CN210603573U - 一种柔性板旋转运动振动检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种柔性板旋转运动振动检测装置，包括柔性板本体部分、电机传动部分、检测部分及驱动控制部分；柔性板本体由两块经切除的柔性板构成，并且处于垂直悬挂，上面粘贴有压电传感器及加速度传感器，还布置有多个固定的标志点以供检测；传动部分包括伺服电机、伺服电机驱动器、行星减速器等；振动检测部分包括两个CCD相机、镜头、激光器等；控制部分包括压电陶瓷片、计算机等。利用双目视觉的视差原理与结构光原理，解出铰接板上固定标志点和激光点的三维坐标，可以得到一定范围的振动信息，并实现可视化。通过计算机产生控制量，对柔性板进行控制。该装置可以用来对比固定标志点与激光点的测量。

Description

一种柔性板旋转运动振动检测装置

技术领域

本实用新型涉及旋转板振动控制领域，具体涉及一种柔性板旋转运动振动检测装置。

背景技术

航天器中大量使用了大型柔性结构，以及超轻、超薄的材料。轻型结构可以增加有效载荷的重力，提高运载工具的效率；大型结构可以增加空间的功能和航天器设计、制造的灵活性。

不过轻型柔性结构同时也存在一些不足。在系统调整姿态、变换速度时、以及外部扰动的影响等不可避免地带来柔性结构的振动问题。例如航天器在变轨控制时，由于发动机驱动引起航天器运动速度变化，因为惯性因素而引起航天器的挠性附件振动。振动将会影响航天器的稳定性，或者导致设备疲劳损坏。因此大型柔性结构振动的测量与主动控制是十分必要的课题。

现有技术中，研究模拟太空帆板等挠性结构的振动控制，主要采用压电片、加速度传感器等进行振动主动控制研究。在大型柔性结构振动测量及主动控制的研究中，利用双目视觉非接触测量有其独特的优势，且还能快速获取测量数据。双目视觉在不接触被测物体表面的情况下，不改变振动物体的频率、振幅等特性。双目视觉可以计算出空间点的三维坐标，可以获取物体多点的结构振动的参数信息，而不仅仅局限于一点的振动信息等优点。结构光视觉大量程、大视场、较高精度、图像信息易于提取、实时性强及主动受控。结构光视觉系统也是非接触式测量，用光学投射器代替了一个相机，成本更低。

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模拟卫星变轨时的柔性板旋转运动振动检测装置，实现柔性板多点非接触，实时准确测量。

本实用新型采用如下技术方案：

一种柔性板旋转运动振动检测装置，包括柔性板本体部分、电机传动部分、检测部分及驱动控制部分；

所述柔性板本体部分包括柔性铰接板，所述柔性铰接板由两个结构相同的柔性板通过铰链连接构成，两个柔性板分别为第一柔性板及第二柔性板，所述两个柔性板的中间均设置切除结构，所述柔性铰接板一端与机械夹紧装置固定连接处于垂挂状态，所述柔性铰接板与机械夹紧装置连接的一端称为固定端，另一端为自由端；

所述电机传动部分包括伺服电机、行星减速器、联轴器及转轴，所述伺服电机与行星减速器连接，行星减速器与转轴通过联轴器连接，柔性铰接板与转轴连接，通过控制伺服电机的转动控制柔性板本体的转动；

所述检测部分检测柔性铰接板的振动信号；

所述驱动控制部分对柔性铰接板的振动进行抑制。

所述检测部分包括压电传感器、加速度传感器、电荷放大器、端子板、运动控制卡、计算机、标志点、CCD相机及激光器，所述端子板与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡与计算机相互连接；

所述压电传感器及加速度传感器设置柔性铰接板上，检测柔性铰接板的振动信号，经电荷放大器放大，通过端子板，输入运动控制卡，最后输入计算机；

所述标志点及CCD相机构成双目视觉检测单元，标志点位于柔性铰接板上，CCD相机具体为两个，安装在柔性铰接板的正前方，标志点在其视野范围内，CCD相机拍摄标志点的图像，输入至计算机；

所述激光器设置在柔性铰接板的前方，发射激光点在柔性铰接板上，CCD相机拍摄包含激光点的图像，输入计算机。

所述驱动控制部分包括压电陶瓷驱动器及伺服电机驱动器；

所述压电陶瓷驱动器设置在柔性铰接板上，所述计算机根据振动信息得到控制量，经过运动控制卡及端子板，分别输入伺服电机驱动器及压电放大电路，进一步驱动伺服电机及压电陶瓷驱动器，抑制柔性铰接板的振动。

所述切除结构具体为：每个柔性板的中心处有380mm×380mm的正方形切除，但对角线及距离外圈80mm的正方形圈保留，保留的线宽度为40mm，切除结构为对称结构。

所述压电传感器为两个，在第一柔性板正反两面对称安装，靠近固定端，且位于第一柔性板竖直方向中线上，姿态为90°。

所述压电陶瓷驱动器由12片压电陶瓷片构成，分为两组，分别位于第一柔性板的正面及反面，每组六片，其中四片靠近固定端，关于柔性铰接板竖直中线对称，另外两片位于第一柔性板的两侧，其关于柔性铰接板竖直中线对称。

所述加速度传感器为三个，其中一个位于第二柔性板的竖直中线上，另外两个加速度传感器关于柔性板竖直中线对称。

所述标志点位于第二柔性板，具体为5×5的点阵。

所述激光器为两个，两个激光器通过激光器支架安装在第二实验台上。

本实用新型还包括显示器。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型将柔性板处于竖直垂挂状态，相比于其他研究装置，能更好地减少重力对挠性结构扭转的影响；

(2)本实用新型采用了双目视觉检测与结构光检测，相比于其它传感器，具有非接触测量，不增加结构附加质量，不改变结构特征，多点测量等优点；视觉测量得到的是包含振动信息的图像，能够反映全局特性；

(3)本实用新型能够对比使用固定标志点检测振动与使用激光点检测振动的误差，能反映使用激光点进行检测的特点；

(4)本实用新型中采用了多传感器系统，既有两种视觉结构系统检测，又有分布式压电传感器，还有加速度传感器，可以通过多传感器信息融合进行摆转柔性板结构的振动研究。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的柔性板正面结构示意图；

图3是本实用新型的前视图；

图4是第一实验台的俯视图；

图5是第二实验台的俯视图；

图6是本实用新型的标志点与激光点的位置示意图。

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5所示，一种柔性板旋转运动振动检测装置，包括柔性板本体部分、电机传动部分、检测部分及驱动控制部分；

所述柔性板本体部分包括两个尺寸结构均相同的柔性板7，两个柔性板的中间位置设置对称的切除结构，剩余部分形成框架结构，两个柔性板通过铰链连接构成柔性铰接板，所述柔性铰接板的一端通过机械夹紧装置4固定连接，并处于垂挂状态，称为固定端，另一端为自由端，两个柔性板具体为第一柔性板及第二柔性板，第一柔性板与机械夹紧装置连接。

本实施例的切除结构为柔性板在距离固定端270mm及750mm的中心处有380mm×380mm的正方形切除但对角线及距离外圈80mm的正方形圈保留，保留的线宽度为40mm。

所述电机传动部分包括伺服电机1、行星减速器2、联轴器3、转轴5、轴承座6等零部件，伺服电机通过行星减速器进行传动，伺服电机与行星减速器固定安装在第一实验台20上；行星减速器与转轴通过联轴器连接，转轴安装在轴承座上，轴承座规定安装在第一实验太上，柔性铰接板固定连接在转轴上，通过控制伺服电机的转动就能控制柔性板的转动。

所述检测部分：压电传感器19、加速度传感器16、电荷放大器23、端子板24、运动控制卡25、计算机26、标志点17、CCD相机及激光器，所述端子板与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡与计算机相互连接；

所述压电传感器安装在靠近固定端的柔性铰接板上，所述压电传感器的个数为2，在柔性板上正反面对称安装，且处于柔性板水平方向上的中部，为并联连接，中心距离固定端边缘45mm，姿态为90°。

所述加速度传感器的数量为三个，位于柔性铰接板的自由端，具体安装在第二柔性板上，所述三个加速度传感器呈一字型排列，其中两个加速度传感器关于柔性铰接板的竖直中线对称，一个位于柔性铰接板的竖直中线上，三个加速度传感器距离自由端为50mm，两侧传感器距离柔性板的两端为50mm。

所述标志点位于第二柔性板，所述标志点为5×5的点阵，每两个标志点相距110mm，即点阵为440mm×440mm。点阵中心距离固定边750mm的中心处。

如图6所示，所述标志点与CCD相机构成双目视觉检测单元，所述CCD相机13有两个，配备有镜头14，标志点在镜头的视野范围内，距离柔性板为700-800mm，CCD相机安装在导轨10上的相机支架11，两个CCD相机水平距离200mm，要求测量时，标志点在相机的视野范围内。

所述激光器8的数量为两个，正对着下方的柔性板，安装于第二实验台12上的激光器支架9，两个激光器位于两个CCD相机的两侧，激光器发射激光点到柔性板上，且激光点在CCD相机的视野范围内，两个激光器相距440mm。

所述端子板与伺服电机驱动器相互连接，所述运动控制卡与端子板相互连接，所述运动控制卡与计算机相互连接。

所述伺服电机自带的编码器可以将电机的转动信息反馈给伺服电机驱动器21，通过端子板24，输入至运动控制卡25的A/D模块转换，最后将转动信息传输至计算机26；

压电传感器和加速度传感器16由自身特性将振动信号转换成相应的电信号，经电荷放大器23放大，通过端子板24，输入至运动控制卡25的A/D模块转换，最后传输至计算机26；

所述CCD相机采集标志点及激光点的图像，通过USB接口将图像的信息传输至计算机，提取图像上的标志点及激光点的振动信息，从而反映振动情况。

本实用新型还包括面向柔性板的LED灯15，提供测量时候所需要的照明。

计算机采集的振动信息，通过计算机利用OpenGL三维图形处理与渲染技术，从而在显示器27上动态可视化显示.

所述驱动控制部分包括压电陶瓷驱动器18，所述压电陶瓷片一共有12片，分为两组，分别位于第一柔性板的正面及反面，每组六片，其中四片靠近固定端，关于柔性铰接板竖直中线对称，另外两片位于第一柔性板的两侧，其关于柔性铰接板竖直中线对称。靠近固定端的压电陶瓷片距离固定端边缘45mm，姿态为90°，左侧两个压电陶瓷驱动器(距离100mm，外侧的压电陶瓷驱动器中心距离柔性板外边缘为42.5mm，分布在左右两侧的中心距离外侧为40mm，距离固定边290mm，姿态为90°。

计算机对伺服电机1的控制通过：计算机26通过采集到的信息，经一定算法对其生成相应的控制信号，输入至运动控制卡25由D/A模块转换，经过端子板24，并输入到伺服电机驱动器21，采用位置控制方式或者速度控制方式，进而对伺服电机1产生相应的控制；

计算机对压电陶瓷驱动器18的控制通过：计算机26通过采集到的信号，经一定算法对其生成相应的控制信号，输入至运动控制卡25，由D/A模块转换，经端子板24传输，经过压电放大电路22放大，输出到压电陶瓷驱动器18，进而可以抑制柔性板的振动。

本实用的工作过程：

第一步：对双目视觉系统进行标定，即对2个CCD相机进行相机参数确定。包括建立坐标系、对每个相机的标定、完成左右像平面对应点的匹配。以此获得相机内部参数和外部参数。使用已标定的CCD相机，根据视差原理，可以将目标点的三维坐标求解出来；

第二步：对结构光系统进行标定。由于相机使用第一步已标定的相机，故只需对激光器进行标定。通过已标定好的双目视觉系统，对激光点的不同位置进行求解，然后反解出激光的直线方程；

第三步：对转轴的轴线位置进行确定。在柔性板本体上贴上黑白方格纸，使用第一步已标定的双目视觉系统求同一时刻不共线的多点位置，可以确定一个平面；摆动柔性板本体，不产生振动，可以确定多个平面，由多个平面交线，可拟合出转轴的直线方程；

第四步：将左右CCD相机对柔性板振动测量获得的图像通过USB接口传输至计算机；

第五步：以柔性板自然下垂为初始位置，根据伺服电机驱动器反馈的转动信息，可以求解得无振动理想状态下标志点与激光点的三维坐标。

第六步：通过双目视觉测量系统与结构光系统测量可以知道实际状态下标志点和激光点的三维坐标；

第七步：根据第五步与第六步求出的三维坐标，可以分别求出摆动时标志点与激光点的振动信息。

图1中的虚线指示了各个设备之间的连接关系，箭头表明了测量和控制信号流的传递方向。

柔性板7的材料可选环氧树脂材料薄板，其几何尺寸分别为1100mm×500mm×2mm，环氧树脂的弹性模量为E_p＝34.64GPa，密度为ρ＝1840kg/m³。

第一实验台20由三种长度分别为1350mm、600mm、300mm的铝型材组装而成，台面为一块720mm×420mm×6mm的不锈钢板，中间有200mm×200mm的开口，通过螺钉与型材连接，型材的每个连接处都有角铁固定。

第二实验台12由三种长度分别为530mm、280mm、300mm的铝型材组装而成，台面为一块650mm×400mm×6mm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。

伺服电机采用安川SGM7A-01A_A6C，其转轴直径8mm，功率为100W，额定电压为AC200V；伺服电机驱动器21选用安川伺服电机驱动器，型号为SGM7S-R90A。行星减速器2为德国纽卡特减速器WPLE40，减速比为100。联轴器3选用日本三木联轴器SFC-050SA2。轴承座6选用KP001。

压电传感器19由压电陶瓷材料构成，几何尺寸为50mm×15mm×1mm；压电陶瓷材料的弹性模量为E_pe＝63GPa，d₃₁＝-166pm/V。加速度传感器16选用Kistler公司的型号为8044A的电荷输出压电式传感器，其标称灵敏度为-0.3pC/g，测量频率范围为1-8000Hz。电荷放大器23选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器。

双目视觉单元由2个CCD相机13、2个镜头14组成。选用映美精公司的CCD相机，其型号为DMK 23U445，采集的图像大小为1280*960像素，帧率为30帧/秒。镜头14选用映美公司的镜头，其型号为TCL 0616 5MP，焦距为6mm，大小为Φ36mm×45.8mm。左右两个激光器选用KYD650N5-TS1236。光源型号为MIC-210/40，灯光颜色为白色。

运动控制卡25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26的CPU型号为Pentium G620 2.6GHz；内存4G，显存2G，主板中有PCI插槽，可以安装运动控制卡。显示器27选用华硕VA249HE。

压电陶瓷驱动器由与压电传感器材料相同的材料构成，几何尺寸为50mm×15mm×1mm。压电放大电路可选用型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX的压电放大器等零件组成，其研制单位为华南理工大学，在申请人申请的名称为“太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置与方法”，申请号为200810027186.4的专利中有详细介绍。放大倍数可达到52倍，即将-5V～+5V放大到-260～+260V。

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 (10)

1.一种柔性板旋转运动振动检测装置，其特征在于，包括柔性板本体部分、电机传动部分、检测部分及驱动控制部分；

所述柔性板本体部分包括柔性铰接板，所述柔性铰接板由两个结构相同的柔性板通过铰链连接构成，两个柔性板分别为第一柔性板及第二柔性板，所述两个柔性板的中间均设置切除结构，所述柔性铰接板一端与机械夹紧装置固定连接处于垂挂状态，所述柔性铰接板与机械夹紧装置连接的一端称为固定端，另一端为自由端；

所述电机传动部分包括伺服电机、行星减速器、联轴器及转轴，所述伺服电机与行星减速器连接，行星减速器与转轴通过联轴器连接，柔性铰接板与转轴连接，通过控制伺服电机的转动控制柔性板本体的转动；

所述检测部分检测柔性铰接板的振动信号；

所述驱动控制部分对柔性铰接板的振动进行抑制。

2.根据权利要求1所述的一种柔性板旋转运动振动检测装置，其特征在于，所述检测部分包括压电传感器、加速度传感器、电荷放大器、端子板、运动控制卡、计算机、标志点、CCD相机及激光器，所述端子板与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡与计算机相互连接；

所述压电传感器及加速度传感器设置柔性铰接板上，检测柔性铰接板的振动信号，经电荷放大器放大，通过端子板，输入运动控制卡，最后输入计算机；

所述标志点及CCD相机构成双目视觉检测单元，标志点位于柔性铰接板上，CCD相机具体为两个，安装在柔性铰接板的正前方，标志点在其视野范围内，CCD相机拍摄标志点的图像，输入至计算机；

所述激光器设置在柔性铰接板的前方，发射激光点在柔性铰接板上，CCD相机拍摄包含激光点的图像，输入计算机。

3.根据权利要求2所述的一种柔性板旋转运动振动检测装置，其特征在于，所述驱动控制部分包括压电陶瓷驱动器及伺服电机驱动器；

所述压电陶瓷驱动器设置在柔性铰接板上，所述计算机根据振动信息得到控制量，经过运动控制卡及端子板，分别输入伺服电机驱动器及压电放大电路，进一步驱动伺服电机及压电陶瓷驱动器，抑制柔性铰接板的振动。

4.根据权利要求1所述的一种柔性板旋转运动振动检测装置，其特征在于，所述切除结构具体为：每个柔性板的中心处有380mm×380mm的正方形切除，但对角线及距离外圈80mm的正方形圈保留，保留的线宽度为40mm，切除结构为对称结构。

5.根据权利要求2所述的一种柔性板旋转运动振动检测装置，其特征在于，所述压电传感器为两个，在第一柔性板正反两面对称安装，靠近固定端，且位于第一柔性板竖直方向中线上，姿态为90°。

6.根据权利要求3所述的一种柔性板旋转运动振动检测装置，其特征在于，所述压电陶瓷驱动器由12片压电陶瓷片构成，分为两组，分别位于第一柔性板的正面及反面，每组六片，其中四片靠近固定端，关于柔性铰接板竖直中线对称，另外两片位于第一柔性板的两侧，其关于柔性铰接板竖直中线对称。

7.根据权利要求2所述的一种柔性板旋转运动振动检测装置，其特征在于，所述加速度传感器为三个，其中一个位于第二柔性板的竖直中线上，另外两个加速度传感器关于柔性板竖直中线对称。

8.根据权利要求2所述的一种柔性板旋转运动振动检测装置，其特征在于，所述标志点位于第二柔性板，具体为5×5的点阵。

9.根据权利要求2所述的一种柔性板旋转运动振动检测装置，其特征在于，所述激光器为两个，两个激光器通过激光器支架安装在第二实验台上。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种柔性板旋转运动振动检测装置，其特征在于，还包括显示器。

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