CN1208565C - 压电智能扭振控制杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电智能扭振控制杆。空心圆杆的下端从上而下依次装有第一连接块、环形压电扭转驱动器、第二连接块，空心圆杆的上端装有第三连接块，在装有环形压电扭转驱动器一端的空心圆杆的内表面或外表面装有传感器。当连接端相对于连接端有扭转变形或扭转振动产生时，传感器检测到信号经反相放大送入环形压电扭转驱动器，环形压电扭转驱动器产生一个与扭转变形反相的扭转力矩抑制其变形或振动。该杆集传感与驱动控制一体化，具有结构紧凑，控制特性好，功耗低，抑振效果佳等优点。它可广泛用于空间机器人的操作杆、桁架结构中以及对扭转振动需进行抑(隔)振的主动振动控制领域。

Description

压电智能扭振控制杆

                          技术领域

本发明涉及抑制扭振控制装置，是一种压电智能扭振控制杆。

                          背景技术

在复杂激励力作用下，许多构件往往会产生轴向伸缩振动，弯曲振动，甚至扭转振动。由于扭转振动表现不太直观，往往不引起人们的注意。但是随着各类设备输出功率的增加，导致设备主要构件体积的增大，刚度大幅下降，尤其是在航天领域中，为降低发射成本，要求航天结构实现轻型化、低刚度和柔性化设计，使得这些构件上扭振的影响越来越明显，有些场合甚至已经产生严重的危害性。例如，空间机器人的操纵臂、空间站上展开的太阳能帆板的支架(长可达几十米，宽几米)、口径达十几米的抛物面天线、射电望远镜等，其支架的一阶扭振频率往往在几赫兹以内，因此，外界的一点点扰动，就极易引起扭振共振。扭振的出现将会影响机器人操纵臂控制精度的下降，望远镜观测精度的下降，太阳能帆板的破坏等。而且在空间中，由于没有空气等阻力，振动的衰减将是极其缓慢的。

与其他的振动控制一样，对扭转振动控制一般也可分为被动式控制和主动式控制。被动式控制具有结构简单，工作可靠，不需要消耗附加能源等优点，在一般工业技术的应用中常获得满意的结果，但是它适合于抑制中高频率振动信号，对低频率振动信号抑制效果不理想。主动式控制采取对振动系统实行闭环校正，通过外界能量的输入来抑制振动，因此在复合激励环境下具有较强的抗干扰能力，尤其对低频振动信号抑制非常有效，因而引起人们的充分重视。从五十年代以来，采用主动振动控制方式的精密隔振平台、柔性板梁等实例已有大量报道，但是对扭振进行振动主动控制的报道相对较少，主要原因是适合于主动控制用的扭振驱动器极少，当今在主动振动控制中应用已较广泛技术较成熟的驱动器：如伺服气(液)动驱动器、电磁驱动器、超磁致伸缩驱动器(GMA)，基于形状记忆合金驱动器(SMA)等，往往只能产生轴向力，较难应用于扭振控制。从目前国内外已报道的文献看，对扭振进行主动控制的主要有：一种是采用特制的电磁驱动式电机作为扭振驱动器对轴进行扭振主动控制；一种是采用离心摆锤振动吸振器，通过主动调节摆的谐振频率和路径设计来主动抑制扭振；还有一种采用电流变液体(ERF)的扭振阻尼器，通过改变电压主动改变液体的阻尼来主动抑制扭振。但分析上述提及的驱动器多具有结构复杂，体积大，安装有特定要求，控制特性一般等特点。

                          发明内容

本发明的目的是提供一种压电智能扭振控制杆，通过杆上的传感器自感知到的扭振信号经反相放大送入同一杆上的压电扭转驱动器产生一个与扭转振动反相的扭转力矩抑制其振动。

本发明采用的技术方案如下：

它包括空心圆杆，传感器，三块连接块，环形压电扭转驱动器；空心圆杆的下端从上而下依次装有第一连接块、环形压电扭转驱动器、第二连接块，空心圆杆的上端装有第三连接块，在装有环形压电扭转驱动器一端的空心圆杆的内表面或外表面装有传感器。

所说的传感器为应变片或压电薄膜。

所说的环形压电扭转驱动器由数个采用厚度切变振动极化模式的扇形压电片粘合而成，每个扇形压电片侧面涂覆银电极，按相同的极化方向粘接成一圆环。

当连接端相对于连接端有扭转变形或扭转振动产生时，传感器检测到信号经反相放大送入环形压电扭转驱动器，环形压电扭转驱动器产生一个与扭转变形反相的扭转力矩抑制其变形或振动。

本发明具有如下优点：

1)结构简单紧凑。由于采用了环形压电扭转驱动器，因此该智能杆与一般的圆杆结构基本一致，无其它附加结构，因此在使用时非常方便。由于压电材料具有单位体积输出扭矩大的特点，因此尺寸重量小，且能加工成各种形状，非常适合于空间结构轻量化要求。

2)控制特性好。由于压电材料具有响应快，频响宽(可至零频响应)，温度特性稳定，无滞后，小功率能驱动，输入电压与输出扭矩具有良好的线性性，而传感器与扭转振动变形量成比例关系，因此控制容易，精度高。

3)适应范围宽。由于该智能杆具有自感知自驱动控制的智能特点，在外界的复合激励下能够达到高精度的抑振要求。另外，压电不产生磁场，也不受到磁场影响，这点非常有利于空间对磁场有特殊要求的场合。

它可广泛用于空间机器人的操作杆、桁架结构中以及对扭转振动需进行抑(隔)振的主动振动控制领域。

                          附图说明

图1是压电智能扭振控制杆的剖面图；

图2是环形压电扭转驱动器图；

图3是二片环形压电扭转驱动器组装示意图；

图4是压电智能扭振控制杆系统工作原理示意图。

                       具体实施方式

如图1所示，它包括：空心圆杆5，传感器4，三块连接块3、1、6，环形压电扭转驱动器2；空心圆杆5的下端从上而下依次装有第一连接块3、环形压电扭转驱动器2、第二连接块1，空心圆杆5的上端装有第三连接块6，在装有环形压电扭转驱动器2一端的空心圆杆5的内表面或外表面装有传感器4。

本发明采用厚度切变振动极化模式即机电耦合系数为K₁₅(压电常数d₁₅)的压电材料作为驱动器，设计了一种能自感知自控制的扭振抑振智能杆。如图1所示，环形压电扭转驱动器2与空心圆杆5经第一连接块3连在一起，第一连接块3的一面与环形压电扭转驱动器2用强力胶粘剂联接，另一面则与空心圆杆5通过胶粘剂或螺纹等联接。环形压电扭转驱动器2的另一面与第二连接块1的一面用强力胶粘剂联接。传感器4可以布置在空心圆杆5的内表面或外表面，且尽量靠近安装压电驱动器的一端，因为这样传感器可感受到的信号更大，传感器4可以用常见的应变片或压电薄膜等，如果是应变片则后面接应变电压放大器，是压电薄膜的话则用电荷放大器。由于杆的扭转变形量与传感器的应变量成线性关系，因此传感器的输出信号大小与杆端部的扭转振动位移大小成正比关系。第二连接块1和第三连接块6可以根据外部不同的连接对象设计成不同的结构，如螺纹，花键连接等。

如图2所示，对环形压电扭转驱动器2的构造进行说明：整个环形由若干个采用厚度切变振动极化模式的扇形压电片2.1粘接而成。其制造工艺如下：首先将每个扇形压电片2.1(以下简称扇段)按如下方式极化，在每一扇段的侧面涂覆银电极，把扇段置于硅油中，在加热条件下，加上2～3kV/mm的直流偏压对压电片进行极化。然后采用环氧型粘接剂将扇段按相同的极化方向粘接成一圆环，精磨环的两端面。为提高输出扭转力矩，可将两个切向极化的压电环反向并联与铜电极板粘接成一体，此时输出力矩约为单个环驱动器的2倍。由两个切向极化的压电环组成的压电扭转驱动器如图3所示，图中箭头表示极化方向，电极的引出端可以根据使用结构向环的外侧也可以向环的内侧引出。另外需要指出的是制造时所分扇段越多，切向极化越均匀，但相应粘接变得困难，且强度降低，若所分扇段较少，则要求极化电压高且极化不均匀，因此需要根据环的内外径大小决定扇段的合适数目。根据以上制成的压电扭转驱动器，当向其环两端面加上电压时，环的两端面间会产生一个与电压成比例的扭转角，改变电压的方向，扭转角方向也随之改变。当智能杆的第二连接块1固定不动时，通过对压电扭转驱动器施加电压，相当于在空心圆杆5的靠近压电驱动器的端部施加了一个扭转力矩。

如图4所示，为智能杆进行扭振主动抑振系统的工作原理图。因为智能杆往往与其它构件连接一起使用，例如，当此智能杆用作多臂机器人的操作臂时，一般在第三连接块6处会装上关节电机，此关节电机再驱动下一操作臂，当此臂在抓取或搬运物体时，必然会产生一个扭矩作用于智能杆上，当此扭矩发生变化时常易引起智能杆的扭转振动，特别当智能杆的一阶扭振频率较低时，极易引起一阶扭振谐振。这时机器人的末端操作位置不能再按刚性连杆的几何位置求取，而要加上此扭振摆动引起的位移，因而使机器人的操作精度下降。如果能在智能杆的另一端第二连接块1处施加一个与上述引起扭转摆动的干扰扭矩时刻反相的控制扭矩，则就可以减小智能杆扭转振动的幅值，提高机器人的操作精度。因此，根据图4所示，当智能杆受到外界干扰力时发生扭转变形时，传感器4将会感受到变形振动信号并将振动转换成电信号，并经信号放大器放大送入A/D转换器，A/D转换器作用是把电信号由模拟量转换成数字量，数字量在控制器内通过某种控制算法输出控制信号，D/A转换器把控制信号由数字量转换成模拟量，因为这时的信号比较微弱不足以去驱动压电驱动器，所以还必须经过一个功率放大电路。经过放大的控制信号输入压电驱动器内使驱动器产生扭转力矩，抵消了外界的扭转变形和振动，从而达到减小扭振的幅度或使其快速衰减。

控制器可以采用PC机或其它单片机等，采用数字控制方法，可以使控制器中的算法更丰富。当然上述闭环反馈控制完全也可以由模拟电路来完成。

Claims (2)

1.一种压电智能扭振控制杆，其特征在于它包括：空心圆杆(5)，传感器(4)，三块连接块(3)、(1)、(6)，环形压电扭转驱动器(2)；空心圆杆(5)的下端从上而下依次装有第一连接块(3)、环形压电扭转驱动器(2)、第二连接块(1)，空心圆杆(5)的上端装有第三连接块(6)，在装有环形压电扭转驱动器(2)一端的空心圆杆(5)的内表面或外表面装有传感器(4)；所说的环形压电扭转驱动器(2)由数个采用厚度切变振动极化模式的扇形压电片(2.1)粘合而成，每个扇形压电片(2.1)侧面涂覆银电极，按相同的极化方向粘接成一圆环。

2.根据权利要求1所述的压电智能扭振控制杆，其特征在于：所说的传感器(4)为应变片或压电薄膜。

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