CN207036253U - 基于激光双目视觉的双柔性悬臂梁振动测控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于激光双目视觉的双柔性悬臂梁振动测控装置，包括两块串联配置的柔性悬臂梁，所述柔性悬臂梁上设置压电陶瓷驱动器，压电陶瓷传感器及加速度计，还包括线激光器、工业相机、伺服电机及行星减速器，线激光器产生激光光源，结合工业相机以完全非接触的方式，检测悬臂梁的弯曲振动；伺服电机经由行星减速器减速，用于控制悬臂梁的旋转，同时接收由振动控制算法得到的抑振信号，抑制悬臂梁的振动。本实用新型装置可以用于模拟空间柔性关节的振动测量和控制，并且使用激光作为光源可以不受太阳光的影响而保持工作稳定性，为柔性航天结构的测振抑振提供参考。

Description

基于激光双目视觉的双柔性悬臂梁振动测控装置

技术领域

本实用新型涉及振动控制领域，具体涉及一种基于激光双目视觉的双柔性悬臂梁振动测控装置。

背景技术

柔性材料因其质量轻、刚度低、灵活度高等特点，在实际工程中有着广泛应用。旋转柔性悬臂梁在工业生产和航天工程领域较为常见，其应用主要体现在航天器柔性关节和柔性机械臂等机械结构上。相对于刚性机械臂，柔性臂更为轻质化，因而可以降低能耗，提高效率；然而由于柔性臂结构细长，刚度较小，所以稳定性没有刚性臂好。以空间柔性机器人和航天器挠性关节为例，在转动调姿或者变轨时产生自身激励以及受到太空中的外部扰动时，容易引起悬臂梁的振动，尤其是在平衡点附近的小幅值模态振动，如果不能进行快速抑制，将影响系统的稳定性和指向精度，从而降低系统的可靠性，甚至带来难以预估的损失。为了保证航天器的正常工作，有必要对其低频模态振动进行检测，分析振动特性并且加以控制。

当前对柔性悬臂梁结构的弯曲模态振动控制的研究，通常采用加速度传感器、压电陶瓷片等接触式测量传感器，通过优化配置进行。加速度传感器易安装，鲁棒性好，适用于振动检测；压电陶瓷材料响应快、频带宽、线性度好，利用其正逆压电效应可以同时作为传感器和驱动器使用。然而两者都属于接触式测量的范畴，会给悬臂梁增加附加质量，从而改变梁的结构特性，影响实验效果。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种基于激光双目视觉的双柔性悬臂梁振动测控装置。

本实用新型采用如下技术方案：

一种基于激光双目视觉的双柔性悬臂梁振动测控装置，包括柔性悬臂梁本体部分、检测部分及驱动控制部分；

所述柔性悬臂梁本体部分包括台座、第一柔性悬臂梁、第二柔性悬臂梁、第一行星减速器、第一伺服电机、第二伺服电机及第二行星减速器；

所述第一柔性悬臂梁与第二柔性悬臂梁串联，第一柔性悬臂梁的一端通过夹板固定在第一行星减速器的输出轴称为固定端，另一端为自由端，第一伺服电机与第一行星减速器连接，所述第二伺服电机及第二行星减速器固定在第一柔性悬臂梁的自由端，所述第二行星减速器的输出轴与第二柔性悬臂梁的一端连接称为固定端，其另一端为自由端，所述第一伺服电机及第一行星减速器由立柱支撑安放在台座上；

所述检测部分包括接触式检测单元及非接触式检测单元；

所述接触式检测单元，包括压电陶瓷传感器及加速度计，所述压电陶瓷传感器设置在柔性悬臂梁宽度方向的中线处，加速度计安装在柔性悬臂梁的自由端中间位置；

所述压电陶瓷传感器及加速度计检测的柔性悬臂梁的振动信号经由电荷放大器放大后，通过Galil运动控制卡将模拟标准电信号转换成数字信号输入到计算机中；

所述非接触式检测单元，包括工业相机、线激光器、滑轨及相机架，工业相机具体为两台，第二柔性悬臂梁定位后的振动范围位于两个工业相机的视场内，通过云台设置在滑轨上，线激光器设置在两台工业相机的中间位置，且通过滑块置于滑轨上，所述滑轨置于相机架上，所述工业相机拍摄的图像传输到计算机中；

所述驱动控制部分，包括压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器安装在柔性悬臂梁靠近固定端位置，计算机得到驱动控制信号经过Galil运动控制卡分别输出到电机伺服单元及压电放大电路，电机伺服单元分别驱动第一伺服电机及第二伺服电机，进一步驱动第一及第二柔性悬臂梁固定端的转动；

压电放大电路将驱动控制信号放大后输出到压电陶瓷驱动器中，抑制柔性悬臂梁的弯曲振动。

所述压电陶瓷驱动器由8片压电陶瓷片构成，每根柔性悬臂梁粘贴4片，每面2片，对称粘贴，关于每根柔性悬臂梁宽度方向的中线粘贴。

所述压电陶瓷传感器由四片压电陶瓷片构成，每根柔性悬臂梁粘贴两片。

所述相机架底部设置四个调节脚。

一种双柔性性悬臂梁振动测控装置的控制方法，包括如下步骤：

第一步用激振小锤击打柔性悬臂梁，激发梁的小范围振动；

第二步利用压电陶瓷传感器和加速度计检测柔性悬臂梁的弯曲模态振动，得到相应的电信号输出，然后经由电荷放大器放大，通过Galil运动控制卡的A/D模块数模转换后输入到计算机中储存，得到振动信息；

第三步利用线激光器将激光打在第二柔性悬臂梁上合适的位置，用工业相机采集振动图像，获得含有振动信息的图像序列，传输到计算机中，通过确定图像ROI特征图样识别，三维坐标重建得到第二柔性悬臂梁的振动信息；

第四步计算机通过第二步及第三步的振动信息得到控制信号，经由Galil运动控制卡的D/A模块分别输出到电机伺服单元和压电放大电路中，驱动第一及第二伺服电机和压电陶瓷驱动器采取相应动作，抑制悬臂梁的弯曲振动。

所述计算机通过确定图像ROI特征图样识别及三维坐标重建得到第二柔性悬臂梁的振动信息，具体步骤如下：

线激光器发射激光，工业相机采集图像；

计算机读取工业相机拍摄的图像，通过张正友标定法对两个工业相机进行标定得到相机模型；

读取图像提取光斑特征计算激光交线特征点坐标得到激光平面模型参数方程，进一步求解得到单激光条纹传感器模型；

对单激光条纹传感器模型进行标定，采集图像通过边缘检测、轮廓提取及直线方程拟合得到反投影激光反射平面，进一步求解激光条纹交线方程得到悬臂柔性梁位移信息。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型利用双目视觉检测柔性结构的振动模态，具有非接触、测量范围宽等优点，相比于传统的接触式测量方式，不会增加柔性结构的附加质量或者改变其结构特性，提高了测量精度；另外振动图像中包含的信息丰富，并且具有全局优势，采用不同的图像处理方法，可以获得远超其他传感器的振动信息；

(2)本实用新型使用线激光器发射的一字线激光作为主动光源，利用了激光的能量密度集中、亮度高、单色性好、方向性好和抗干扰能力强等优点，使得光源亮度大且成像笔直，易于后期进行图像处理，具有自然光无法比拟的优越性，并且在太阳光照射不到的地方(例如背光面)也能够正常工作，从而可以极大提高视觉振动检测系统的工作稳定性。

(3)本实用新型采用三种不同的传感器相结合的方式检测柔性悬臂梁的振动模态，通过多传感器信息融合进行辨识研究，提高检测的准确性；采用电机宏观控制和压电陶瓷驱动器微观控制相结合的控制方式对悬臂梁进行抑振，提高控制精度和效率。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是图1中激光双目视觉振动的示意图；

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图2所示，一种基于激光双目视觉的双柔性悬臂梁振动测控装置，包括柔性悬臂梁本体部分、检测部分及驱动控制部分；

所述柔性悬臂梁本体部分包括两块串联配置的柔性悬臂梁，具体为第一柔性悬臂梁及第二柔性悬臂梁，其中第一柔性悬臂梁5一端由夹板固定在第一行星减速器4的输出轴连接件上，该端称为固定端，通过第一伺服电机3进行驱动控制构成双柔性悬臂梁的大臂，另一端称为自由端，用于连接下一级驱动。

第二伺服电机6及第二行星减速器7固定在第一柔性悬臂梁5的自由端，第二柔性悬臂梁10一端由夹板固定在第二行星减速器的输出轴连接件上，通过第二伺服电机进行驱动控制，另一端悬空为自由端，构成双柔性悬臂梁的小臂，整个柔性悬臂梁本体部分由立柱2支撑，安放在由铝合金型材搭建的台座1上，本实施例为第一伺服电机及第一行星减速器通过支架固定在立柱上，置于台座表面。

第一伺服电机选用安川电机有限公司生产的Σ-V系列型号为SGMJV-04ADE6S的旋转型伺服电机，电源电压AC200V，20位增量型编码，额定输出400W；第一行星减速器选用NEUGART公司生产的型号为PLFN090的高精度行星减速机，传动比为100，额定输出扭矩为60～150N*m。第二伺服电机选用安川电机有限公司生产的Σ-V系列型号为SGMJV-02ADE6S的旋转型伺服电机，电源电压AC200V，20位增量型编码，额定输出200W；第二行星减速器选用NEUGART公司生产的型号为PLFN064的高精度行星减速机，传动比为64，额定输出扭矩为27～77N*m。

台座高度约为480mm，主要使用铝合金型材搭建，横截面尺寸为40mm×40mm；底下4个调节脚可以调节支脚高度，从而保证平台的水平度，并且使载荷均匀。

所述检测部分包括接触式检测单元及非接触式检测单元；

接触式检测单元包括利用压电效用应用于检测振动的压电陶瓷传感器9，两块柔性悬臂梁设置压电陶瓷传感器及加速度计位置及数量均相同，本实施例中第一柔性悬臂梁的几何尺寸为480mm×100mm×4mm，设置在柔性悬臂梁宽度方向的中线处，距离柔性梁固定端200m处，前后两面姿态角为0°，对称粘贴，几何尺寸为40mm×10mm×1mm；

还包括加速度计11，每根柔性梁设置一个，具体设置在柔性悬臂梁自由端的宽度方向中线处。

压电陶瓷传感器9和压电陶瓷驱动器8为压电陶瓷材料制成，压电陶瓷材料的弹性模量为E_p＝63Gpa，d31＝-166pm/V。加速度计11选用Kistler公司生产的型号为8793A500的测量型加速度计。

两者检测到的振动信号经由电荷放大器18放大，通过Galil运动控制卡19内部的A/D转换模块将模拟标准电信号转换成数字信号输入到计算机20中；

所述非接触式检测单元，主要是利用工业相机结合线激光器打光的双目视觉检测方式，具体包括相机架15、滑轨14、工业相机13和线激光器12等。所述工业相机具体为两台，线激光器位于两台工业相机的中间位置，通过云台放在滑轨14上，整体置于用铝合金型材搭建的相机架上，第二柔性悬臂梁定位后的振动范围位于两个工业相机的视场内，线激光器12发射一字线激光作为光源，相机拍摄到的图像通过Gige网线接口直接传输到计算机20中，经由相应算法处理得到打光处的悬臂梁的弯曲振动；

通过滑轨上滑块位置的变动以及云台姿态的微调，可以调整线激光器12和两个相机之间的位置和相对关系，以便达到需要的拍摄效果。线激光器12选用长春新产业光电技术有限公司生产的一字线激光器，输出激光波长为650nm，出光张角为90°，管芯功率20mW，6m范围内光斑线宽小于1.0mm。工业相机13选用德国Basler公司生产的型号为acA1600-60gc的GIGE相机，采用CMOS感光芯片，每秒最高60帧图像，1600×1200像素的分辨率；选用理光公司的镜头，其型号为FL-HC0614-2M，焦距为6mm，大小为Φ32mm×35.7mm。滑轨14选用MISUMI公司生产的型号为SENA33H-400-V10-W70的滑轨，长度为400mm。

所述驱动控制部分，包括利用逆压电效应用于抑制振动的压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器由八片压电陶瓷片构成，每根柔性悬臂梁粘贴四片，每面两片，对称粘贴，关于每根柔性悬臂梁宽度方向的中线对称，几何尺寸为50mm×15mm×1mm。抑振信号由计算机20中相应算法处理振动信息得到，经由Galil运动控制卡19的D/A输出模块输出，经过压电放大电路17放大，输出到压电陶瓷驱动器8中产生驱动位移，从而抑制悬臂板的小幅值弯曲振动。

第一伺服电机经由第一行星减速器4减速后，驱动第一柔性悬臂梁5固定端转动，带动大臂旋转；同样的，第二伺服电机6经由第二行星减速器7减速后，驱动第一柔性悬臂梁10固定端转动，带动小臂旋转；电机驱动控制信号由计算机20运行主动振动控制算法处理振动信息得到，经由Galil运动控制卡19的一个通道输入电机伺服单元16，电机伺服单元16根据相应控制模式控制电机的运转，从而抑制悬臂梁的大幅值弯曲振动。

控制部分将压电陶瓷传感器9、加速度计11和工业相机13等三种传感器用于振动检测，通过检测信号之间的对比和优化，以提高检测的精度和准确性；伺服电机和压电陶瓷驱动器8分别在宏观和微观上对悬臂梁的振动进行控制，加快抑振的速度和精度，提高抑振效率。

一种基于激光双目视觉的双柔性悬臂梁振动测控装置，包括如下步骤：

第一步用激振小锤击打柔性悬臂梁，激发梁的小范围振动；

第二步利用压电陶瓷传感器和加速度计检测柔性悬臂梁的弯曲模态振动，得到相应的电信号输出，然后经由电荷放大器放大，通过Galil运动控制卡的A/D模块数模转换后输入到计算机中储存，得到振动信息；

第三步利用线激光器将激光打在第二柔性悬臂梁上合适的位置，用工业相机采集振动图像，获得含有振动信息的图像序列，传输到计算机中，通过确定图像ROI特征图样识别，三维坐标重建得到第二柔性悬臂梁的振动信息；

第四步计算机通过第二步及第三步的振动信息得到控制信号，经由Galil运动控制卡的D/A模块分别输出到电机伺服单元和压电放大电路中，驱动第一及第二伺服电机和压电陶瓷驱动器采取相应动作，抑制悬臂梁的弯曲振动。

如图1所示，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。

电机伺服单元16选用安川电机有限公司生产的Σ-V系列型号为SGDV-2R8F01A000000的伺服单元，单相AC100V输入，最大适用电机容量0.4kW；压电放大电路17选用华南理工大学研制的型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX的压电放大器，放大倍数可达到52倍，即将-5V～+5V放大到-260～+260V；电荷放大器18选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器，输入电压范围是-10VP～10VP，输出标准电压±10VP，具有频带宽、输入阻抗高等特点；运动控制卡选用美国GALIL公司生产的DMC-18x6数字运动控制器，提供标准的PCI总线接口，内部集成了A/D和D/A模块；计算机20选用的CPU型号为core i7 6650U，主频为2.2GHz，内存4G，主板中有PCI-e插槽，可以安装运动控制卡。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型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实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于激光双目视觉的双柔性悬臂梁振动测控装置，其特征在于，包括柔性悬臂梁本体部分、检测部分及驱动控制部分；

所述柔性悬臂梁本体部分包括台座、第一柔性悬臂梁、第二柔性悬臂梁、第一行星减速器、第一伺服电机、第二伺服电机及第二行星减速器；

所述第一柔性悬臂梁与第二柔性悬臂梁串联，第一柔性悬臂梁的一端通过夹板固定在第一行星减速器的输出轴称为固定端，另一端为自由端，第一伺服电机与第一行星减速器连接，所述第二伺服电机及第二行星减速器固定在第一柔性悬臂梁的自由端，所述第二行星减速器的输出轴与第二柔性悬臂梁的一端连接称为固定端，其另一端为自由端，所述第一伺服电机及第一行星减速器由立柱支撑安放在台座上；

所述检测部分包括接触式检测单元及非接触式检测单元；

所述接触式检测单元，包括压电陶瓷传感器及加速度计，所述压电陶瓷传感器设置在柔性悬臂梁宽度方向的中线处，加速度计安装在柔性悬臂梁的自由端中间位置；

所述压电陶瓷传感器及加速度计检测的柔性悬臂梁的振动信号经由电荷放大器放大后，通过Galil运动控制卡将模拟标准电信号转换成数字信号输入到计算机中；

所述非接触式检测单元，包括工业相机、线激光器、滑轨及相机架，工业相机具体为两台，第二柔性悬臂梁定位后的振动范围位于两个工业相机的视场内，工业相机通过云台设置在滑轨上，线激光器设置在两台工业相机的中间位置，且通过滑块置于滑轨上，所述滑轨置于相机架上，所述工业相机拍摄的图像传输到计算机中；

所述驱动控制部分，包括压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器安装在柔性悬臂梁靠近固定端位置，计算机得到驱动控制信号经过Galil运动控制卡分别输出到电机伺服单元及压电放大电路，电机伺服单元分别驱动第一伺服电机及第二伺服电机，进一步驱动第一及第二柔性悬臂梁固定端的转动；

压电放大电路将驱动控制信号放大后输出到压电陶瓷驱动器中，抑制柔性悬臂梁的弯曲振动。

2.根据权利要求1所述的双柔性悬臂梁振动测控装置，其特征在于，所述压电陶瓷驱动器由8片压电陶瓷片构成，每根柔性悬臂梁粘贴4片，每面2片，对称粘贴，关于每根柔性悬臂梁宽度方向的中线粘贴。

3.根据权利要求1所述的双柔性悬臂梁振动测控装置，其特征在于，所述压电陶瓷传感器由四片压电陶瓷片构成，每根柔性悬臂梁粘贴两片。

4.根据权利要求1所述的双柔性悬臂梁振动测控装置，其特征在于，所述相机架底部设置四个调节脚。