CN113624429A - 一种多柔性板耦合振动测控装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多柔性板耦合振动测控装置及方法，包括：“王”字形多柔性板主体部分、振动检测部分及振动控制部分；所述“王”字形多柔性板主体部分包括至少两块柔性板，每块柔性板的一端与装夹架固定称为固定端，柔性板的另一端为自由端，相邻柔性板的自由端通过拉伸弹簧连接形成耦合关系，位于首尾两端的柔性板通过拉伸弹簧与弹簧支座连接，所述装夹架固定在底板上，所述底板通过丝杠螺母机构与伺服电机连接，所述伺服电机推动底板移动，进而带动安装在装夹架上的柔性板移动；同一柔性板上中下分片之间相互耦合，并在同一高度板分片设置拉伸弹簧连接，拉伸弹簧的耦合使得此结构更加多元化，为柔性结构的主动控制提供了更多的可能性。

Description

一种多柔性板耦合振动测控装置及方法

技术领域

本发明涉及柔性悬臂板振动控制领域，具体涉及一种多柔性板耦合振动测控装置及方法。

背景技术

柔性板结构在航天工业等领域应用广泛，柔性结构克服了刚性结构质量大、能耗高和灵活性低的特点。与此同时时，柔性结构固有频率低，低频模态容易被激起的缺点，导致了柔性结构的发展局限性，加入了拉伸弹簧之后，该结构变得多元化，对其振动特性的分析和主动算法的设计也成为了新的研究点。

伺服电机具有精度高、响应快、动态特性好等特点，利用伺服电机的输出，既能激励柔性板的振动，同时也能抑制柔性板的振动。

压电片具有结构简单、安装方便和寿命长的特点，利用压电片进行振动检测和振动控制，是对于柔性板研究的主要选择。

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板耦合振动测控装置及方法，具体是针对一种“王”字形多柔性板的耦合控制，实现对多拉伸弹簧连接的多柔性板结构的振动特性分析和主动控制。

本发明采用如下技术方案：

一种多柔性板耦合振动测控装置，包括：“王”字形多柔性板主体部分、振动检测部分及振动控制部分；

所述“王”字形多柔性板主体部分包括至少两块柔性板，每块柔性板的一端与装夹架固定称为固定端，柔性板的另一端为自由端，相邻柔性板的自由端通过拉伸弹簧连接形成耦合关系，位于首尾两端的柔性板通过拉伸弹簧与弹簧支座连接，所述装夹架固定在底板上，所述底板通过丝杠螺母机构与伺服电机连接，所述伺服电机带动丝杠螺母机构推动底板移动，进而带动安装在装夹架上的柔性板移动；

所述振动检测部分用于检测柔性板的振动信号；

所述振动控制部分用于根据振动信号输入控制信号，对柔性板的振动进行抑制。

进一步，所述振动检测部分包括压电陶瓷传感器、加速度传感器、双目视觉传感器、电荷放大器、端子板、运动控制卡及计算机；所述压电陶瓷传感器设置柔性板的固定端，加速度传感器设置在柔性板的自由端，双目视觉传感器设置在柔性板的前方，所述压电陶瓷传感器检测柔性板振动信号输入电荷放大器后输入端子板，所述加速度传感器检测柔性板振动信号输入端子板，所述端子板与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡与计算机相互连接，所述双目视觉传感器采集图像输入计算机。

进一步，所述振动控制部分包括压电致动器、压电放大电路及伺服电机驱动器，所述压电致动器设置在柔性板的固定端，所述计算机获得振动信号后，依次经过运动控制卡及端子板，分别输出控制信号至压电放大电路及伺服电机驱动器，驱动压电致动器及伺服电机，对柔性板进行振动抑制。

进一步，每块柔性板在宽度方向均分为三块柔性板分片；

每个柔性板分片靠近固定端处粘贴一片压电陶瓷传感器，设置在柔性板分片宽度方向中线上；

在压电陶瓷传感器的两侧对称设置压电致动器，两面对称安装。

进一步，每块柔性板分片的自由端均设置一个加速度传感器。

进一步，相邻柔性板通过三条拉伸弹簧连接，每个柔性板分片均设置一个拉伸弹簧。

进一步，相邻柔性板距离为150mm。

进一步，所述双目视觉传感器包括两个CCD相机及激光投影器，所述激光投影器投射激光点阵到柔性板上，两个CCD相机采集激光点阵图像输入计算机。

一种多柔性板耦合振动测控装置的控制方法，包括

第一步：计算机输入预定轨迹路线控制信号驱动伺服电机产生相应的运动，引起柔性板的振动；

第二步：压电陶瓷传感器和加速度传感器采集柔性板的振动信号，压电陶瓷传感器采集到的振动信号通过电荷放大器，经由端子板的传输，通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号输入到计算机；加速度传感器采集到的振动信号通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号输入到计算机；双目视觉传感器将采集的图像输入计算机；

第三步：计算机运行控制算法分别计算出伺服电机和压电致动器对应的控制量，生成相应的控制信号，伺服电机对应的控制信号通过计算机输出到运动控制卡，再到端子板，最后输出到伺服电机驱动器，驱动伺服电机进行抑制柔性板的振动；压电致动器对应的控制信号通过计算机输出到运动控制卡，再到端子板和压电放大电路，驱动压电致动器进行抑制柔性板的振动；

第四步：通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到一种“王”字形多柔性板耦合振动测控装置及方法的振动特性及控制效果。

本发明的有益效果：

(1)本发明设计了“王”字形的异形板在相邻柔性板，同一柔性板上中下分片之间相互耦合，并在同一高度板分片设置了弹簧连接，弹簧的耦合使得此结构更加多元化，为柔性结构的主动控制提供了更多的可能性；

(2)本发明通过对伺服电机的轨迹规划和优化，提高了结构整体的稳定性；

(3)本发明采用压电片来进行振动检测和振动控制，压电片具有易操作，安装方便，结构简单，使用寿命长，为研究柔性板振动特性和控制方法提供了很大的便利性；

(4)本发明采用多传感组合测量方式，保证了振动检测的精度，减少误差，有利于对于柔性板的振动检测和分析。

附图说明

图1是本发明装置的总体结构示意图；

图2是本发明的主视图；

图3是本发明的左视图；

图4是本发明的俯视图；

图5是本发明的振动控制流程图；

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5所示，一种多柔性板耦合振动测控装置，包括“王”字形多柔性板主体部分、振动检测部分及振动控制部分。

所述“王”字形多柔性板主体部分包括至少两块结构尺寸完全相同的柔性板，本实施例中包括三块柔性板5、6、7，三块柔性板平行间隔相等距离设置。装夹架8固定在底板1上，装夹架8有3个，各安装一块柔性板，柔性板一端通过压板和螺栓连接固定在装夹架上称为固定端，另一端为自由端，相邻柔性板通过拉伸弹簧3连接形成耦合关系，位于首尾两端的柔性板通过拉伸弹簧与弹簧支座4连接，拉伸弹簧3两端挂钩钩在吊环螺栓/螺母上，吊环螺栓、螺母安装在柔性板的孔上，分别位于柔性板的两侧。

进一步，每块柔性板的固定端及自由端设有两块矩形条，将柔性板固定端及自由端在宽度方向均分为三个分片，具体为上、中及下三个分片，设置在自由端的矩形条与设置在固定端的矩形条宽度相同，但是长度不同。所述拉伸弹簧设置在相邻柔性板同一高度的分片自由端，三个柔性板一共设置12根拉伸弹簧，每一个柔性板设有三根拉伸弹簧。拉伸弹簧通过吊环螺栓/螺母与柔性板固定连接，固定位置为距离柔性板自由端50mm的中间位置，拉伸弹簧预紧安装。

进一步，相邻柔性板之间的距离优选为150mm，伺服电机固定在装置平台15上，通过丝杠螺母机构与底板1相互连接，伺服电机14带动丝杆螺母机构在滚动导轨13上推动底板1进行移动，进而带动安装在装夹架上的三块柔性板移动。

所述振动检测部分包括压电陶瓷传感器10、加速度传感器2、CCD相机11和激光投影器12、电荷放大器17、端子板19、运动控制卡20以及计算机21；

所述的计算机21与运动控制卡20相互连接，所述的运动控制卡20与端子板19互相连接，所述的压电陶瓷传感器10和加速度传感器2设置安装在柔性板上，压电陶瓷传感器10和加速度传感器2将振动信息转换为振动信号，振动信号通过电荷放大器17放大后输入到端子板19，通过端子板19输入到运动控制卡20，运动控制卡内的A/D模块将模拟信号转换为数字信号，最后输入到计算机21。两个CCD相机11和激光投影器12构成双目视觉传感器，激光投影器投射激光点阵到柔性悬臂板上，两个CCD相机拍摄相应的图像，并通过USB接口将图像的信息传输至计算机21处理，通过提取图像上的激光标志点阵信息，经一定算法解得振动信息，从而反映振动情况；

优选的，每块柔性板的每一分片的自由端安装一个加速度传感器2，安装位置距柔性板分片的自由端20mm中间位置。

优选的，每块柔性板上粘贴3块压电陶瓷传感器10，安装位置距离柔性板固定端30mm，在柔性板的每一分片水平中线上，姿态角度为0°。

优选的，两个CCD相机及激光投影器设置在柔性板的正前方，激光投影器设置在两个CCD相机之间。

所述振动控制部分包括：

压电致动器9、伺服电机14、压电放大电路18、伺服电机驱动器16、端子板19、运动控制卡20以及计算机21；

所述的计算机21与运动控制卡20相互连接，所述的运动控制卡20与端子板19互相连接，所述的压电致动器9设置在柔性板上，驱动伺服电机14通过丝杆螺母机构驱动柔性板移动，根据振动检测部分检测到的振动信号，计算机21运行控制算法分别计算出伺服电机14和压电致动器9对应的控制量，生成相应的控制信号，伺服电机14对应的控制信号通过计算机21输出到运动控制卡20，再到端子板19，最后输出到伺服电机驱动器16，驱动伺服电机14进行抑制柔性板的振动；压电致动器9对应的控制信号通过计算机21输出到运动控制卡，再到端子板19和压电放大电路18，最后到压电致动器9，压电致动器9进行抑制柔性板的振动；

每块柔性板上粘贴12块压电致动器，两面对称安装，安装位置距柔性板固定端15mm，距离板边15mm的位置，姿态角度为0°。

如图5所示，一种电机丝杆机构驱动的“王”字形多柔性板耦合振动检测装置的控制方法，包括如下的步骤：

第一步：计算机21输入预定轨迹路线控制信号，通过运动控制卡20、端子板19，传到伺服电机驱动器16，最后驱动伺服电机14产生相应的运动，引起柔性板的振动；

第二步：利用压电陶瓷传感器10和加速度传感器2采集到振动信息，输出振动信号，压电陶瓷传感器10采集到的振动信号通过电荷放大器17，经由端子板19的传输，通过运动控制卡20内部的A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号输入到计算机21；加速度传感器2采集到的振动信号通过运动控制卡20内部的A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号输入到计算机21；

第三步：计算机21运行控制算法分别计算出伺服电机14和压电致动器9对应的控制量，生成相应的控制信号，伺服电机14对应的控制信号通过计算机21输出到运动控制卡20，再到端子板19，最后输出到伺服驱动器14，驱动伺服电机14进行抑制柔性板的振动；压电致动器9对应的控制信号通过计算机21输出到运动控制卡，再到端子板19和压电放大电路18，最后到压电致动器9，压电致动器9进行抑制柔性板的振动；

第四步：通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到一种电机丝杆机构驱动的一种“王”字形多柔性板耦合振动测控装置及方法的振动特性及控制效果。

图1中各个虚线以和箭头表示信号在设备之间的连线关系传递方向；

在本实施例中，八块柔性板的材料为环氧树脂薄板，其长宽尺寸为500mm×800mm×2mm，挖去的孔均为200mm×50mm，弹性模量为Ep＝26.8Gpa，密度为ρ＝1980kg/m3。

压电陶瓷传感器和压电致动器的材料为压电陶瓷，其中压电陶瓷传感器的尺寸为30mm×10mm×1mm，压电致动器的尺寸为50mm×15mm×1mm，均为片状粘贴于柔性板上。压电陶瓷的弹性模量和压电应变常量分别为Ep＝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。

丝杆螺母机构和直线导轨等组件选用米思米公司型号为KUA2005L-700-200的单轴组件，伺服电机选用三菱公司的HC-KFS43型伺服电机，额定电压为交流200V，输出功率和额定转速为400w和3000r/min；伺服电机驱动器选用三菱公司型号为MR-J2S-40A的伺服驱动器；通过电机伺服单元的相关设置和正确接线，可以将伺服电机的工作方式设置为速度、位置和扭矩控制方式。

装置平台由三种长度为600mm，880mm和780mm的铝型材通过角铁组装而成，实验台端面为一块1000mm×900mm×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；压电放大电路选用型号为APEX-PA241DW的压电放大器，其放大倍数可以达到52倍，可以将-5V～+5V放大到-260V～+260V。

运动控制卡选用固高公司的GUC-800-TPV-M23-L2-F8G型号的控制卡，8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CPU型号为Pentium G6202.6Hz，内存4G，主板中有PCI接口，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)

1.一种多柔性板耦合振动测控装置，其特征在于，包括：“王”字形多柔性板主体部分、振动检测部分及振动控制部分；

所述“王”字形多柔性板主体部分包括至少两块柔性板，每块柔性板的一端与装夹架固定称为固定端，柔性板的另一端为自由端，相邻柔性板的自由端通过拉伸弹簧连接形成耦合关系，位于首尾两端的柔性板通过拉伸弹簧与弹簧支座连接，所述装夹架固定在底板上，所述底板通过丝杠螺母机构与伺服电机连接，所述伺服电机带动丝杠螺母机构推动底板移动，进而带动安装在装夹架上的柔性板移动；

所述振动检测部分用于检测柔性板的振动信号；

所述振动控制部分用于根据振动信号输入控制信号，对柔性板的振动进行抑制。

2.根据权利要求1所述的多柔性板耦合振动测控装置，其特征在于，所述振动检测部分包括压电陶瓷传感器、加速度传感器、双目视觉传感器、电荷放大器、端子板、运动控制卡及计算机；所述压电陶瓷传感器设置柔性板的固定端，加速度传感器设置在柔性板的自由端，双目视觉传感器设置在柔性板的前方，所述压电陶瓷传感器检测柔性板振动信号输入电荷放大器后输入端子板，所述加速度传感器检测柔性板振动信号输入端子板，所述端子板与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡与计算机相互连接，所述双目视觉传感器采集图像输入计算机。

3.根据权利要求2所述的多柔性板耦合振动测控装置，其特征在于，所述振动控制部分包括压电致动器、压电放大电路及伺服电机驱动器，所述压电致动器设置在柔性板的固定端，所述计算机获得振动信号后，依次经过运动控制卡及端子板，分别输出控制信号至压电放大电路及伺服电机驱动器，驱动压电致动器及伺服电机，对柔性板进行振动抑制。

4.根据权利要求1-3任一项所述的多柔性板耦合振动测控装置，其特征在于，每块柔性板在宽度方向均分为三块柔性板分片；

每块柔性板分片靠近固定端处粘贴一片压电陶瓷传感器，设置在柔性板分片宽度方向中线上；

在压电陶瓷传感器的两侧对称设置压电致动器，两面对称安装。

5.根据权利要求4所述的多柔性板耦合振动测控装置，其特征在于，每块柔性板分片的自由端均设置一个加速度传感器。

6.根据权利要求4所述的多柔性板耦合振动测控装置，其特征在于，相邻柔性板通过三条拉伸弹簧连接，每块柔性板分片均设置一个拉伸弹簧。

7.根据权利要求1所述的多柔性板耦合振动测控装置，其特征在于，相邻柔性板距离为150mm。

8.根据权利要求2所述的多柔性板耦合振动测控装置，其特征在于，所述双目视觉传感器包括两个CCD相机及激光投影器，所述激光投影器投射激光点阵到柔性板上，两个CCD相机采集激光点阵图像输入计算机。

9.一种基于权利要求1-8任一项所述的多柔性板耦合振动测控装置的控制方法，其特征在于，包括

第一步：计算机输入预定轨迹路线控制信号驱动伺服电机产生相应的运动，引起柔性板的振动；

第二步：压电陶瓷传感器和加速度传感器采集柔性板的振动信号，压电陶瓷传感器采集到的振动信号通过电荷放大器，经由端子板的传输，通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号输入到计算机；加速度传感器采集到的振动信号通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号输入到计算机；双目视觉传感器将采集的图像输入计算机；

第三步：计算机运行控制算法分别计算出伺服电机和压电致动器对应的控制量，生成相应的控制信号，伺服电机对应的控制信号通过计算机输出到运动控制卡，再到端子板，最后输出到伺服电机驱动器，驱动伺服电机进行抑制柔性板的振动；压电致动器对应的控制信号通过计算机输出到运动控制卡，再到端子板和压电放大电路，驱动压电致动器进行抑制柔性板的振动；

第四步：通过改变控制参数，反复试验，获取多次实验结果，得到一种“王”字形多柔性板耦合振动测控装置及方法的振动特性及控制效果。

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