CN114967778A - 一种基于丝杠驱动的多柔性耦合梁振动控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于丝杠驱动的多柔性耦合梁振动控制装置及方法，包括柔性梁本体部分、移动装置部分、检测部分及控制部分，所述柔性梁本体部分包括四根材料尺寸相同的第一柔性梁及一根第二柔性梁；所述移动装置部分包括四条导轨滑块机构及电机丝杠传动机构，所述四根第一柔性梁的一端分别设置在四条导轨滑块机构上作为固定端，另一端为自由端；所述第二柔性梁的中间固定在电机丝杠传动机构上作为固定端，其两端为自由端；每个第一柔性梁的固定端通过弹簧分别与实验台及电机丝杠传动机构连接，全部弹簧连接在同一水平面；本装置用于研究多耦合柔性梁引起的非线性振动控制。

Description

一种基于丝杠驱动的多柔性耦合梁振动控制装置及方法

技术领域

本发明涉及柔性多体耦合结构的振动控制领域，具体涉及一种基于丝杠驱动的多柔性耦合梁振动控制装置及方法。

背景技术

航空航天领域中存在大量的柔性体结构，由于其刚度小，阻尼小，在执行工作任务时，会产生难以自主衰减的振动，同时柔性变形会使工作精度降低。所以，对其进行振动控制极其重要。

近年来，柔性结构的振动主动控制成为当今世界研究的重点及热点课题。加速度传感器质量轻，易安装，并且频带较宽，利用加速度传感器反馈控制可在较宽频带范围增加系统的主动阻尼，增强系统鲁棒性。由于加速度传感器的应用会给系统引进大量的高频噪声信号，因此要进行滤波处理。压电陶瓷材料具有响应快、频带宽、线性度好、容易加工等优点，特别适合用于柔性梁等挠性结构的振动控制应用。

丝杠驱动机构由伺服电机连接伺服器进行驱动，其精度高，实现了位置，速度和力矩的闭环控制，克服了步进电机失步的问题；抗过载能力强，能承受三倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用；低速运行平稳，低速运行时不会产生类似于步进电机的步进运行现象；及时性好，电机加减速的动态响应时间短，一般在几十毫秒之内。

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丝杠驱动的多柔性耦合梁振动控制装置及方法。本发明充分考虑了弹簧滑块间的耦合非线性问题，使用多传感器对梁进行振动检测和控制。

本发明采用如下技术方案：

一种基于丝杠驱动的多柔性耦合梁振动控制装置，包括：

柔性梁本体部分：包括四根第一柔性梁及一根第二柔性梁；

移动装置部分；包括四条导轨滑块机构及电机丝杠传动机构，四根第一柔性梁的一端分别设置在四条导轨滑块机构上作为固定端，另一端为自由端；

所述第二柔性梁的中间固定在电机丝杠传动机构上作为固定端，其两端为自由端；

每个第一柔性梁的固定端通过弹簧分别与实验台及电机丝杠传动机构连接，全部弹簧连接在同一水平面；

检测部分：用于检测第一柔性梁及第二柔性梁的振动信号；

控制部分：用于根据检测部分的振动信号，实现对第一柔性梁及第二柔性梁的振动控制。

进一步，所述电机丝杠传动机构设置在实验台中央，四条导轨滑块机构设置在实验台的四个角，且垂直于电机丝杠传动机构。

进一步，所述四根第一柔性梁垂直于第二柔性梁。

进一步，所述检测部分包括压电陶瓷传感器及加速度传感器，在每根柔性梁的固定端设置压电陶瓷传感器，在自由端设置加速度传感器。

进一步，在每根柔性梁的固定端设置压电驱动器。

进一步，所述控制部分包括：

丝杠控制部分：采用伺服电机驱动电机丝杠传动机构移动，所述伺服电机与伺服电机驱动器连接，所述伺服电机驱动器通过端子板与运动控制卡连接，所述运动控制卡与计算机相互连接，实现对丝杠的控制；

压电驱动振动控制部分：计算机接收到压电陶瓷传感器和加速度传感器的振动信号后，将获得的控制量通过运动控制卡传输至端子板，通过压电放大器控制压电驱动器实现振动控制。

进一步，所述弹簧通过夹持装置进行固定，所述夹持装置为一圆柱体，圆柱体的下部分为阶梯套筒，供弹簧端部套入，其上部分为一圆柱形凹槽盖。

进一步，所述圆柱体的四周设置凸台结构，用于限制弹簧回弹。

进一步，所述弹簧具体为八根，两根一组，一根弹簧用于连接电机丝杠传动机构及导轨滑块机构，另一根弹簧用于连接导轨滑块机构的另一侧及实验台的支座，该弹簧的初始拉力通过实验台的支座位置进行调整。

一种多柔性耦合梁振动控制装置的控制方法，包括：

第一步：计算机将控制信号通过伺服电机驱动器驱动伺服电机，带动第二柔性梁移动，进一步拉动其余第一柔性梁振动；

第二步：压电传感器和加速度传感器开始分别测量第一及第二柔性梁的振动信号，通过电荷放大器、端子板、运动控制卡传输到计算机；

第三步：计算机对检测信号进行处理，得出控制信号；控制信号经由运动控制卡传到端子板上，经过压电放大器放大后驱动压电驱动器，进而控制柔性梁的振动。

第四步：多次调整算法参数，进行重复实验，分析实验结果获得多柔性耦合梁的振动特性、耦合特性和控制效果。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过五根柔性梁、丝杠驱动机构及导轨滑动机构的巧妙设计实现了多梁耦合结构的结构组装，并将五根柔性梁通过特定的方式使用弹簧进行连接，可以比较方便的研究柔性多梁的振动特性和耦合非线性特性。

(2)本发明存在多处弹簧耦合和刚柔耦合，为研究具有大量的刚柔耦合和弹簧耦合的系统提供了硬件条件。

(3)本发明中所述实验装置采用了丝杠驱动机构，相比与其它传动机构，它具有闭环控制，自补偿误差等优点。

(4)本发明可调性好，例如可以设置耦合弹簧的初始伸长量，可以选择是否安装加速度传感器增加末端质量等，为研究此类因素对振动控制的影响提供了良好的硬件条件。

(5)本发明使用粗弹簧对滑块等进行耦合，符合负载和力的匹配，合理设计了弹簧铰接结构，为大刚度弹簧的连接提供了一种解决方案。

(6)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是本发明的结构示意图；

图2是图1中导轨上弹簧的连接示意图；

图3是图1中丝杠机构的结构示意图；

图4是图1的右视图；

图5是图1的主视图；

图6是图1的俯视图；

图7是本发明控制方法的工作流程图。

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，一种基于丝杠驱动的多柔性耦合梁振动控制装置，包括：

柔性梁本体部分：包括柔性梁2，所述柔性梁分为第一柔性梁及第二柔性梁。所述第一柔性梁有四根，第二柔性梁有一根。所述第一柔性梁及第二柔性梁材料相同，尺寸不同，具体第二柔性梁长度大于第一柔性梁，四根第一柔性梁材料尺寸均相同。

设置方式：四根第一柔性梁两个一组，位于第二柔性梁的两侧，并垂直于第二柔性梁，第二柔性梁设置在实验台4的中线上。

移动装置部分：包括四条导轨滑块机构及电机丝杠传动机构。

进一步，所述导轨滑块机构包括导轨10及滑块9，滑块9在导轨10上滑动，四个第一柔性梁分别对应设置在四条导轨滑块机构上。所述第一柔性梁一端用机械装置固定，安装在滑块支座14上，滑块支座14固定于滑块9上可随之移动，柔性梁支座端为固定端，另一端为自由端构成一侧悬臂梁机构。

进一步，所述电机丝杠传动机构包括丝杠及丝杠驱动器。所述丝杠驱动器由伺服电机8驱动。所述第二柔性梁中间由机械装置固定，两侧为自由端，构成双侧悬臂梁机构，所述第二柔性梁安装在丝杠支座15上，丝杠支座15置于丝杠底座7上，由伺服电机8驱动，方向与其余四根梁垂直。五根梁的振动均存在耦合影响；中间梁和周边四梁不同之处在于安装方向与安装方式不同。

具体地，丝杠布置在实验台中央，四条导轨置于实验台四角，且垂直于丝杠驱动器，丝杠支座15由伺服电机8驱动，可驱动丝杠上移动平台进行直线位移。

弹簧耦合部分：包括八根弹簧5，其中四根弹簧的一端分别对应固定在四根滑块支座14上，另一端固定在实验台上的L型支座12上，调节L型支座12与导轨10的距离可以给弹簧不同的初始拉力。所述四个L型支座12设置在对应导轨终端延长线上。

另外四根弹簧一端固定在滑块支座14上，另一端设置在丝杠移动平台的丝杠弹簧支座6上，四根丝杠支座位于丝杠移动平台的四个角，八根弹簧的连接部分均为较接。导轨由板材11垫高，使得八根弹簧位于同一水平面。

另外，每根弹簧5两端由一夹持装置3固定，铰接在一配套支座上；支座分别布置在丝杠平台，4条导轨滑块上及导轨末端实验台；导轨滑块上的滑块支座14为双面铰接机构。

所述夹持装置3为一圆柱体装置，分上下两部分，下半部分类似于阶梯套筒25，供弹簧5端部套入，上半部分为一圆柱形凹槽盖24，柱体四周有一圈小凸台用来限制弹簧回弹，上下结合起到固定弹簧端部作用；夹持装置3中间有一孔供铰接螺钉13穿过。

检测部分，包括压电陶瓷传感器17和加速度传感器1，在第一及第二柔性梁的固定端的安装压电驱动器16及压电陶瓷传感器17。

具体为，压电驱动器16粘贴在每根柔性梁的两侧，每侧2片，对称宽度方向中线安装，总计24片，压电传感器17粘贴在每根柔性梁的一侧，每侧1片，安装在宽度方向中线处，总计6片。

在每根柔性梁的自由端末端宽度方向中线处安装加速度传感器1，总计6个。

压电陶瓷传感器17及加速度传感器1均都用于检测柔性梁2的振动信号，通过自身的传感特性将检测到的振动信号转化为电信号输出，压电陶瓷传感器17所采集的信号经过电荷放大器22放大以后，经过端子板18传输至运动控制卡20，通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟标准电信号按比例转换成数字信号输入到计算机21中；同时加速度传感器1采集的振动信号传输至运动控制卡20，通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机21中。

控制部分包括两个部分：

一个部分是丝杠控制部分，使用伺服电机8进行驱动控制。伺服电机8经由伺服电机控制器23控制，连接到端子板18上，伺服电机8采用速度模式。端子板18与运动控制卡20连接，运动控制卡20由计算机21连接进行控制；同时伺服电机8自带的编码器也可以将电机的转动情况记录反馈到计算机21进行检测，计算机21根据收到的反馈信息进行对应的控制操作，经过运动控制卡20、端子板18传给伺服电机驱动器23，实现对丝杠的控制，进而实现对柔性梁2部分的移动控制和抑振。

另一个部分是压电驱动振动控制部分：压电驱动振动控制主要由压电驱动器16进行控制。在计算机21接收到压电传感器17和加速度传感器1的振动信号后，进行对应的振动控制算法处理，将控制量通过运动控制卡20传至端子板18，使连接在端子板上的压电放大器输出控制信号，进而控制压电驱动器16实现振动控制。

如图7所示，一种基于丝杠驱动的多柔性耦合梁振动控制装置包括如下步骤：

第一步：使用计算机21传递一个控制信号通过运动控制卡(20)给到伺服电机8，伺服电机8驱动丝杠支座15移动拉动其余四梁振动。

第二步：压电传感器17和加速度传感器1开始分别测量五根梁的振动信号，通过电荷放大器22、端子板18、运动控制卡20传输到计算机21。

第三步：计算机21对步骤二获得的检测信号进行处理，进行带通滤波等处理，运行相应的控制算法，输出控制信号；控制信号经由运动控制卡20传到端子板18上，经过压电放大电路19放大后驱动压电驱动器16，进而控制柔性梁的振动

第四步：多次调整算法参数，进行重复实验，分析实验结果获得多柔性耦合梁的振动特性、耦合特性和控制效果。

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，导轨上四根柔性梁的几何尺寸为800mm×120mm×2mm，中间双梁的尺寸为800mm×150mm×2mm，所有梁材料参数完全相同，均为环氧树脂材料薄板，环氧树脂的弹性模量为E_p＝34.64Gpa，密度为ρ＝1840kg/m³。

压电驱动器16由压电陶瓷材料制成，几何尺寸为50mm×15mm×2mm，成片状粘贴在柔性梁上，距离固定端45mm，距离梁宽度方向上下边缘22.5mm，压电陶瓷材料的弹性模量为E_p＝63Gpa，d31＝-166pm/V。

压电陶瓷传感器由压电陶瓷材料构成，几何尺寸为50mm×15mm×2mm，成片状粘贴在柔性梁宽度方向中线上，距离固定端116mm。

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。

丝杠底座7为MISUMI的KUT2020模组，全长1320mm，轨道长度1027mm；

伺服电机8用三菱公司的产品，型号是HC-KFS13，功率是100W，最大转速为3000r/min，分辨率为40000脉冲/转。伺服电机驱动器23选用三菱公司型号是MR-J2S-10A的驱动器。

实验台4由三种长度分别为1480mm、1280mm、500mm的铝型材组装而成，台面为一块1600mm×1400mm×10mm的不锈钢板，通过螺钉与型材连接，型材的每个连接处都有角铁固定。

电荷放大器22选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器；伺服电机驱动器23选用∑-II系列型号为SGDM-04ADAR的伺服单元；运动控制卡20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21的CPU型号为core76650U2.2GHz，内存4G，主板中有PCI-e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 (10)

1.一种基于丝杠驱动的多柔性耦合梁振动控制装置，其特征在于，包括：

柔性梁本体部分：包括四根第一柔性梁及一根第二柔性梁；

移动装置部分；包括四条导轨滑块机构及电机丝杠传动机构，四根第一柔性梁的一端分别设置在四条导轨滑块机构上作为固定端，另一端为自由端；

所述第二柔性梁的中间固定在电机丝杠传动机构上作为固定端，其两端为自由端；

每个第一柔性梁的固定端通过弹簧分别与实验台及电机丝杠传动机构连接，全部弹簧连接在同一水平面；

检测部分：用于检测第一柔性梁及第二柔性梁的振动信号；

控制部分：用于根据检测部分的振动信号，实现对第一柔性梁及第二柔性梁的振动控制。

2.根据权利要求1所述的多柔性耦合梁振动控制装置，其特征在于，所述电机丝杠传动机构设置在实验台中央，四条导轨滑块机构设置在实验台的四个角，且垂直于电机丝杠传动机构。

3.根据权利要求1所述的多柔性耦合梁振动控制装置，其特征在于，所述四根第一柔性梁垂直于第二柔性梁。

4.根据权利要求1-3任一项所述的多柔性耦合梁振动控制装置，其特征在于，所述检测部分包括压电陶瓷传感器及加速度传感器，在每根柔性梁的固定端设置压电陶瓷传感器，在自由端设置加速度传感器。

5.根据权利要求4所述的多柔性耦合梁振动控制装置，其特征在于，在每根柔性梁的固定端设置压电驱动器。

6.根据权利要求5所述的多柔性耦合梁振动控制装置，其特征在于，所述控制部分包括：

丝杠控制部分：采用伺服电机驱动电机丝杠传动机构移动，所述伺服电机与伺服电机驱动器连接，所述伺服电机驱动器通过端子板与运动控制卡连接，所述运动控制卡与计算机相互连接，实现对丝杠的控制；

压电驱动振动控制部分：计算机接收到压电陶瓷传感器和加速度传感器的振动信号后，将获得的控制量通过运动控制卡传输至端子板，通过压电放大器控制压电驱动器实现振动控制。

7.根据权利要求1所述的多柔性耦合梁振动控制装置，其特征在于，所述弹簧通过夹持装置进行固定，所述夹持装置为一圆柱体，圆柱体的下部分为阶梯套筒，供弹簧端部套入，其上部分为一圆柱形凹槽盖。

8.根据权利要求7所述的多柔性耦合梁振动控制装置，其特征在于，所述圆柱体的四周设置凸台结构，用于限制弹簧回弹。

9.根据权利要求1所述的多柔性耦合梁振动控制装置，其特征在于，所述弹簧具体为八根，两根一组，一根弹簧用于连接电机丝杠传动机构及导轨滑块机构，另一根弹簧用于连接导轨滑块机构的另一侧及实验台的支座，该弹簧的初始拉力通过实验台的支座位置进行调整。

10.一种基于权利要求1-9任一项所述的多柔性耦合梁振动控制装置的控制方法，其特征在于，包括：

第一步：计算机将控制信号通过伺服电机驱动器驱动伺服电机，带动第二柔性梁移动，进一步拉动其余第一柔性梁振动；

第二步：压电传感器和加速度传感器开始分别测量第一及第二柔性梁的振动信号，通过电荷放大器、端子板、运动控制卡传输到计算机；

第三步：计算机对检测信号进行处理，得出控制信号；控制信号经由运动控制卡传到端子板上，经过压电放大器放大后驱动压电驱动器，进而控制柔性梁的振动；

第四步：多次调整算法参数，进行重复实验，分析实验结果获得多柔性耦合梁的振动特性、耦合特性和控制效果。

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