。
导轨丝杠选用THK公司的KR55型滚动导轨组合单元，其带有两个长型螺母滑块，能实现无间隙高刚性的导向，满足高精度进给的需要；导轨和第二滑块选用ZHK公司的SGR10E导轨以及配套的SGB10E滑块。
实验台由三种长度分别为680mm、500mm、480mm的铝型材通过角铁组装而成，实验台端面为一块1120mm×600mm×10mm的铝合金板，通过螺钉与铝型材连接。
电荷放大器选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器；压电放大电路可选用型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX的压电放大器，其放大倍数可达到52倍，即将-5V～+5V放大到-260～+260V，输出高压信号驱动压电陶瓷片以抑制振动。
运动控制卡选用固高公司生产的GTS-400-PV-PCI系列运动控制器，其带有标准的PCI总线接口及4路可控轴数，可提供范围为-10V～+10V的模拟量输入和输出；选用的计算机的CPU型号为Pentium G620 2.6GHz，内存4G，主板中有PCI插槽，可安装运动控制卡。
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 (6)
1.一种弹簧连接的移动多柔性梁耦合振动检测装置，其特征在于，包括移动多柔性梁本体部分、丝杠传动部分、振动信号检测部分及驱动控制部分；
所述移动多柔性梁本体部分，包括柔性梁、夹板、夹块、弹簧、弹簧联接板、弹簧支架、第一垫板、第二垫板及第三垫板，第二垫板为两块，平行设置在第一垫板上，所述柔性梁为两块，两块柔性梁的中心由夹板和夹块固定在第二垫板上，随第二垫板在水平方向移动，第三垫板设置在第二垫板上，两块柔性梁两端均为自由端，一端通过弹簧耦合连接，另一端悬置，弹簧固定在弹簧联接板上，使柔性梁产生耦合振动，弹簧联接板通过弹簧支架固定在第三垫板上；
所述丝杠传动部分包括，伺服电机、导轨丝杠、第一滑块及丝杠垫板，所述丝杠垫板固定在实验台上，导轨丝杠安装在丝杠垫板上，第一滑块与导轨丝杠连接，所述第一垫板安装在第一滑块上，伺服电机带动导轨丝杠转动，使第一滑块在水平方向上移动；
所述振动信号检测部分包括，压电片传感器、激光位移传感器、导轨、第二滑块、加速度传感器、电荷放大器、端子板、运动控制卡及计算机，压电片传感器及加速度传感器设置在柔性梁上，激光位移传感器通过传感器支架安装在第二滑块上，第二滑块与导轨连接；所述激光位移传感器检测柔性梁耦合端的振动信号，通过端子板传输至运动控制卡，再输入计算机中，压电片传感器及加速度传感器检测的弯曲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后，再输入计算机中；
驱动控制部分，包括丝杠驱动控制单元及压电驱动控制单元；
所述丝杠驱动控制单元，包括与伺服电机连接的伺服电机驱动器，伺服电机自带编码器将电机转动信息反馈伺服电机驱动器，计算机根据反馈信息，生成控制信号，通过运动控制卡及端子板输入伺服电机驱动器，控制伺服电机，驱动第一滑块在水平方向移动；
所述压电驱动控制单元，包括压电片驱动器及压电放大电路，所述压电片驱动器设置在柔性梁上，压电片传感器、激光位移传感器和加速度传感器采集的振动信号输入计算机，计算机得到控制信号，通过运动控制卡和端子板，输入压电放大电路，驱动压电片驱动器；
所述压电片传感器粘贴在柔性梁宽度方向中心线且距离固定端85mm位置处，姿态角为0°且单面粘贴，每根柔性梁上耦合端与悬置端各粘贴1片，总计4片；
所述加速度传感器设置在每根柔性梁悬置端宽度方向中心线上，且距离自由端60mm位置处。
2.根据权利要求1所述的移动多柔性梁耦合振动检测装置，其特征在于，所述压电片驱动器包括16片压电陶瓷片，每根柔性梁粘贴八片，距离柔性梁固定位置25mm，正反两面对称粘贴，每面4片，且关于柔性梁宽度方向中线对称。
3.根据权利要求1所述的移动多柔性梁耦合振动检测装置，其特征在于，两根柔性梁之间通过弹簧连接，每根柔性梁通过弹簧与弹簧支架连接。
4.根据权利要求1-3任一项所述的移动多柔性梁耦合振动检测装置，其特征在于，还包括行程开关，所述行程开关通过行程开关支架位于实验台上。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述的移动多柔性梁耦合振动检测装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步利用压电片传感器、激光位移传感器及加速度传感器分别检测移动多柔性梁的耦合振动及自由振动，得到相应的测量信号；
第二步将压电片传感器及加速度传感器检测的振动信号经由电荷放大器放大，再由端子板传输至运动控制卡，运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中；同时激光位移传感器检测的振动信号通过端子板传输至运动控制卡，运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中；
第三步根据振动信号，计算机运行主动控制算法，得到相应的振动控制信号由运动控制卡的D/A转换模块输出，经过端子板传递信号和压电放大电路放大信号，输出到压电片驱动器中以控制柔性梁的振动；同时，计算机根据振动信号以及路径规划生成相应的控制信号通过伺服电机驱动器驱动伺服电机旋转，使与第一滑块连接的柔性梁按预定轨迹在水平方向移动，实现对弹簧连接的柔性梁的耦合振动的控制；
第四步通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到移动多柔性梁耦合振动特性及控制效果。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，通过弹簧连接实现移动多柔性梁的耦合振动，且弹簧的长度和刚度可调整，以研究不同弹簧特性对移动梁耦合振动特性的影响。
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