CN203432773U - 一种柔性梁末端振动特性测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种柔性梁末端振动特性测试装置。包括操作平台、工作台、直线滑台、可调节支架、柔性梁、末端质量体、阻尼可调节装置及其控制系统，控制系统包括有运动控制器、激光位移测量系统、计算机，工作台固定在操作平台上，工作台的上部分固定有交流伺服电机和滑台，伺服电机的输出轴与滑台中的滚珠丝杆相连；滑块与丝杠螺母相连；末端质量体装设在柔性梁的一端；阻尼调节装置固定在工作台上，激光位移测量系统的信号输出端与计算机连接，计算机与运动控制器相连，运动控制器与驱动器相连，伺服电机的编码器检测伺服电机的转速，编码器的信号输出端与驱动器的信号输入端连接，驱动器的信号输出端与伺服电机连接。本实用新型能有效测试梁末端质量体的振动特性。

Description

一种柔性梁末端振动特性测试装置

技术领域

本实用新型是一种柔性梁末端振动特性测试装置，属于柔性梁末端振动特性测试装置的创新技术。

背景技术

在机器人、高速板材送料、高速封装等设备的工程应用中,针对这些设备的运行特点，可提炼出这样一类带末端质量体的柔性梁系统，其作快速、频繁点到点的运动，且要求末端质量在目标点处高精度定位。这一类带末端质量体的柔性梁系统在许多领域中有着强烈的工程应用背景，且由于实际工程的特殊性，梁末端一般无法安装反馈检测装置。因此有必要研制一套简单、实用的无状态反馈的柔性梁机械装置，可进行运动特性的测试以及模型、定位控制算法有效性的验证，这样验证后的成果才能有效、节能、安全地应用到实际工程中去。

目前，可用于带末端质量体的柔性梁系统的振动特性测试的实验装置主要是采用伺服电机或者直线电机驱动运动平台，采用磁栅或者光栅作为位置检测元件，形成一个全闭环的控制系统，与实际的工程应用中不能安装有反馈检测装置相矛盾。另外，常见的实验装置中的梁及末端质量一般都是固定在运动平台上，不能随意改变其参数，一旦控制系统的机械参数发生变化，就必须要改动整个机械装置，灵活性差。此外，目前很多的实验装置在模拟系统阻尼时，通常都是在控制器上外加一个干扰电信号，然后通过设计算法来进行控制，虽然能够达到一定的模拟和控制效果，但与实际系统的物理结构不符。

实用新型内容

本实用新型的目的在于考虑上述问题而提供一种柔性梁末端振动特性测试装置。本实用新型在无状态反馈情况下，当系统作快速、频繁点到点运动时，能有效测试梁末端质量体的振动特性，为模型及其定位控制算法的验证提供一种结构简单的测试装置。本实用新型操作方便、扩展性强、方便实用。

本实用新型的技术方案是：本实用新型的柔性梁末端振动特性测试装置，包括操作平台、工作台、直线滑台、可调节支架、柔性梁、末端质量体、阻尼可调节装置及其控制系统，控制系统包括有运动控制器、激光位移测量系统、计算机，工作台固定在操作平台上，工作台的上部分固定有交流伺服电机和滑台，伺服电机的伺服电机输出轴直接与滑台中的滚珠丝杆相连；滑台两端固定有第一限位开关和第二限位开关，第一限位开关和第二限位开关的信号输出端与运动控制器相连；滑块与丝杠螺母相连；滚珠丝杆与丝杠螺母组成螺旋传动副，可调节支架固定在滑块上；末端质量体装设在柔性梁的一端；阻尼调节装置固定在工作台上，激光位移测量系统测量滑块和末端质量体的位移量，且激光位移测量系统的信号输出端与计算机连接，计算机与运动控制器相连，运动控制器与驱动器相连，伺服电机的编码器检测伺服电机的转速，编码器的信号输出端与驱动器的信号输入端连接，驱动器的信号输出端与伺服电机连接。

上述激光测量系统包括有第一激光感测头、第二激光感测头以及激光控制器，第一激光感测头和第二激光感测头分别无接触测量滑块和末端质量体的位移量，第一激光感测头和第二激光感测头的信号输出端与激光控制器连接，激光控制器通过导线与计算机相连。

上述可调节支架包括有底板、底板中部的竖直架以及竖直架上部的调节架，竖直架固定在可调节支架的底板上，调节架通过固定螺栓将柔性梁固定在竖直架上，通过固定螺栓调节柔性梁的有效梁长。

上述阻尼调节装置固定在工作台上，阻尼调节装置包括有阻尼材料放置架、调节阀门、移动杆、第一放置架固定机构和第二放置架固定机构、第一连接轴和第二连接轴、放置架移动机构，其中第一放置架固定机构和第二放置架固定机构固定在工作台上，第一连接轴和第二连接轴通过连接螺栓固定在第一放置架固定机构和第二放置架固定机构的两端，阻尼材料放置架固定在放置架移动机构的上方，放置架移动机构的两端通过通孔穿过第一连接轴和第二连接轴，且底部不与工作台接触，调节阀门固定在移动杆的顶端，移动杆通过通孔穿过第一放置架固定机构和第二放置架固定机构，移动杆通过螺纹孔穿过放置架移动机构，移动杆为螺纹杆，旋转调节阀门，放置架移动机构能前后移动，从而使得阻尼材料放置架能沿柔性梁的方向前后移动。

本实用新型能够开展快速、频繁点到点运动的梁的振动试验，弥补现有装置及方法与实际工程模型不一致；以及弥补现有实验装置及方法局限于固定的模块搭建模式，如梁单元不能任意改变，且不能随意简单的改变末端质量体的阻尼，一旦这些量发生变化，整个结构就要改变，装置结构灵活性差，不能方便、灵活地测量快速、频繁点到点运动下的带末端质量体的柔性梁的振动特性。本实用新型适用于机器人、高速板材送料、高速封装等设备的工程应用领域中存在柔性运动机构末端的振动特性和定位控制的研究，尤其是可研究伺服驱动下的带末端质量体的柔性梁系统在末端无状态反馈下，作频繁、快速启停时的振动特性，以及考虑阻尼变化情况下，柔性梁的弹性变形对末端质量体定位的影响，利用本实用新型对结构优化设计、梁末端质量体定位控制具有很好的指导意义。本实用新型为带末端质量体的梁系统模型及其末端定位控制算法的验证提供简单、实用的测试装置，是一种方便实用的柔性梁末端振动特性测试装置。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的控制原理图。

具体实施方式

实施例：

本实用新型的结构示意图如图1所示，本实用新型的柔性梁末端振动特性测试装置，包括操作平台1、工作台2、直线滑台4、可调节支架5、柔性梁11、末端质量体12、阻尼可调节装置13及其控制系统，控制系统包括有运动控制器14、激光位移测量系统15、计算机16，工作台2固定在操作平台1上，工作台2的上部分固定有交流伺服电机3和滑台4，伺服电机3的伺服电机输出轴31直接与滑台4中的滚珠丝杆41相连；滑台4两端固定有第一限位开关43和第二限位开关44，第一限位开关43和第二限位开关44的信号输出端与运动控制器14相连；滑块42与丝杠螺母相连；滚珠丝杆41与丝杠螺母组成螺旋传动副，可调节支架5固定在滑块42上；末端质量体12装设在柔性梁11的一端；阻尼调节装置13固定在工作台2上，激光位移测量系统15测量滑块42和末端质量体12的位移量，且激光位移测量系统15的信号输出端与计算机16连接，计算机16与运动控制器14相连，运动控制器14与驱动器33相连，伺服电机的编码器32检测伺服电机3的转速，编码器32的信号输出端与驱动器33的信号输入端连接，驱动器33的信号输出端与伺服电机3连接。所述所测的带末端质量体12的柔性梁11的振动特性为柔性梁11作快速、频繁的点到点的运动下，柔性梁11的弹性变形引起的末端质量体12的振动特性。所述柔性梁11与末端质量体12的尺寸和材料，以及伺服电机3、直线滑台4中滚珠丝杆41的型号、均由计算设计选型得出。

本实施例中，上述控制系统包括有触摸屏17，触摸屏17通过导线与计算机16相连。

本实施例中，上述激光测量系统15包括有第一激光感测头151、第二激光感测头152以及激光控制器153，第一激光感测头151和第二激光感测头152分别无接触测量滑块42和末端质量体12的位移量，第一激光感测头151和第二激光感测头152的信号输出端与激光控制器153连接，激光控制器153通过导线与计算机16相连。

本实施例中，上述工作台2通过固定板9用安装螺栓10固定在操作平台1上。上述第一限位开关43和第二限位开关44用螺丝固定在滑台4的两端。上述可调节支架5通过六角螺栓8固定在滑块42上。

本实施例中，上述可调节支架5包括有底板51、底板中部的竖直架52以及竖直架52上部的调节架53，竖直架52通过螺栓7固定在可调节支架5的底板51上，调节架53通过固定螺栓6将柔性梁（11）固定在竖直架52上，通过固定螺栓6调节柔性梁11的有效梁长。

本实施例中，上述阻尼调节装置13通过螺栓固定在工作台2上，阻尼调节装置13包括有阻尼材料放置架131、调节阀门132、移动杆134、第一放置架固定机构133和第二放置架固定机构136、第一连接轴137和第二连接轴138、放置架移动机构135，其中第一放置架固定机构133和第二放置架固定机构136用螺栓固定在工作台2上，第一连接轴137和第二连接轴138通过连接螺栓139固定在第一放置架固定机构133和第二放置架固定机构136的两端，阻尼材料放置架131用螺栓固定在放置架移动机构135的上方，放置架移动机构135的两端通过通孔穿过第一连接轴137和第二连接轴138，且底部不与工作台2接触，调节阀门132用螺栓固定在移动杆134的顶端，移动杆134通过通孔穿过第一放置架固定机构133和第二放置架固定机构136，移动杆134通过螺纹孔穿过放置架移动机构135，移动杆134为螺纹杆，旋转调节阀门132，放置架移动机构135即可前后移动，从而使得阻尼材料放置架131可沿梁11的方向前后移动，并可调节阻尼材料放置架131上的阻尼材料是否与末端质量体12的底部接触，阻尼材料放置架131上的阻尼材料可自由更换，从而在不改变装置结构的基础上即可实现梁末端质量12底部接触是否接入摩擦阻尼或改变阻尼。阻尼调节装置13在工作台2上的安装位置为滚珠丝杆41中心的正前方。

本实施例中，上述伺服电机3为交流伺服电机；上述计算机16与运动控制器14之间采用以太网进行通讯。所述柔性梁与末端质量体的尺寸和材料，以及伺服电机、直线滑台中丝杠的型号、均由计算设计选型得出。

通过下面实施例对本实用新型中相关单元的参数和选型作进一步详细阐述。

（1）梁及末端质量体的设计

由于实际工程中的柔性振动是刚性材料杆件在很高的加速度下才能产生，为模拟这一效果，设计的装置中的梁采用弹簧钢材质的材料制成，l、b、h分别代表梁长、梁宽和梁高，其中梁的长度可通过螺栓调节（l_min≤l≤l_max）；用梁末端的质量体采用刚制成，质量用m_O表示。

将柔性梁的运动分解为刚体运动和弹性变形运动两部分，其刚体运动在惯性坐标系中o₀x₀y₀表述，而弹性变形运动则在随动坐标系oxy（以滑块与梁的连接点o为原点，滑块运动轨迹为x轴，系统静止时梁所在位置为y轴）表述，如图1所示。根据力学原理，梁弹性变形的恢复力F和相对位移量有如下关系：

$F=-\frac{3E{I}_Z}{l^3}{x}_{\mathrm{WO}}=-K{x}_{\mathrm{WO}}---\left(1\right)$

其中，E为梁材料杨氏模量；I_Z为梁截面惯性矩；x_WO为末端质量体在oxy坐标系中的位移。

当无外驱动力时，若调节阻尼调节装置，使得末端质量体底端悬空，则由于梁的弹性变形，末端质量体的运动就可以视为简谐振动，其振动周期T₀为：

$T_0=2\mathrm{\π}\sqrt{\frac{m_O}{K}}---\left(2\right)$

根据式（1）和式（2）可得：

$\frac{T_0^2}{4{\mathrm{\π}}^2}=\frac{m_O{l}^3}{3E{I}_Z}---\left(3\right)$

令：

$\frac{T_0^2}{l^3}=C---\left(4\right)$

根据式（3）和式（4）可得：

$\frac{E{I}_Z}{m_O}=\frac{4{\mathrm{\π}}^2}{3C}---\left(5\right)$

梁振动恢复力力矩M可表示为：

M=Fl   （6）

梁振动相对于中心滑块的位移x_WO可表示为：

x_WO=lθ   （7）

其中，θ为梁振动时相对于滑块的偏移角度。

将式（1）、式（5）和式（7）带入式（6）中，可得梁振动最大恢复力力矩M_max为：

$M_{\max }=-\frac{3E{I}_Z{\mathrm{\θ}}_{\max }}{l_{\min }}=-\frac{4{\mathrm{\π}}^2}{l_{\min }C}{m}_O{\mathrm{\θ}}_{\max }---\left(8\right)$

其中，θ_max为梁振动偏移角度最大值；l_min为梁长最小值。

则梁材料的最大屈服系数σ_max可表示为：

${\mathrm{\σ}}_{\max }=\frac{\left|M_{\max }\right|\frac{b}{2}}{I_Z}=\frac{\frac{3E{I}_Z{\mathrm{\θ}}_{\max }}{l_{\min }}\frac{b}{2}}{I_Z}=\frac{3\mathrm{Eb}{\mathrm{\θ}}_{\max }}{2l_{\min }}---\left(9\right)$

计算梁的质量m_L可得：

m_Lmax=l_maxbhρ   （10）

其中，m_Lmax为梁质量最大值；ρ为梁材料密度。

令：

h=nb，m_O=im_L（n,i∈R）   （11）

将式（11）代入式（10）可得：

m_Lmax=nb²l_maxρ   （12）

m_Omax=inb²l_maxρ   （13）

其中，m_Omax为梁末端质量体质量最大值。

根据方形梁的截面惯性矩的公式可得：

$I_Z=\frac{h{b}^3}{12}---\left(14\right)$

将式（11）、式（13）和式（14）代入到式（5）中，可得：

$b=4\mathrm{\π}\sqrt{\frac{i{l}_{\max }\mathrm{\ρ}}{\mathrm{CE}}}---\left(15\right)$

将式（15）代入到式（9）中，可得：

${\mathrm{\σ}}_{\max }=6\mathrm{E\π}\sqrt{\frac{i{l}_{\max }\mathrm{\ρ}}{\mathrm{CE}}}\frac{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{l_{\min }}---\left(16\right)$

若梁材料的屈服极限为σ_s，则必须有：

$6\mathrm{E\&pi;}\sqrt{\frac{i{l}_{\max }\mathrm{\&rho;}}{\mathrm{CE}}}\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{\max }}{l_{\min }}<{\mathrm{\&sigma;}}_s---\left(17\right)$

实施例给定参数如下：

l_min=0.2m,l_max=0.5m,C=4,n=10,i=10,

E=216×10⁹pa,ρ=7.85×10³kg/m³

将以上参数代入到式（11）、式（15）和式（16）计算可得：

$\left\{\begin{array}{c}b=0.0027m\\ h=0.027m\\ {\mathrm{\&sigma;}}_{\max }=7.573\&times;{10}^7\mathrm{Gpa}\\ m_O=2.8157\mathrm{kg}\end{array}\right.---\left(18\right)$

（2）动力参数设计与分析

考虑滑块在阶跃输入下，末端质量体开始运动至第一次通过平衡位置时间t_e为：

$t_e=\frac{T_0}{4}=\frac{1}{4}{C}^{\frac{1}{2}}{l}^{\frac{3}{2}}---\left(19\right)$

阶跃输入作用时间t₀为：

$t_0=\frac{t_e}{N}=\frac{1}{4N}{C}^{\frac{1}{2}}{l}^{\frac{3}{2}}---\left(20\right)$

其中，N为阶跃幅值。

则末端质量体的位移x_WO可表示为：

$x_{\mathrm{WO}}=\frac{v_{\max }}{2t_0}---\left(21\right)$

由式（7）、式（20）和式（21）可得滑块最大速度v_max可表示为：

$v_{\max }=\frac{8N{\mathrm{\&theta;}}_{\max }}{\sqrt{\mathrm{Cl}}}---\left(22\right)$

根据式（22），可得丝杆最大角速度ω_max为：

${\mathrm{\&omega;}}_{\max }=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{p_h}{v}_{\max }=\frac{16\mathrm{N\&pi;}{\mathrm{\&theta;}}_{\max }}{p_h\sqrt{C{l}_{\min }}}---\left(23\right)$

其中，p_h为丝杠导程。

计算所需电机最大转矩T_max为：

$T_{\max }=\frac{1}{\mathrm{\&eta;}}(F+\frac{4M}{t_0^2}{x}_{\mathrm{WO}})R\frac{p_h}{2\mathrm{\&pi;R}}=\frac{2p_h{\mathrm{\&theta;}}_{\max }({\mathrm{\&pi;}}^{2}m+16N^{2}M)}{\mathrm{\&eta;\&pi;}\&CenterDot;C{l}_{\min }^2}---\left(24\right)$

其中，η为电机折算效率，R为丝杠半径。

电机功率和转速计算公式为：

P=Tω， $n=\frac{30}{\mathrm{\&pi;}}\&CenterDot;\mathrm{\&omega;}---\left(25\right)$

给定参数如下：

N=8,

p_h=0.02m/r,M=3N·m

将以上参数以及式（18）的计算结果，代入到式（24）和式（25），可得：

P=213.6594W

n=2369.5r/m

（2）各运动单元的选型

根据上述实施例计算结果，所述的柔性梁11的尺寸（长/宽/高）为0.5m×0.0027m×0.027m；所述柔性梁11材料为弹簧钢60Si2CrA；末端质量体12的质量为2.8157kg；所述伺服电机3三菱HF-MP73交流伺服电机；所述编码器32的分辨率为262144p/rev；所述电机伺服放大器为MR-J3-70A；所述直线滑台4的型号为THK KR45，滑台总长1050MM，有效行程813MM；所述直线滑台4中的滚珠丝杆41的导程为20MM，滚珠丝杆41的直径为15MM。

本实用新型柔性梁末端振动特性测试装置的测试方法，包括如下步骤：

1）先将工作台2固定在操作平台1上，再将直线滑台4和伺服电机3固定在工作台的上部分，然后将可调节支架5通过六角螺栓8固定在与丝杠螺母机构相连的滑块42上，然后通过调节架53用固定螺栓6将柔性梁11固定在可调节支架5的竖直架52上；

2）通过触摸屏17设定移动的短距离位移值或者速度/加速度值，并传给计算机16，与计算机相连的运动控制器将设定的物理量值进行转换和调理为电信号来驱动伺服电机3，从而驱动直线滑台4中的滚珠丝杆41带动滑块42快速水平移动，固定在滑台4两端的第一限位开关43和第二限位开关44有效防止伺服电机3过冲和实现电机的往复运动；同时，固定在滑块42上的可调节支架5的竖直架52上的柔性梁11会连同末端质量体12一起移动；旋转阻尼调节装置13的调节阀门132能调节末端质量体12是否接入摩擦阻尼；驱动柔性梁11移动的刚性滑块42和末端质量体12的位移值由无接触式的激光测量系统15中的第一激光感测头151和第二激光感测头152直接测得并由激光控制器153处理后传给计算机16，经处理后传给触摸屏（17）显示；

3）经激光测量系统15测量的滑块42的位移，以及柔性梁11变形引起末端质量体12的振动信号，经过激光测量系统15中的激光控制器153进行处理和分析，然后上传至计算机16保存，并通过触摸屏17进行显示和对比。

Claims (10)

1.一种柔性梁末端振动特性测试装置，其特征在于包括操作平台（1）、工作台（2）、直线滑台（4）、可调节支架（5）、柔性梁（11）、末端质量体（12）、阻尼可调节装置（13）及其控制系统，控制系统包括有运动控制器（14）、激光位移测量系统（15）、计算机（16），工作台（2）固定在操作平台（1）上，工作台（2）的上部分固定有交流伺服电机（3）和滑台（4），伺服电机（3）的伺服电机输出轴（31）直接与滑台（4）中的滚珠丝杆（41）相连；滑台（4）两端固定有第一限位开关（43）和第二限位开关（44），第一限位开关（43）和第二限位开关（44）的信号输出端与运动控制器（14）相连；滑块（42）与丝杠螺母相连；滚珠丝杆（41）与丝杠螺母组成螺旋传动副，可调节支架（5）固定在滑块（42）上；末端质量体（12）装设在柔性梁（11）的一端；阻尼调节装置（13）固定在工作台（2）上，激光位移测量系统（15）测量滑块（42）和末端质量体（12）的位移量，且激光位移测量系统（15）的信号输出端与计算机（16）连接，计算机（16）与运动控制器（14）相连，运动控制器（14）与驱动器（33）相连，伺服电机的编码器（32）检测伺服电机（3）的转速，编码器（32）的信号输出端与驱动器（33）的信号输入端连接，驱动器（33）的信号输出端与伺服电机（3）连接。

2.根据权利要求1所述的柔性梁末端振动特性测试装置，其特征在于上述控制系统包括有触摸屏（17），触摸屏（17）通过导线与计算机（16）相连。

3.根据权利要求1所述的柔性梁末端振动特性测试装置，其特征在于上述激光测量系统（15）包括有第一激光感测头（151）、第二激光感测头（152）以及激光控制器（153），第一激光感测头（151）和第二激光感测头（152）分别无接触测量滑块（42）和末端质量体（12）的位移量 ，第一激光感测头（151）和第二激光感测头（152）的信号输出端与激光控制器（153）连接，激光控制器（153）通过导线与计算机（16）相连。

4.根据权利要求1所述的柔性梁末端振动特性测试装置，其特征在于上述工作台（2）通过固定板（9）用安装螺栓（10）固定在操作平台（1）上。

5.根据权利要求1所述的柔性梁末端振动特性测试装置，其特征在于上述第一限位开关（43）和第二限位开关（44）用螺丝固定在滑台（4）的两端。

6.根据权利要求1所述的柔性梁末端振动特性测试装置，其特征在于上述可调节支架（5）通过六角螺栓（8）固定在滑块（42）上。

7.根据权利要求1所述的柔性梁末端振动特性测试装置，其特征在于上述可调节支架（5）包括有底板（51）、底板中部的竖直架（52）以及竖直架（52）上部的调节架（53），竖直架（52）固定在可调节支架（5）的底板（51）上，调节架（53）通过固定螺栓（6）将柔性梁（11）固定在竖直架（52）上，通过固定螺栓（6）调节柔性梁（11）的有效梁长。

8.根据权利要求1所述的柔性梁末端振动特性测试装置，其特征在于上述阻尼调节装置（13）固定在工作台（2）上，阻尼调节装置（13）包括有阻尼材料放置架（131）、调节阀门（132）、移动杆（134）、第一放置架固定机构（133）和第二放置架固定机构（136）、第一连接轴（137）和第二连接轴（138）、放置架移动机构（135），其中第一放置架固定机构（133）和第二放置架固定机构（136）固定在工作台（2）上，第一连接轴（137）和第二连接轴（138）通过连接螺栓（139）固定在第一放置架固定机构（133）和第二放置架固定机构（136）的两端，阻尼材料放置架（131）固定在放置架移动机构（135）的上方，放置架移动机构（135）的两端通过通孔穿过第一连接轴（137）和第二连接轴（138），且底部不与工作台（2）接触，调节阀门（132）固定在移动杆（134）的顶端，移动杆（134）通过通孔穿过第一放置架固定机构（133）和第二放置架固定机构（136），移动杆（134）通过螺纹孔穿过放置架移动机构（135），移动杆（134）为螺纹杆，旋转调节阀门（132），放置架移动机构（135）能前后移动，从而使得阻尼材料放置架（131）能沿柔性梁（11）的方向前后移动。

9.根据权利要求1所述的柔性梁末端振动特性测试装置，其特征在于上述伺服电机（3）为交流伺服电机。

10.根据权利要求1所述的柔性梁末端振动特性测试装置，其特征在于上述计算机（16）与运动控制器（14）之间采用以太网进行通讯。

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