CN215067859U - 一种多自由度振动控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多自由度振动控制系统，包括控制组件、驱动组件以及动力组件，控制组件通过驱动组件与动力组件连接；多个振动组件，振动组件包括滚珠丝杠、导轨以及滑台，滚珠丝杠设置在导轨上，滑台与导轨进行滑动连接，滚珠丝杠与滑台进行传动连接，动力组件还与滚珠丝杠连接，动力组件用于通过滚珠丝杠驱动滑台沿导轨滑动；其中，多个振动组件包括第一振动组件和第二振动组件，第一振动组件的导轨与第二振动组件的滑台固定连接，第一振动组件的滑台上设有振动台，振动台用于安装振动试件。本实用新型结构简单、成本低廉，在降低实验成本的同时，提高了低频振动的控制精度和测量精度，可实现多自由度振动，可广泛应用于振动测试技术领域。

Description

一种多自由度振动控制系统

技术领域

本实用新型涉及振动测试技术领域，尤其是一种多自由度振动控制系统。

背景技术

振动试验台是一种利用电动、液压、压电等原理获得机械振动，从而在实验室内模拟真实振动环境，用以进行振动试验的实验设备。按照获得能量的形式不同，振动台分为电动振动台、电液压振动台和机械振动台。电动振动台主要用于10Hz以上的振动测量，最大可激发200N的压力。在20Hz以下的频率范围，常使用电液压式振动台。电液压式振动台的工作方式是用小的电动振动台驱动可控制的伺服阀，通过油压使传动装置产生振动。这种振动台能在很低的频率下可得到很大的激振力。电液压振动台的局限性在于上限工作频率低，波形失真较大。机械振动台不能结合计算机进行自动编程，控制不方便；而且结构复杂，一旦制造以后就难以根据具体要求进行更改；因此在实际应用中受到很大的限制，很少使用。

振动试验台可以用于加速度传感器的校准，也可用于电声器件的振动性能测试和建筑结构的模态测试。在实际应用时，当所需模拟的振动频率不高时，现有振动台不能很好地模拟低频振动环境，并且，多数常见的电动振动台只能实现单自由度的振动测试。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型的目的在于：提供一种结构简单、成本低廉、测量准确的多自由度振动控制系统。

本实用新型所采取的技术方案是：

一种多自由度振动控制系统，包括：

控制组件、驱动组件以及动力组件，所述控制组件通过所述驱动组件与所述动力组件连接；

多个振动组件，所述振动组件包括滚珠丝杠、导轨以及滑台，所述滚珠丝杠设置在所述导轨上，所述滑台与所述导轨进行滑动连接，所述滚珠丝杠与所述滑台进行传动连接，所述动力组件还与所述滚珠丝杠连接，所述动力组件用于通过所述滚珠丝杠驱动所述滑台沿所述导轨滑动；

其中，所述多个振动组件包括第一振动组件和第二振动组件，所述第一振动组件的导轨与所述第二振动组件的滑台固定连接，所述第一振动组件的滑台上设有振动台，所述振动台用于安装振动试件。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，所述多个振动组件还包括第三振动组件，所述第二振动组件的导轨与所述第三振动组件的滑台固定连接。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，所述动力组件包括多个伺服电机，所述伺服电机设置在所述导轨的一端，所述伺服电机包括相配合设置的电机转子与电机定子，所述电机转子与所述滚珠丝杠传动连接，所述电机定子与所述导轨固定连接，所述多个伺服电机均通过所述驱动组件与所述控制组件连接。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，所述振动组件还包括联轴器，所述电机转子通过所述联轴器与所述滚珠丝杠传动连接。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，所述驱动组件包括多个伺服驱动器，所述多个伺服驱动器均与所述控制组件连接，所述伺服驱动器用于驱动所述伺服电机的转子转动。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，所述伺服驱动器为ASDA-B2伺服驱动器。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，所述导轨的两端各设有一个支座，所述滚珠丝杠设置在两个支座间。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，所述多自由度振动控制系统还包括信号输出模块和信号输入模块，所述控制组件通过信号输出模块与所述驱动组件连接，所述信号输入模块用于采集所述振动试件的振动信号，所述信号输入模块与所述控制组件连接。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，所述信号输出模块为NI9263信号输出板卡，所述信号输入模块为NI9234信号采集板卡。

进一步地，在本实用新型的一个实施例中，所述控制组件为通过LabVIEW程序开发环境编写的控制系统。

本实用新型的有益效果是：多自由度振动控制系统包括控制组件、驱动组件、动力组件以及多个振动组件，振动组件包括滚珠丝杠、导轨以及滑台，多个振动组件包括第一振动组件和第二振动组件，第一振动组件的导轨与第二振动组件的滑台固定连接，第一振动组件的滑台上设有振动台，使用时将振动试件安装在振动台上，通过控制组件下发控制信号至驱动组件，由驱动组件驱动动力组件带动滚珠丝杠进行旋转，进而使得滑台沿导轨做往复运动，由于第一振动组件和第二振动组件的嵌套设置，第二振动组件的滑台可以带动第一振动组件的导轨在一个方向上振动，同时第一振动组件的滑台可以带动振动试件在另一方向上振动，通过至少两个方向上振动的叠加即可实现振动试件的多自由度振动。本实用新型结构简单、成本低廉，在降低实验成本的同时，提高了低频振动的控制精度以及测量精度，可实现多自由度振动，可用于对低频传感器的精确校核以及相关的低频或超低频振动实验。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型实施例提供的一种多自由度振动控制系统的结构框图；

图2为本实用新型实施例提供的第一振动组件的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的第一振动组件与第二振动组件的连接示意图；

图4为本实用新型实施例提供的两个振动组件之间的安装示意图；

图5为本实用新型实施例提供的伺服电机与振动组件的连接示意图。

附图标记：

10、伺服电机；11、第一振动组件；12、第二振动组件；21、滚珠丝杠；22、导轨；23、滑台；24、振动台；25、支座；26、联轴器。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

参照图1至4，本实用新型实施例提供了一种多自由度振动控制系统，包括：

控制组件、驱动组件以及动力组件，控制组件通过驱动组件与动力组件连接；

多个振动组件，振动组件包括滚珠丝杠21、导轨22以及滑台23，滚珠丝杠21设置在导轨22上，滑台23与导轨22进行滑动连接，滚珠丝杠21与滑台23进行传动连接，动力组件还与滚珠丝杠21连接，动力组件用于通过滚珠丝杠21驱动滑台23沿导轨22滑动；

其中，多个振动组件包括第一振动组件11和第一振动组件12，第一振动组件11的导轨22与第一振动组件12的滑台23固定连接，第一振动组件11的滑台23上设有振动台24，振动台24用于安装振动试件。

如图1所示为本实用新型实施例提供的一种多自由度振动控制系统的结构框图，可以理解的是，控制组件、驱动组件以及动力组件之间为信号连接，动力组件与振动组件、振动组件与试验试件以及振动组件内部均为机械传动连接。

如图2所示为本实用新型实施例提供的第一振动组件的结构示意图，可以理解的是，第二振动组件与第一振动组件的结构类似，区别仅为第二振动组件的滑台上未设置振动台。

如图3所示为本实用新型实施例提供的第一振动组件与第二振动组件的连接示意图，可以理解的是，第一振动组件11的导轨22固定在第一振动组件12的滑台23上，垂直布置，可通过第一振动组件12的滑台23的移动来控制第一振动组件11的导轨22的位置；振动台24固定在第一振动组件11的滑台23上，可通过控制第一振动组件11的滑台23的移动来使振动台24台面产生振动。本实用新型实施例同时控制第一振动组件11与第一振动组件12的滑台23做往复运动，即实现了多自由度振动。

应该认识到，本实用新型实施例的多个振动组件依次嵌套设置，图1和3中均仅示出了两个振动组件的情况，在其他实施例中，可具有三个或者更多的振动组件，通过前一个振动组件的导轨22与后一个振动组件的滑台23固定连接依次嵌套安装，最前端的振动组件(即第一振动组件11)的滑台23上设置振动台24。

如图4所示为本实用新型实施例提供的两个振动组件之间的安装示意图，可在滑台23的上表面设置插孔，在导轨22的下表面设置插头，可以通过插头和插孔之间的配合实现两个振动组件之间的嵌套安装。

本实用新型实施例在使用时将振动试件安装在振动台24上，通过控制组件下发控制信号至驱动组件，由驱动组件驱动动力组件带动滚珠丝杠21进行旋转，进而使得滑台23沿导轨22做往复运动，由于第一振动组件11和第一振动组件12的嵌套设置，第一振动组件12的滑台23可以带动第一振动组件11的导轨22在一个方向上振动，同时第一振动组件11的滑台23可以带动振动试件在另一方向上振动，通过至少两个方向上振动的叠加即可实现振动试件的多自由度振动。本实用新型实施例结构简单、成本低廉，在降低实验成本的同时，提高了低频振动的控制精度以及测量精度，可实现多自由度振动，可用于对低频传感器的精确校核以及相关的低频或超低频振动实验。

进一步作为可选的实施方式，多个振动组件还包括第三振动组件，第一振动组件12的导轨22与第三振动组件的滑台23固定连接。

具体地，第三振动组件可与第一振动组件12和第一振动组件11均垂直，分别沿空间直角坐标系的XYZ轴布置，从而可以实现三自由度的振动控制。

参照图1和5，进一步作为可选的实施方式，动力组件包括多个伺服电机10，伺服电机10设置在导轨22的一端，伺服电机10包括相配合设置的电机转子与电机定子，电机转子与滚珠丝杠21传动连接，电机定子与导轨22固定连接，多个伺服电机10均通过驱动组件与控制组件连接。

具体地，滚珠丝杠具有很高的硬度，通常在表面淬火后再进行晰削加工，保证其有优良的耐磨性能。滚珠丝杠一般与驱动部件连接在一起，滚珠丝杠的转动由电机直接或间接驱动。既可以采用直联的方法。即将电机输出轴通过专用的弹性联轴器与滚珠丝杠相联，传动比为1，也可以通过其他的传动环节使电机输出轴与丝杠相连，例如同步带、齿轮等。

伺服电机10的外壳通过法兰片螺丝与导轨22固定连接，从而实现电机定子与导轨22的固定连接。

可在不同自由度选择不同额定转速的伺服电机及不同导程的滚珠丝杠，实现具有不同频带范围与不同振幅范围的振动台效果。当所选的伺服电机额定转速较大时，可以实现5Hz以上的中低频效果，而对于一般的低频及超低频效果，可通过调小电机转速实现；当所选的丝杠导程较大时，可以实现振动台的大振幅输出。

参照图2和5，进一步作为可选的实施方式，振动组件还包括联轴器26，电机转子通过联轴器26与滚珠丝杠21传动连接。

参照图1，进一步作为可选的实施方式，驱动组件包括多个伺服驱动器，多个伺服驱动器均与控制组件连接，伺服驱动器用于驱动伺服电机10的转子转动。

具体地，伺服驱动器内置反馈调节系统，通过调节驱动器内部的相关参数值，可改变动力组件的速度响应特性与系统精度，实现特定实验的输入要求。

进一步作为可选的实施方式，伺服驱动器为ASDA-B2伺服驱动器。

具体地，伺服驱动器与伺服电机、滚珠丝杠相配套，例如可选用台达ASDA-B2伺服驱动器，但实际应用中并不局限于该伺服驱动器。伺服驱动器的选用标准根据所需振动环境来确定，要求功率上与伺服电机相匹配。

参照图2，进一步作为可选的实施方式，导轨22的两端各设有一个支座25，滚珠丝杠21设置在两个支座25间。

具体地，通过两个支座25的设置可以将滚珠丝杠21与导轨22的距离固定，使得滑台23可以在滚珠丝杠21的传动作用下沿导轨22稳定滑动。

参照图1，进一步作为可选的实施方式，多自由度振动控制系统还包括信号输出模块和信号输入模块，控制组件通过信号输出模块与驱动组件连接，信号输入模块用于采集振动试件的振动信号，信号输入模块与控制组件连接。

进一步作为可选的实施方式，信号输出模块为NI9263信号输出板卡，信号输入模块为NI9234信号采集板卡。

进一步作为可选的实施方式，控制组件为通过LabVIEW程序开发环境编写的控制系统。

具体地，通过LabVIEW程序开发环境编写的控制系统产生控制信号，通过信号输出模块传送到伺服驱动器，可实现多模态信号等复杂信号的输入功能；也可以直接通过信号发生硬件设备(如信号发生器)直接输入已编制好的电压信号。

以上对本实用新型实施例的结构进行了说明，以下结合一具体实施例对本实用新型的工作流程作进一步说明。

通过LabVIEW程序开发环境编写的控制系统通过NI9263信号输出板卡与ASDA-B2伺服驱动器连接，并将所需的控制信号以模拟电压信号的形式输入到ASDA-B2伺服驱动器中；ASDA-B2伺服驱动器接收到控制信号后，对其进行重现，并以指令的形式发送到伺服电机；伺服电机执行接收到的指令，并将执行情况反馈给ASDA-B2伺服驱动器，伺服电机与伺服驱动器采用三环控制，即三个闭环负反馈PID调节系统，可根据需要调整，在本实用新型实施例中可调节为速度环；通过伺服电机不断地反馈信号，伺服驱动器不断地对信号进行修正并重新发送，最终将伺服电机的运动误差控制在允许误差范围内；当伺服电机的电机转子转动时，通过联轴器带动滚珠丝杠转动，并通过滚珠丝杠将转动转化为滑台的平动，使得位于滚珠丝杠上的滑台进行直线往返运动，从而可以通过固定在滑台上的T字形振动台上安装相应的振动试件进行相关低频实验。

可以理解的是，伺服电机与滚珠丝杠的参数对应，在不同自由度上可以有不同的参数，因而在实现振动台的多自由度振动的同时，在不同的自由度上也有不同的振动性能。

本实用新型实施例还具有以下优点：

(1)本实用新型实施例解决了普通振动台难以实现多自由度输入的局限性，并且可通过选用具有额定转速的伺服电机来调整振动台的输出频带范围，通过选用具有不同导程的滚珠丝杠来调整振动台的输出振幅范围，组合方式灵活，具有很大的应用便利性。

(2)本实用新型实施例可使用信号发生器等具有信号发生功能的硬件设备作为控制组件，实现正弦信号、方波信号等一些常用信号的输入，免去编程的繁琐；也可采用通过LabVIEW程序开发环境编写的控制系统作为控制组件，实现多模态信号等复杂信号的输入，并且由于编程所具有的灵活性，可以实现多种功能，具有很大的应用潜力。

(3)本实用新型可实现低频与超低频的振动形式，解决现有电动振动台难以实现低频振动的困难。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上对本实用新型的较佳实施例进行了具体说明，但本实用新型并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种多自由度振动控制系统，其特征在于，包括：

控制组件、驱动组件以及动力组件，所述控制组件通过所述驱动组件与所述动力组件连接；

多个振动组件，所述振动组件包括滚珠丝杠、导轨以及滑台，所述滚珠丝杠设置在所述导轨上，所述滑台与所述导轨进行滑动连接，所述滚珠丝杠与所述滑台进行传动连接，所述动力组件还与所述滚珠丝杠连接，所述动力组件用于通过所述滚珠丝杠驱动所述滑台沿所述导轨滑动；

其中，所述多个振动组件包括第一振动组件和第二振动组件，所述第一振动组件的导轨与所述第二振动组件的滑台固定连接，所述第一振动组件的滑台上设有振动台，所述振动台用于安装振动试件。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度振动控制系统，其特征在于：所述多个振动组件还包括第三振动组件，所述第二振动组件的导轨与所述第三振动组件的滑台固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种多自由度振动控制系统，其特征在于：所述动力组件包括多个伺服电机，所述伺服电机设置在所述导轨的一端，所述伺服电机包括相配合设置的电机转子与电机定子，所述电机转子与所述滚珠丝杠传动连接，所述电机定子与所述导轨固定连接，所述多个伺服电机均通过所述驱动组件与所述控制组件连接。

4.根据权利要求3所述的一种多自由度振动控制系统，其特征在于：所述振动组件还包括联轴器，所述电机转子通过所述联轴器与所述滚珠丝杠传动连接。

5.根据权利要求3所述的一种多自由度振动控制系统，其特征在于：所述驱动组件包括多个伺服驱动器，所述多个伺服驱动器均与所述控制组件连接，所述伺服驱动器用于驱动所述伺服电机的转子转动。

6.根据权利要求5所述的一种多自由度振动控制系统，其特征在于：所述伺服驱动器为ASDA-B2伺服驱动器。

7.根据权利要求1所述的一种多自由度振动控制系统，其特征在于：所述导轨的两端各设有一个支座，所述滚珠丝杠设置在两个支座间。

8.根据权利要求1所述的一种多自由度振动控制系统，其特征在于：所述多自由度振动控制系统还包括信号输出模块和信号输入模块，所述控制组件通过信号输出模块与所述驱动组件连接，所述信号输入模块用于采集所述振动试件的振动信号，所述信号输入模块与所述控制组件连接。

9.根据权利要求8所述的一种多自由度振动控制系统，其特征在于：所述信号输出模块为NI9263信号输出板卡，所述信号输入模块为NI9234信号采集板卡。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的一种多自由度振动控制系统，其特征在于：所述控制组件为通过LabVIEW程序开发环境编写的控制系统。

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