CN112092014A - 基于弹性基座直线运动的柔性臂振动检测装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于弹性基座直线运动的柔性臂振动检测装置及控制方法，包括弹性基座柔性臂本体部分、振动检测部分及振动控制部分；弹性基座柔性臂机械本体部分包括两个压缩弹簧和两个拉伸弹簧连接滑块基座构成弹性基座，两个柔性臂连接在弹性基座上进行直线运动振动；通过压电陶瓷传感器和加速度传感器进行振动检测；根据检测的振动信息，使用伺服电机对柔性臂进行相应的振动控制；该装置能够用来研究基座弹簧连接结构，弹簧刚度，滚动导轨摩擦等因素对移动柔性板振动的影响和振动控制。

Description

基于弹性基座直线运动的柔性臂振动检测装置及控制方法

技术领域

本发明涉及振动控制领域，具体涉及一种基于弹性基座直线运动的柔性臂振动检测装置及控制方法。

背景技术

弹性基座柔性机械臂结构在航天工业等领域都有着广泛的应用，刚性结构通常所具有的质量较大、能耗较高以及操作灵活性较低等缺点柔性结构却能较好的克服。然而，柔性结构的固有频率较低从而低频模态容易被激起的缺陷也在制约着该类结构的进一步的发展与应用，而弹性基座的加入也使得该类结构的形式变得多元化，对其容易产生的振动问题的控制也成为研究的新热点。

压电陶瓷传感器使用的智能材料压电陶瓷具有结构简单、较小体积、较小的质量及高效果的反应性能等优良特点，能较好地适用于柔性板结构的振动信号的测量，而且在成本上也具有较大的竞争力。

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、能伺服定位等优点。利用计算机发送相应指令到伺服电机驱动器来控制伺服电机转动频率，产生不同形式的振动控制信号，对弹性基座柔性机械臂结构的振动特性进行研究。

由于直线滚动导轨仍然具有较小的摩擦以及滚珠丝杠也存在着轴向间隙的精度问题，这些对整体结构系统的振动特性存在着对应的影响，也是在实验系统安装过程加以考虑的因素。在实际的实验过程中，弹簧长度、刚度类型不同，所以考虑直线运动驱动装置驱动不同刚度弹簧的弹性基座柔性机械臂的振动特性与控制。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于弹性基座直线运动的柔性臂振动检测装置及控制方法，本发明充分考虑了弹簧刚度、滚动导轨摩擦以及滚珠丝杠间隙特性对柔性板振动特性的影响。

本发明采用如下技术方案：

一种基于弹性基座直线运动的柔性臂振动检测装置，包括弹性基座柔性臂本体部分、振动检测部分及振动控制部分；

所述弹性基座柔性臂本体部分包括压缩弹簧、拉伸弹簧、直线导轨滑块基座、连接板、第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、直线导轨，滚珠丝杠导轨、滚珠丝杠滑块基座、行星减速器、柔性板及L型架；

两根压缩弹簧与两根拉伸弹簧相互间隔，且并联设置在两块连接板之间构成弹性基座；

滚珠丝杠导轨与两根直线导轨平行安装在底座上，滚珠丝杠导轨与第一伺服电机的输出端连接，滚珠丝杠滑块基座与直线导轨滑块基座通过连接板进行连接，第一伺服电机驱动滚珠丝杠导轨运动，滚珠丝杠导轨上的滚珠丝杠滑块基座通过连接板带动两侧的直线导轨滑块进行同步运动；所述柔性板为两块，柔性板的一端通过L型架与行星减速器的输出端连接，该端为柔性板的固定端，柔性板的另一端为自由端，所述行星减速器输入端与伺服电机连接；所述伺服电机包括第二伺服电机及第三伺服电机，两个伺服电机通过伺服电机支架固定在两侧的直线导轨滑块上，分别用于抑制两块柔性板的振动；

所述振动检测部分包括压电陶瓷传感器、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，所述压电陶瓷传感器及加速度传感器设置在柔性板上，检测振动信号通过电荷放大器放大后输入端子板；

所述振动控制部分驱动第一伺服电机带动弹性基座直线运动，根据振动检测部分的反馈信息得到控制信号驱动第二、第三伺服电机抑制柔性板的振动。

优选的，每块柔性板上粘贴有一块压电陶瓷传感器，粘贴位置是在距离柔性板固定端40mm的中间处，角度姿态为0°。

优选的，每块柔性板的自由端安装有一个加速度传感器，安装位置在距离自由端20mm的中间处。

优选的，所述两块柔性板夹角为180度。

优选的，所述驱动控制部分包括：

计算机根据设定的速度大小输出相应的信号经过运动控制卡传输到第一伺服驱动器，第一伺服驱动器控制第一伺服电机进行相应的转动，同时，第一伺服电机的转动速度、转动角度信号通过内部的编码器获得并传输到第一伺服驱动器，第一伺服驱动器再通过端子板经由运动控制卡实时传输回到计算机；

计算机根据压电陶瓷传感器和加速度传感器检测到的振动信号，运行相应的振动控制算法算出合适的振动控制量，并传输到运动控制卡、经由端子板传输到第二及第三伺服驱动器，分别控制第二及第三伺服电机进行相应的驱动以实现对柔性板的振动控制。

优选的，所述滚动丝杠导轨为滚动接触类型导轨。

一种柔性臂振动检测装置的控制方法，包括如下步骤：

第一步：利用压电陶瓷传感器和加速度传感器检测到柔性板的振动信息，得到相应的振动测量信号；

第二步：将第一步采集到的振动信号传送到电荷放大器进行信号放大后通过端子板传输到运动控制卡，经过其中A/D转换模块转换成数字信号后再输入到计算机中；

第三步：计算机收到压电陶瓷传感器和加速度传感器反馈的信号的同时，也收到由第一伺服电机的编码器反馈回来的电机转动速度、角度信息，计算机再运行相应的振动控制算法分别算出第一伺服电机与第二、第三伺服电机的控制量，再分别经过运动控制卡、端子板，分别经过各自伺服驱动器，分别对第一伺服电机、第二及第三伺服电机进行对应的驱动，以实现对柔性板振动的抑制；

第四步：通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到基于弹性基座直线运动的柔性机械臂的振动特性及控制效果。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过合理的机械结构设计，将两块完全相同的柔性板装在初始状态下断电的伺服电机连接的减速器上，使得柔性板固定端有较好的刚度，有效地消除其他不可控因素对系统振动特性的影响。

(2)本发明采用滚珠丝杠与滚动导轨搭配的直线运动驱动方式，使得基于弹性基座的柔性机械臂能在较大的直线范围下运动，相比其他传动机构，这种搭配具有传动准确、传动平稳、传动距离长等优点。

(3)本发明采用伺服电机作为柔性板振动驱动器，伺服电机对柔性板的振动抑制过程往往有着高效率、较大抑制力的优点。

(4)本发明充分考虑了滚动导轨存在的摩擦、压缩弹簧与拉伸弹簧的刚性以及伺服电机存在的颤振现象，为研究此类因素对该结构的振动特性和振动控制提供了良好的硬件条件。

(5)本发明使用压电陶瓷片检测和加速度传感器检测相结合的方法对柔性梁的振动进行检测比较，有利于提高检测精度。

附图说明

图1是本发明装置的总体结构示意图；

图2是装置的主视图；

图3是装置的左视图；

图4是装置的俯视图；

图5是本发明中直线驱动部分结构示意图；

图6是本发明中弹性基座部分结构示意图；

图7是实验装置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4所示，一种基于弹性基座直线运动的柔性臂振动检测装置，包括弹性基座柔性臂本体部分、振动检测部分及振动控制部分；

所述弹性基座柔性臂本体部分包括压缩弹簧17、拉伸弹簧8、直线导轨滑块基座18、连接板7、第一伺服电机2、第二伺服电机11、第三伺服电机16、直线导轨4，滚珠丝杠导轨5、滚珠丝杠滑块基座6、行星减速器10、柔性板9、L型架12及伺服电机支架14；

如图6所示，两根压缩弹簧与两根拉伸弹簧相互间隔，且并联设置在两块连接板之间构成弹性基座；四根弹簧间隔相等距离设置在两块连接板之间，一根拉伸弹簧及一根压缩弹簧位于外侧。

如图5所示，滚珠丝杠导轨5与两根直线导轨4平行安装在底座1上，滚珠丝杠导轨位于两根直线导轨的中间，滚珠丝杠导轨通过联轴器3与第一伺服电机的输出端连接，两块连接板均通过滚珠丝杠滑块基座6及直线导轨滑块基座与滚珠丝杠导轨及两个直线导轨连接，使得三个滑块基座能够同步运动。

所述柔性板为两块，每块柔性板的一端通过L型架与行星减速器输出端连接，L型架通过夹板将柔性板夹在中间并用紧固件拧紧，直线导轨滑块基座通过伺服电机支架14连接着行星减速器的法兰盘，行星减速器的输入端与伺服电机输出端连接，通过使用伺服电机经由行星减速器减速后输出的扭矩对柔性板的振动进行控制。

所述伺服电机包括第二伺服电机及第三伺服电机，用于驱动两块柔性板的抑制振动。

所述L型架的横架夹紧柔性板，竖架与一块连接板固定。

所述第一伺服电机通过联轴器带动滚珠丝杠导轨的轴旋转，从而带动滚珠丝杠滑块基座6进行运动，连接板7带动两侧的直线导轨滑块基座18进行同步的直线运动。

在直线运动驱动装置即第一伺服电机的推动下，压缩弹簧17与拉伸弹簧8以及连接板7共同组成的弹性基座被推着向前做直线运动，直线运动的过程中引起的振激励通过导轨滑块基座18、伺服电机支架14、行星减速器10、L型架12最终传到柔性板9，引起其产生振动；

所述振动检测部分包括：

压电陶瓷传感器13、加速度传感器15、电荷放大器22、端子板23、运动控制卡24及计算机25；

压电陶瓷传感器及加速度传感器对柔性板的振动信息进行检测并传输到电荷放大器，电荷放大器对收集到的振动电信号进行放大，经由端子板传输到运动控制卡中的A/D转换模块进行模数转换，转换成的数字信号最终传输到计算机。

两块柔性板上的压电陶瓷传感器及加速度传感器安装位置及个数相同。

每块柔性板上粘贴有一块压电陶瓷传感器，粘贴位置是在距离柔性板固定端40mm的中间处，角度姿态为0°。

每块柔性板末端安装有一个加速度传感器，安装位置在距离自由端20mm的中间处。

两块柔性板材料结构尺寸均相同，在同一直线上设置，位于一侧连接板的两个直线导轨滑块基座上。

本实施例通过自由选择更换两根压缩弹簧及两根拉伸弹簧的长度与刚度参数，可以检测不同刚度因素对系统振动的影响

所述滚动丝杠导轨选用摩擦系数较小的滚动接触类型导轨。

所述振动控制部分包括：

计算机根据设定的速度大小输出相应的信号经过运动控制卡传输到第一伺服驱动器19，第一伺服驱动器19控制第一伺服电机2进行相应的转动。同时，第一伺服电机2的转动速度、转动角度等信号也通过内部的编码器获得并传输到第一伺服驱动器19，第一伺服驱动器19再通过端子板23经由运动控制卡24实时传输回到计算机25；

计算机根据压电陶瓷传感器13和加速度传感器15检测到的振动信号，运行相应的振动控制算法算出合适的振动控制量，并传输到运动控制卡(、经由端子板传输到第二伺服驱动器20、第三伺服驱动器21，第二及第三伺服驱动器分别控制第二及第三伺服电机11、16进行相应的驱动以实现对柔性板9的振动控制。

如图7所示，本发明的控制过程为：

第一步：利用压电陶瓷传感器和加速度传感器检测到柔性板的振动信息，得到相应的振动测量信号；

第二步：将第一步采集到的振动信号传送到电荷放大器进行信号放大后通过端子板传输到运动控制卡，经过其中A/D转换模块转换成数字信号后再输入到计算机中；

第三步：计算机收到压电陶瓷传感器和加速度传感器反馈的信号的同时，也收到由第一伺服电机的编码器反馈回来的电机转动速度、角度信息，计算机再运行相应的振动控制算法分别算出第一伺服电机与第二、第三伺服电机的控制量，再分别经过运动控制卡、端子板，分别经过各自伺服驱动器，分别对第一伺服电机、第二及第三伺服电机进行对应的驱动，以实现对柔性板振动的抑制；

第四步：通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到基于弹性基座直线运动的柔性机械臂的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，柔性板的材料可选环氧树脂材料薄板，其几何尺寸为600mm×100mm×2mm，环氧树脂的泊松比是0.33，密度为1980kg/m3，杨氏模量为26.3Gpa。

两个直线导轨采用的是上银原装直线导轨，其型号是HG25，其对应的直线导轨滑块基座则选用该公司配套的滑块与钢板连接而成，型号是HGH25CA。

滚珠丝杠导轨则采用飞万公司生产的产品，其型号是KR240，对应的丝杠滑块基座则选用原装搭配的滑台与钢板连接而成，丝杠导轨则选用TRH20B导轨。

伺服电机都采用三菱公司生产的产品，第一伺服电机的型号是HC-KFS43，功率是400W，最大转速为3000r/min，分辨率为40000脉冲/转；第二及第三伺服电机的型号是HC-KFS13，功率是100W，最大转速为3000r/min，分辨率为40000脉冲/转。行星减速器则选用德国Neugart减速器，其型号为PLFN-64，减速比为64：1。

压电陶瓷传感器则选用芯明天科技公司的产品，其型号为NAC2228，几何尺寸为50mm×7.8mm×1.3mm，重量仅为4g，刚度0.0019N/μm，谐振频率为180Hz。电荷放大器选用江苏联能电子有限公司的YE5851型电荷放大器，输入范围电荷±103Pc，输出范围±10VP/5mA，外形尺寸50mm×32mm×100mm。

加速度传感器选用Kistler公司的型号为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。

运动控制卡选用美国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，计算机搭配的显示器选用华硕VA249HE。

选择拉伸弹簧与压缩弹簧刚度为200N/mm，拉伸弹簧总长度为175mm，压缩弹簧总长度为225mm，弹簧材料为优质锰钢。

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 (7)

1.一种基于弹性基座直线运动的柔性臂振动检测装置，其特征在于，包括弹性基座柔性臂本体部分、振动检测部分及振动控制部分；

所述弹性基座柔性臂本体部分包括压缩弹簧、拉伸弹簧、直线导轨滑块基座、连接板、第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、直线导轨，滚珠丝杠导轨、滚珠丝杠滑块基座、行星减速器、柔性板及L型架；

两根压缩弹簧与两根拉伸弹簧相互间隔，且并联设置在两块连接板之间构成弹性基座；

滚珠丝杠导轨与两根直线导轨平行安装在底座上，滚珠丝杠导轨与第一伺服电机的输出端连接，滚珠丝杠滑块基座与直线导轨滑块基座通过连接板进行连接，第一伺服电机驱动滚珠丝杠导轨运动，滚珠丝杠导轨上的滚珠丝杠滑块基座通过连接板带动两侧的直线导轨滑块进行同步运动；所述柔性板为两块，柔性板的一端通过L型架与行星减速器的输出端连接，该端为柔性板的固定端，柔性板的另一端为自由端，所述行星减速器输入端与伺服电机连接；所述伺服电机包括第二伺服电机及第三伺服电机，两个伺服电机通过伺服电机支架固定在两侧的直线导轨滑块上，分别用于抑制两块柔性板的振动；

所述振动检测部分包括压电陶瓷传感器、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，所述压电陶瓷传感器及加速度传感器设置在柔性板上，检测振动信号通过电荷放大器放大后输入端子板；

所述振动控制部分驱动第一伺服电机带动弹性基座直线运动，根据振动检测部分的反馈信息得到控制信号驱动第二、第三伺服电机抑制柔性板的振动。

2.根据权利要求1所述的柔性臂振动检测装置，其特征在于，每块柔性板上粘贴有一块压电陶瓷传感器，粘贴位置是在距离柔性板固定端40mm的中间处，角度姿态为0°。

3.根据权利要求1所述的柔性臂振动检测装置，其特征在于，每块柔性板的自由端安装有一个加速度传感器，安装位置在距离自由端20mm的中间处。

4.根据权利要求1所述的柔性臂振动检测装置，其特征在于，所述两块柔性板夹角为180度。

5.根据权利要求1所述的柔性臂振动检测装置，其特征在于，所述驱动控制部分包括：

计算机根据设定的速度大小输出相应的信号经过运动控制卡传输到第一伺服驱动器，第一伺服驱动器控制第一伺服电机进行相应的转动，同时，第一伺服电机的转动速度、转动角度信号通过内部的编码器获得并传输到第一伺服驱动器，第一伺服驱动器再通过端子板经由运动控制卡实时传输回到计算机；

计算机根据压电陶瓷传感器和加速度传感器检测到的振动信号，运行相应的振动控制算法算出合适的振动控制量，并传输到运动控制卡、经由端子板传输到第二及第三伺服驱动器，分别控制第二及第三伺服电机进行相应的驱动以实现对柔性板的振动控制。

6.根据权利要求1所述的柔性臂振动检测装置，其特征在于，所述滚动丝杠导轨为滚动接触类型导轨。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的柔性臂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：利用压电陶瓷传感器和加速度传感器检测到柔性板的振动信息，得到相应的振动测量信号；

第二步：将第一步采集到的振动信号传送到电荷放大器进行信号放大后通过端子板传输到运动控制卡，经过其中A/D转换模块转换成数字信号后再输入到计算机中；

第三步：计算机收到压电陶瓷传感器和加速度传感器反馈的信号的同时，也收到由第一伺服电机的编码器反馈回来的电机转动速度、角度信息，计算机再运行相应的振动控制算法分别算出第一伺服电机与第二、第三伺服电机的控制量，再分别经过运动控制卡、端子板，分别经过各自伺服驱动器，分别对第一伺服电机、第二及第三伺服电机进行对应的驱动，以实现对柔性板振动的抑制；

第四步：通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到基于弹性基座直线运动的柔性机械臂的振动特性及控制效果。

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