CN115021610B - 一种空间结构的压电主动抑振杆及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间结构的压电主动抑振杆及其工作方法,压电主动抑振杆包含预紧螺帽、预紧梁、支撑梁、螺纹杆、定位杆、压电作动模块和压电传感模块;螺纹杆、定位杆、支撑梁依次同轴固连;压电作动模块包含N个压电作动单元,压电作动单元包含8个四分区压电陶瓷片;预紧梁套在螺纹杆上,其定位盲孔和定位杆间隙配合;预紧螺帽和螺纹杆螺纹相连,使得预紧梁和支撑梁将压电作动模块中N个压电作动单元的各个四分区压电陶瓷片压紧。当受扰产生振动时,根据压电传感器产生的传感信号激发压电作动模块工作,使二者振动与受扰振动频率一致且方向相反,即可实现主动抑振,本发明可靠性强、通用性高、具有良好的抗电磁干扰性能和应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及压电作动领域和机械振动控制领域,尤其涉及一种空间结构的压电主动抑振杆及其工作方法。
背景技术
空间结构不可避免受到由模块组装引入的频繁碰撞冲击、空间机器人操作、航天姿态调整等扰动,再加上该阶段结构柔性越来越大,结构振动问题愈发突出,导致激发空间结构的动态响应发生不同模态的振动,而空间环境并无外部阻尼,空间结构内部阻尼很小,需要对振动进行抑制。
现阶段针对空间结构振动控制研究和应用分为被动和主动控制,被动抑振通过阻尼等方式,具有结构简单的优点,但其缺乏通用性、适应能力差,难以满足空间结构不断变化的振动控制或性能要求;主动控制具有较强的适应能力,而压电主动抑振以其低成本、响应快、轻量化等优势在空间结构抑振中发挥重要作用,但目前压电主动抑振技术的控制较复杂,难以针对不同振动类型进行抑制。
本发明针对不同振动类型进行抑制,并且不受振动模态的阶数限制,同时抑制效果显著,采用压电传感器与压电作动模块相结合形式,根据压电传感信号给与激励信号,使得控制简便。本发明可以弥补空间结构在抑振方面的技术短缺,具有广阔的发展前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷,提供一种空间结构的压电主动抑振杆及其工作方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
一种空间结构的压电主动抑振杆,包含预紧螺帽、预紧梁、支撑梁、螺纹杆、定位杆、压电作动模块和压电传感模块;
所述支撑梁、预紧梁为横截面形状相同的圆柱体;
所述螺纹杆、定位杆、支撑梁依次同轴固连,且横截面面积依次增大;
所述预紧梁的一个端面中心设有和所述定位杆相配合的定位盲孔,且定位盲孔中心设有和供所述螺纹杆穿过的通孔;
所述压电作动模块包含N个压电作动单元;
所述压电作动单元包含8个四分区压电陶瓷片;
所述四分区压电陶瓷片为和支撑梁横截面形状相同的圆形,中心设有供定位杆穿过的通孔,包含依次首位相连的第一至第四分区;所述第一至第四分区为形状相同的扇形分区,均沿着厚度方向极化,且相邻分区的极化方向相反;
所述8个四分区压电陶瓷片依次层叠,使得其第一至第四分区一一对应层叠;相邻四分区压电陶瓷片中同一分区的极化方向相反;
所述N个压电作动单元依次层叠套在所述定位杆上,且不同压电作动单元中四分区压电陶瓷片的第一至第四分区一一对应层叠;
所述预紧梁套在所述螺纹杆上,其定位盲孔和所述定位杆间隙配合;
所述预紧螺帽和所述螺纹杆螺纹相连,使得预紧梁和支撑梁将压电作动模块中N个压电作动单元的各个四分区压电陶瓷片压紧;
所述支撑梁靠近压电作动模块一端的侧壁上周向均匀设有第一至第四安装凹槽,所述第一至第四安装凹槽一一对应设置在所述N个压电作动单元中四分区压电陶瓷片第一至第四分区的角平分面上;
所述压电传感模块包含第一至第四压电传感器;所述第一至第四压电传感器一一对应设置在所述第一至第四安装凹槽内,用于感应其所在处的受力大小。
本发明用于构建大型空间结构,例如大型空间桁架杆件、太阳能平板阵列结构连接杆件、充气薄膜结构杆件等。
本发明还公开了一种该空间结构的压电主动抑振梁的工作方法,包含以下步骤:
所述第一至第四压电传感器发出的传感信号与其受扰振动的频率相等、相位相同;当压电传感器模块发出了传感信号,则表明空间结构的压电主动抑振杆发生了振动;
分别给压电作动模块第一、第二、第三、第四分区施加激励信号A、B、C、D,其中,激励信号A和第一压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相反,激励信号B和第二压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相同,激励信号C和第三压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相反,激励信号D和第四压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相同。
通过对压电作动模块的激励产生激励振动,激励振动与受扰振动方向相反,使得振动得到抑制。之后,由于振动得到抑制,压电传感模块不产生传感信号,激励信号也随之为零。若受扰振动仍在持续,则重复给予激励信号产生抑振作动,直至受扰振动幅度为零或不能引起压电传感器发出传感信号。
发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:
1.本发明采用振动主动控制技术,控制简单,可根据压电传感器的传感信号自主控制多种模态的振动,且能够大幅度抑制振动幅度,使得本发明具有应用范围广、操作简单、强度大和重量轻等优势;
2.本发明中的压电材料的应用,使得本发明对多种模态的弯曲振动、多模态纵向振动和不同频率的摇头运动都具有良好的抑振效果,结构简单,具有可靠性强、响应快、不受电磁和辐射干扰等优势;
3.本发明采用压电陶瓷片的四分区形式,使得本发明可以针对不同模态的振动单独施加控制,结构紧凑、功能丰富强大,适合空间结构轻量化、抗辐射等苛刻要求。
附图说明
图1是本发明的外观示意图;
图2是本发明中支撑杆、螺纹杆和定位杆固连的结构示意图;
图3是本发明中压电作动模块的结构示意图;
图4是本发明中预紧梁的结构示意图;
图5是本发明中预紧螺帽的结构示意图;
图6是本发明中压电作动单元中各个压电陶瓷片的极化方向和接线方式的示意图;
图7是本发明中压电作动单元中压电陶瓷片的作动抑振原理示意图;
图8是本发明在弯曲振动模态下压电传感器模块的传感信号示意图;
图9是本发明在弯曲振动模态下压电作动模块的抑振原理示意图;
图10是本发明在纵向振动模态下压电传感器模块的传感信号示意图;
图11是本发明在纵向振动模态下压电作动模块的抑振原理示意图;
图12是本发明在摇头运动振动模态下压电传感器模块的传感信号示意图;
图13是本发明在摇头运动振动模态下压电作动模块的抑振原理示意图;
图中,1-支撑梁,2-压电作动模块,3-预紧梁,4-预紧螺帽,5-第一压电传感器,6-螺纹杆,7-定位杆,8-定位盲孔,9-定位杆上供螺纹杆穿过的通孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
本发明可以以许多不同的形式实现,而不应当认为限于这里所述的实施例。相反,提供这些实施例以便使本公开透彻且完整,并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中,为了清楚起见放大了组件。
如图1所示,本发明公开了一种空间结构的压电主动抑振杆,包含预紧螺帽、预紧梁、支撑梁、螺纹杆、定位杆、压电作动模块和压电传感模块;
所述支撑梁、预紧梁为横截面形状相同的圆柱体;
如图2所示,所述螺纹杆、定位杆、支撑梁依次同轴固连,且横截面面积依次增大;
如图4所示,所述预紧梁的一个端面中心设有和所述定位杆相配合的定位盲孔,且定位盲孔中心设有和供所述螺纹杆穿过的通孔;
所述压电作动模块包含N个压电作动单元;
如图3所示,所述压电作动单元包含8个四分区压电陶瓷片;
所述四分区压电陶瓷片为和支撑梁横截面形状相同的圆形,中心设有供定位杆穿过的通孔,包含依次首位相连的第一至第四分区;所述第一至第四分区为形状相同的扇形分区,均沿着厚度方向极化,且相邻分区的极化方向相反;
所述8个四分区压电陶瓷片依次层叠,使得其第一至第四分区一一对应层叠;相邻四分区压电陶瓷片中同一分区的极化方向相反;
所述N个压电作动单元依次层叠套在所述定位杆上,且不同压电作动单元中四分区压电陶瓷片的第一至第四分区一一对应层叠;
所述预紧梁套在所述螺纹杆上,其定位盲孔和所述定位杆间隙配合;
所述预紧螺帽和所述螺纹杆螺纹相连,使得预紧梁和支撑梁将压电作动模块中N个压电作动单元的各个四分区压电陶瓷片压紧,预紧螺帽的结构如图5所示;
所述支撑梁靠近压电作动模块一端的侧壁上周向均匀设有第一至第四安装凹槽,所述第一至第四安装凹槽一一对应设置在所述N个压电作动单元中四分区压电陶瓷片第一至第四分区的角平分面上;
所述压电传感模块包含第一至第四压电传感器;所述第一至第四压电传感器一一对应设置在所述第一至第四安装凹槽内,用于感应其所在处的受力大小。
本发明用于构建大型空间结构,例如大型空间桁架杆件、太阳能平板阵列结构连接杆件、充气薄膜结构杆件等。
本发明还公开了一种该空间结构的压电主动抑振梁的工作方法,包含以下步骤:
所述第一至第四压电传感器发出的传感信号与其受扰振动的频率相等、相位相同;当压电传感器模块发出了传感信号,则表明空间结构的压电主动抑振杆发生了振动;
如图6、图7所示,分别给压电作动模块第一、第二、第三、第四分区施加激励信号A、B、C、D,其中,激励信号A和第一压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相反,激励信号B和第二压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相同,激励信号C和第三压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相反,激励信号D和第四压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相同。
通过对压电作动模块的激励产生激励振动,激励振动与受扰振动方向相反,使得振动得到抑制。之后,由于振动得到抑制,压电传感模块不产生传感信号,激励信号也随之为零。若受扰振动仍在持续,则重复给予激励信号产生抑振作动,直至受扰振动幅度为零或不能引起压电传感器发出传感信号。
下面就具体振动类型来进行详细说明:
当所述压电传感模块中相对称的压电传感器产生频率相同、相位一致且方向相反的传感信号时,即:第一和第三或者第二和第四或者第一二和第三四或者第一四和第二三压电传感器产生的传感信号频率相同、相位一致且方向相反。表明空间结构的压电主动抑振杆正在处于弯曲振动,弯曲振动模态的阶数可由传感信号的频率得出,如图8所示。
如图9所示,针对四种弯曲振动的抑振情况如下:
1)若第一和第三压电传感器产生了频率相同、相位一致且方向相反的传感信号,则表明空间结构的压电主动抑振杆发生了沿着第一和第三压电传感器法线方向的弯曲振动,并且传感信号为正的一侧处于凹陷弯曲形变状态,而传感信号为负的一侧处于凸起弯曲形变状态。此时,控制所述压电作动模块第一分区给予激励信号A,第三分区给与激励信号C,并且激励信号A与第一压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相反,激励信号C与第三压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相反。
2)若第二和第四压电传感器产生了频率相同、相位一致且方向相反的传感信号,则表明空间结构的压电主动抑振杆发生了沿着第二和第四压电传感器法线方向的弯曲振动,并且传感信号为正的一侧处于凹陷弯曲形变状态,而传感信号为负的一侧处于凸起弯曲形变状态。此时,控制所述压电作动模块第二分区给予激励信号B,第四分区给与激励信号D,并且激励信号B与第二压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相同,激励信号D与第四压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相同。
3)若第一和二压电传感器产生的传感信号与第三和四压电传感器产生的传感信号频率相同、相位一致且方向相反,则表明空间结构的压电主动抑振杆发生了沿着第一和第二压电传感器中心线方向的弯曲振动,并且传感信号为正的一侧处于凹陷弯曲形变状态,而传感信号为负的一侧处于凸起弯曲形变状态。此时,控制所述压电作动模块第一、二、三和四分区分别给予A、B、C和激励信号D,并且激励信号A与第一压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相反,激励信号B与第二压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相同,激励信号C与第三压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相反,激励信号D与第四压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相同。
4)若第一和四压电传感器产生的传感信号与第二和三压电传感器产生的传感信号频率相同、相位一致且方向相反,则表明空间结构的压电主动抑振杆发生了沿着第一和第四压电传感器中心线方向的弯曲振动,并且传感信号为正的一侧处于凹陷弯曲形变状态,而传感信号为负的一侧处于凸起弯曲形变状态。此时,控制所述压电作动模块第一、二、三和四分区分别给予A、B、C和激励信号D,并且激励信号A与第一压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相反,激励信号B与第二压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相同,激励信号C与第三压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相反,激励信号D与第四压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相同。
当所述压电传感模块中的压电传感器产生的传感信号相同时,则表明空间结构的压电主动抑振杆正在处于纵向振动,纵向振动模态的阶数可由传感信号的频率得出,方向为沿着杆的轴向方向,如图10所示。此时,控制所述压电作动模块第一、二、三和四分区分别给予A、B、C和激励信号D。激励信号A与第一压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相反,激励信号B与第二压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相同,激励信号C与第三压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相反,激励信号D与第四压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相同,如图11所示。
当所述压电传感模块中第一、二、三和四压电传感器产生的传感信号相位依次相差π/2时,则表明空间结构的压电主动抑振杆正在处于摇头运动模态的振动(两个正交弯曲振动诱发的绕轴线行波旋转振动),模态的阶数可由传感信号的频率得出,如图12所示。此时,控制所述压电作动模块第一、二、三和四分区分别给予A、B、C和激励信号D。激励信号A与第一压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相反,激励信号B与第二压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相同,激励信号C与第三压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相反,激励信号D与第四压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相同。A、B、C和激励信号D的相位也依次相差π/2,如图13所示。
本技术领域技术人员可以理解的是,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非像这里一样定义,不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种空间结构的压电主动抑振杆,其特征在于,包含预紧螺帽、预紧梁、支撑梁、螺纹杆、定位杆、压电作动模块和压电传感模块;
所述支撑梁、预紧梁为横截面形状相同的圆柱体;
所述螺纹杆、定位杆、支撑梁依次同轴固连,且横截面面积依次增大;
所述预紧梁的一个端面中心设有和所述定位杆相配合的定位盲孔,且定位盲孔中心设有和供所述螺纹杆穿过的通孔;
所述压电作动模块包含N个压电作动单元;
所述压电作动单元包含8个四分区压电陶瓷片;
所述四分区压电陶瓷片为和支撑梁横截面形状相同的圆形,中心设有供定位杆穿过的通孔,包含依次首位相连的第一至第四分区;所述第一至第四分区为形状相同的扇形分区,均沿着厚度方向极化,且相邻分区的极化方向相反;
所述8个四分区压电陶瓷片依次层叠,使得其第一至第四分区一一对应层叠;相邻四分区压电陶瓷片中同一分区的极化方向相反;
所述N个压电作动单元依次层叠套在所述定位杆上,且不同压电作动单元中四分区压电陶瓷片的第一至第四分区一一对应层叠;
所述预紧梁套在所述螺纹杆上,其定位盲孔和所述定位杆间隙配合;
所述预紧螺帽和所述螺纹杆螺纹相连,使得预紧梁和支撑梁将压电作动模块中N个压电作动单元的各个四分区压电陶瓷片压紧;
所述支撑梁靠近压电作动模块一端的侧壁上周向均匀设有第一至第四安装凹槽,所述第一至第四安装凹槽一一对应设置在所述N个压电作动单元中四分区压电陶瓷片第一至第四分区的角平分面上;
所述压电传感模块包含第一至第四压电传感器;所述第一至第四压电传感器一一对应设置在所述第一至第四安装凹槽内,用于感应其所在处的受力大小。
2.基于权利要求1所述的空间结构的压电主动抑振杆的工作方法,其特征在于,包含以下步骤:
所述第一至第四压电传感器发出的传感信号与其受扰振动的频率相等、相位相同;当压电传感器模块发出了传感信号,则表明空间结构的压电主动抑振杆发生了振动;
分别给压电作动模块第一、第二、第三、第四分区施加激励信号A、B、C、D,其中,激励信号A和第一压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相反,激励信号B和第二压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相同,激励信号C和第三压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相反,激励信号D和第四压电传感器发出的传感信号频率相同、相位一致且方向相同。
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