CN112082719A - 一种扭簧连接的多柔性梁耦合振动检测装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扭簧连接的多柔性梁耦合振动检测装置及控制方法，包括旋转柔性梁本体部分、振动信号检测部分及驱动控制部分；旋转柔性梁本体部分包括柔性梁、夹板、夹块与扭簧等，柔性梁通过夹板与夹块固定，夹板底部安装有轴承，且与传动轴之间通过扭簧连接，可使柔性梁产生耦合振动；振动信号检测部分通过压电片传感器和加速度传感器检测各柔性梁的耦合振动信号；驱动控制部分通过规划和优化柔性梁运动轨迹，降低柔性梁运动过程中激起的耦合振动，并利用压电片驱动器抑制柔性梁的残余振动，实现对多柔性梁耦合振动的快速抑制和主动控制。

Description

一种扭簧连接的多柔性梁耦合振动检测装置及控制方法

技术领域

本发明涉及柔性结构振动检测控制领域，具体涉及一种扭簧连接的多柔性梁耦合振动检测装置及控制方法。

背景技术

随着科学技术的发展，为了满足低能耗、高精度的工作要求，质量轻且操作灵活的柔性结构在太阳能电池、大尺寸机械臂等航空航天及工业生产领域得到广泛应用。但由于刚度低及低频模态密集的特点，当电机驱动柔性结构转动及运动停止时，易激起柔性结构的大幅值振动以及不易衰减的残余振动，尤其当多连杆柔性结构的关节刚度较低时，各柔性结构的振动还会表现出强耦合现象，严重影响系统的工作效率及使用寿命。因此，对多柔性结构耦合振动快速抑制的研究具有重大意义。

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扭簧连接的多柔性梁耦合振动检测装置，实现对旋转多柔性梁耦合振动的实时检测与主动控制。

本发明的次要目的是提供一种扭簧连接的多柔性梁耦合振动检测装置的控制方法。

本发明采用如下技术方案：

一种扭簧连接的多柔性梁耦合振动检测装置，包括旋转柔性梁本体部分、振动信号检测部分及驱动控制部分；

所述旋转柔性梁本体部分包括，轮毂、第一柔性梁、第一扭簧、第一轴承、第一夹板、第一夹块、第二柔性梁、第二扭簧、第二轴承、第二夹板、第二夹块、第三柔性梁及第四柔性梁，

所述第一夹块固定在第一夹板上，第一柔性梁及第二柔性梁固定在第一夹块的两侧，所述第三柔性梁及第四柔性梁固定在第二夹块的两侧，所述第二夹块固定在第二夹板上，所述第二夹板的底部安装有第二扭簧及第二轴承，所述第二轴承与第一夹板顶部的阶梯轴连接，所述第一夹板的底部安装第一扭簧及第一轴承，所述第一轴承与轮毂的阶梯轴连接；

所述振动信号检测部分用于检测旋转柔性梁本体部分的弯曲振动信号；

所述驱动控制部分，用于接收弯曲振动信号，驱动旋转柔性梁本体部分转动及抑制柔性梁的振动。

优选的，所述振动信号检测部分包括压电传感器、加速度传感器、电荷放大器、端子板、运动控制卡及计算机；

所述压电传感器及加速度传感器设置在柔性梁上，压电传感器及加速度传感器检测弯曲振动信号输入电荷放大器，通过端子板将模拟信号输入运动控制卡，运动控制卡与计算机连接。

优选的，所述驱动控制部分包括伺服电机驱动控制单元及压电控制单元；

所述伺服电机驱动控制单元包括伺服电机驱动器、伺服电机及行星减速器，所述伺服电机驱动器与伺服电机连接，所述伺服电机通过行星减速器驱动轮毂转动，所述伺服电机驱动器与端子板相互连接；

所述压电控制单元包括压电片驱动器及压电放大电路，每个柔性梁均设置压电片驱动器，计算机根据振动信号运行振动主动控制算法得到控制量，经过运动控制卡和端子板的传输，输入压电放大电路，控制压电片驱动器抑制各柔性梁的耦合振动。

优选的，所述压电片传感器包括四片压电陶瓷片，每个柔性梁安装一片压电陶瓷片，粘贴在柔性梁宽度方向中心线上，距离固定端80mm位置，姿态角0°且单面粘贴。

优选的，所述加速度传感器包括四个，分别安装在各柔性梁宽度方向中心线上，距离自由端50mm位置。

优选的，所述压电片驱动器包括16片压电陶瓷片，每个柔性梁安装四片，粘贴在柔性梁距离固定端25mm位置，姿态角为0°，双面粘贴，每面两片，且关于梁宽度方向中心线对称，两面压电陶瓷片极性相反且并联连接。

优选的，所述第一夹板为工字形。

优选的，所述第二夹板为T字形。

一种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 计算机运行相应的轨迹规划算法，规划多柔性梁点到点的运动轨迹并优化轨迹参数；

第二步 伺服电机的编码器测量当前采样时刻的角度和角速度，并通过伺服电机驱动器、端子板及运动控制卡反馈到计算机；压电片传感器和加速度传感器分别测量各柔性梁的弯曲振动信号，经过电荷放大器的放大、端子板的传输及运动控制卡A/D模块的转换，最终反馈到计算机；

第三步 根据编码器反馈的伺服电机转动信息，计算机运行相应的控制算法，输出控制量，经过运动控制卡D/A模块的转换和端子板的传输，通过伺服电机驱动器控制伺服电机跟踪规划轨迹，直至到达目标位置停止运动；同时，计算机根据压电片传感器和加速度传感器反馈的柔性梁振动信号，运行相应的振动主动控制算法，输出伺服电机的控制量和压电片驱动器的控制量，经过运动控制卡D/A模块的转换和端子板的传输，分别通过伺服电机驱动器和压电放大电路控制伺服电机和压电片驱动器抑制多柔性梁的耦合振动；

第四步 通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到旋转多柔性梁耦合振动特性及控制效果。

本发明相对于现有技术具有如下的效果：

(1)本发明通过对轮毂和夹板的合理设计，使其能够与扭簧组装为弹性关节，为旋转多柔性梁耦合振动特性及控制方法的研究提供了有利条件。此外，扭簧的刚度大小可调整，方便研究关节弹性对运动柔性梁振动特性的影响。

(2)本发明通过对伺服电机的轨迹进行规划和优化，减少运动过程中扭簧连接的柔性梁产生的弹性振动大小，提高运动的平稳性和精度。

(3)本发明采用伺服电机和压电片驱动器共同作为振动抑制的执行器，利用伺服电机快速抑制大幅值振动，压电片驱动器抑制小幅值残余耦合振动，提出了扭簧连接多柔性梁耦合振动的复合控制方法。

(4)本发明采用多传感器组合的方式测量扭簧连接多柔性梁的耦合振动信号，有利于对其振动检测方法进行研究。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中旋转多柔性梁的结构示意图；

图3是弹性关节的剖视图；

图4是图1的主视图；

图5是图1的俯视图；

图6是图1的左视图；

图7是本发明的控制流程图。

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，一种扭簧连接的多柔性梁耦合振动检测装置,包括旋转柔性梁本体部分、振动信号检测部分及驱动控制部分；

——旋转柔性梁本体部分包括：

轮毂5、第一柔性梁7、第一扭簧6、第一轴承26、第一夹板10、第一夹块17、第二柔性梁19、第二扭簧11、第二轴承27、第二夹板13、第二夹块12、第三柔性梁9及第四柔性梁16；

所述第一柔性梁7和第二柔性梁19通过第一夹板10和第一夹块17固接，第三柔性梁9和第四柔性梁16通过第二夹板13和第二夹块12固接；所述轮毂与行星减速器4之间通过键连接，轮毂上端布置有安装第一扭簧的凹槽以及用于传动且可作为扭簧导引的阶梯轴；所述第一夹板的形状为工字形，其底部有安装第一扭簧与第一轴承26的凹槽，第一轴承26与轮毂5的阶梯轴连接，第一夹板10的顶部布置有安装第二扭簧11的凹槽以及用于传动且可作为扭簧导引的阶梯轴；所述第二夹板13的形状为T字形，其底部有安装第二扭簧11与第二轴承27的凹槽，第二轴承27与第一夹板10的阶梯轴连接。

第一、第二、第三及第四柔性梁结构尺寸及材料均相同。第三柔性梁位于第一柔性梁的上方，第四柔性梁位于第二柔性梁的上方。

所述第一夹板和第二夹板底部通过第一扭簧、第二扭簧和第一轴承、第二轴承组成弹性约束，同时轮毂及第一夹板上端布置有阶梯轴充当扭簧的导引和柔性梁的转轴；所述第一轴承与轮毂的阶梯轴连接，第二轴承与第一夹板的阶梯轴连接；当伺服电机通过行星减速器驱动轮毂转动时，在扭簧扭力的作用下，各柔性梁在水平面内转动，由于关节为弹性关节，转动速度、加速度及扭簧刚度的大小均会对各柔性梁的振动特性产生影响；所述第一扭簧和第二扭簧的刚度可调整，用于研究扭簧不同刚度对多柔性梁耦合振动特性的影响。

——振动信号检测部分包括：

压电片传感器15、加速度传感器8、电荷放大器21、端子板22、运动控制卡23及计算机24；

所述压电片传感器15粘贴在梁宽度方向中心线上距离固定端80mm位置处，姿态角为0°且单面粘贴，每根柔性梁上粘贴1片，总计4片；

所述加速度传感器8安装在梁宽度方向中心线上距离自由端50mm位置处，每根柔性梁上安装1个，总计4个；

所述电荷放大器21将压电片传感器15和加速度传感器8检测的弯曲振动信号放大以后，通过端子板22将模拟信号传输至运动控制卡23，经其内部的A/D模块将模拟信号转换成数字信号，再传输至计算机24进行滤波、移相等处理。

——驱动控制部分包括：

伺服电机驱动控制单元：包括伺服电机驱动器25、伺服电机3、行星减速器4、基座1及支架18，所述伺服电机驱动器以速度控制或位置控制的方式与伺服电机连接；所述伺服电机通过行星减速器驱动轮毂转动，伺服电机带有编码器可反馈电机的角度和速度信息；进行振动主动控制时，计算机根据振动检测信号，运行相应的主动控制算法，得到控制量经由运动控制卡的D/A模块转换和端子板的传输，通过伺服电机驱动器控制伺服电机，实现对耦合振动的主动控制；进行轨迹规划时，计算机运行相应的轨迹规划算法生成基础轨迹，并利用智能算法对轨迹参数进行优化，得到优化抑振轨迹，通过伺服电机驱动器控制伺服电机按优化轨迹转动，从而减小柔性梁运动过程中激起的弹性振动，提高多柔性梁耦合系统的运动平稳性。

所述伺服电机及行星减速器固定在支架上，所述支架固定在基座上，基座固定在实验台2上，所述支架由一块横板及一块竖板构成，轮毂固定在横板的上方，行星减速器固定在横板的下方。

所述压电控制单元，包括压电片驱动器14及压电放大电路20，所述压电片驱动器粘贴在柔性梁距离固定端25mm位置处，姿态角为0°，双面粘贴，且关于梁宽度方向中心线对称，每根柔性梁上粘贴有4片，共计16片；进行振动主动控制时，计算机根据传感器反馈振动量的大小，运行相应的振动主动控制算法，输出控制量，经过运动控制卡的D/A转换和端子板的传输，压电放大电路输出放大的电压信号，从而控制压电片驱动器抑制各柔性梁的耦合振动。

本发明同时采用伺服电机和压电片驱动器作为柔性梁振动抑制的执行器；在柔性梁运动阶段，通过规划柔性梁的运动轨迹和优化轨迹参数，降低运动过程中激起的弹性振动，提高耦合柔性梁的运动平稳性；在振动主动控制阶段，根据压电片传感器和加速度传感器反馈的振动信号，计算机运行相应的振动主动控制算法，分别输出伺服电机及压电片驱动器的控制量，二者共同抑制多柔性梁的耦合振动。

如图7所示，一种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 计算机运行相应的轨迹规划算法，规划多柔性梁点到点的运动轨迹并优化轨迹参数；

第二步 伺服电机的编码器测量当前采样时刻的角度和角速度，并通过伺服电机驱动器、端子板及运动控制卡反馈到计算机；压电片传感器和加速度传感器分别测量各柔性梁的弯曲振动信号，经过电荷放大器的放大、端子板的传输及运动控制卡A/D模块的转换，最终反馈到计算机；

第三步 根据编码器反馈的伺服电机转动信息，计算机运行相应的控制算法，输出控制量，经过运动控制卡D/A模块的转换和端子板的传输，通过伺服电机驱动器控制伺服电机跟踪规划轨迹，直至到达目标位置停止运动；同时，计算机根据压电片传感器和加速度传感器反馈的柔性梁振动信号，运行相应的振动主动控制算法，输出伺服电机的控制量和压电片驱动器的控制量，经过运动控制卡D/A模块的转换和端子板的传输，分别通过伺服电机驱动器和压电放大电路控制伺服电机和压电片驱动器抑制多柔性梁的耦合振动；

第四步 通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到旋转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，第一柔性梁、第二柔性梁、第三柔性梁及第四柔性梁的材料为环氧树脂薄板，其几何尺寸均为600mm×100mm×2mm，弹性模量为E_p＝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50mm×15mm×1mm，压电片传感器几何尺寸为40mm×10mm×1mm，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E_p＝63Gpa，d₃₁＝166pm/V。

加速度传感器选用Kistler公司型号为8310B2的电容式传感器，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；行星减速器选用NIDEC-SHIMPO公司型号为VRSF-25C-400的减速器，其减速比为1:25，齿轮间隙为15角分。

第一轴承和第二轴承选用日本NSK公司型号为7004AW的角接触球轴承，其内径和外径分别为20mm和42mm。

实验台由三种长度分别为680mm、600mm和480mm的铝型材通过角铁组装而成，实验台端面为一块800mm×600mm×8mm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 (9)

1.一种扭簧连接的多柔性梁耦合振动检测装置，其特征在于，包括旋转柔性梁本体部分、振动信号检测部分及驱动控制部分；

所述旋转柔性梁本体部分包括，轮毂、第一柔性梁、第一扭簧、第一轴承、第一夹板、第一夹块、第二柔性梁、第二扭簧、第二轴承、第二夹板、第二夹块、第三柔性梁及第四柔性梁，

所述第一夹块固定在第一夹板上，第一柔性梁及第二柔性梁固定在第一夹块的两侧，所述第三柔性梁及第四柔性梁固定在第二夹块的两侧，所述第二夹块固定在第二夹板上，所述第二夹板的底部安装有第二扭簧及第二轴承，所述第二轴承与第一夹板顶部的阶梯轴连接，所述第一夹板的底部安装第一扭簧及第一轴承，所述第一轴承与轮毂的阶梯轴连接；

所述振动信号检测部分用于检测旋转柔性梁本体部分的弯曲振动信号；

所述驱动控制部分，用于接收弯曲振动信号，驱动旋转柔性梁本体部分转动及抑制柔性梁的振动。

2.根据权利要求1所述的多柔性梁耦合振动检测装置，其特征在于，所述振动信号检测部分包括压电片传感器、加速度传感器、电荷放大器、端子板、运动控制卡及计算机；

所述压电片传感器及加速度传感器设置在柔性梁上，压电片传感器及加速度传感器检测弯曲振动信号输入电荷放大器，通过端子板将模拟信号输入运动控制卡，运动控制卡与计算机连接。

3.根据权利要求2所述的多柔性梁耦合振动检测装置，其特征在于，所述驱动控制部分包括伺服电机驱动控制单元及压电控制单元；

所述伺服电机驱动控制单元包括伺服电机驱动器、伺服电机及行星减速器，所述伺服电机驱动器与伺服电机连接，所述伺服电机通过行星减速器驱动轮毂转动，所述伺服电机驱动器与端子板相互连接；

所述压电控制单元包括压电片驱动器及压电放大电路，每个柔性梁均设置压电片驱动器，计算机根据振动信号检测部分的信息得到控制量，经过运动控制卡和端子板的传输，输入压电放大电路，控制压电片驱动器抑制各柔性梁的耦合振动。

4.根据权利要求2所述的多柔性梁耦合振动检测装置，其特征在于，所述压电片传感器包括四片压电陶瓷片，每个柔性梁安装一片压电陶瓷片，粘贴在柔性梁宽度方向中心线上，距离固定端80mm位置，姿态角0°且单面粘贴。

5.根据权利要求2所述的多柔性梁耦合振动检测装置，其特征在于，所述加速度传感器包括四个，分别安装在各柔性梁宽度方向中心线上，距离自由端50mm位置。

6.根据权利要求3所述的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，每个柔性梁安装四片，粘贴在柔性梁距离固定端25mm位置，姿态角为0°，双面粘贴，每面两片，且关于梁宽度方向中心线对称，两面压电陶瓷片极性相反且并联连接。

7.根据权利要求1所述的多柔性梁耦合振动检测装置，其特征在于，所述第一夹板为工字形。

8.根据权利要求1所述的多柔性梁耦合振动检测装置，其特征在于，所述第二夹板为T字形。

9.根据权利要求1-8任一项所述的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 计算机运行相应的轨迹规划算法，规划多柔性梁点到点的运动轨迹并优化轨迹参数；

第二步 伺服电机的编码器测量当前采样时刻的角度和角速度，并通过伺服电机驱动器、端子板及运动控制卡反馈到计算机；压电片传感器和加速度传感器分别测量各柔性梁的弯曲振动信号，经过电荷放大器的放大、端子板的传输及运动控制卡A/D模块的转换，最终反馈到计算机；

第三步 根据编码器反馈的伺服电机转动信息，计算机运行相应的控制算法，输出控制量，经过运动控制卡D/A模块的转换和端子板的传输，通过伺服电机驱动器控制伺服电机跟踪规划轨迹，直至到达目标位置停止运动；同时，计算机根据压电片传感器和加速度传感器反馈的柔性梁振动信号，运行相应的振动主动控制算法，输出伺服电机的控制量和压电片驱动器的控制量，经过运动控制卡D/A模块的转换和端子板的传输，分别通过伺服电机驱动器和压电放大电路控制伺服电机和压电片驱动器抑制多柔性梁的耦合振动；

第四步 通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到旋转多柔性梁耦合振动特性及控制效果。

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