一种基于同步带驱动的多柔性梁振动控制装置与方法

摘要

本发明公开了一种基于同步带驱动的多柔性梁振动控制装置与方法，包括柔性梁本体、检测部分及控制部分，所述柔性梁本体包括三根结构尺寸相同的柔性梁，所述检测部分包括压电传感器及加速度传感器，分别安装在柔性梁上，所述控制部分包括同步带传动控制系统及压电驱动控制系统，使用压电传感器和加速度传感器检测柔性梁结构的振动信号，基于伺服电机带动的同步带以及压电驱动器作为抑制振动的作动器。该装置能够用来研究重力、同步带间隙特性、同步带弹性等因素对柔性梁结构振动的影响和振动控制。

说明书

技术领域

本发明涉及柔性结构定位和振动控制领域，具体涉及一种基于同步带驱动的多柔性梁振动控制装置与方法。

背景技术

柔性结构在航天及工业生产领域应用广泛，相对于刚性结构，具有质量轻、能耗低、效率高、操作灵活等优点，但柔性结构的固有频率低，低频模态振动易被激起等特点限制了其在某些领域内的应用与发展。

近年来，柔性结构的振动主动控制成为当今世界研究的重点及热点课题。加速度传感器质量轻，易安装，并且频带较宽，利用加速度传感器反馈控制可在较宽频带范围增加系统的主动阻尼，增强系统鲁棒性。由于加速度传感器的应用会给系统引进大量的高频噪声信号，因此要进行滤波处理。压电陶瓷材料具有响应快、频带宽、线性度好、容易加工等优点，特别适合用于柔性梁等挠性结构的振动控制应用。

同步带机构由伺服电机驱动，伺服电机有控制精度高、响应快、调速范围宽、动态特性好、操作简便、能定位伺服等优点，但同时其驱动过程中会产生较大的颤振现象，会影响控制精度。同步带具有传动准确、传动平稳、传动效率高、速比范围大、可用于长距离传动等优点，但同时其安装要求高，带的张紧力、带轮的位置等方面在安装时都需得到考虑，此外，同步带的间隙特性以及带的弹性可能会对控制精度产生一定的影响。

在地面试验时，重力会对柔性梁的特性产生影响，所以考虑采用同步带传动机构驱动控制不同安装方位的柔性梁振动特性和控制。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种基于同步带驱动的多柔性梁振动控制装置与方法。

本发明充分考虑了梁的重力、同步带机构的间隙特性对柔性梁振动的影响。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种基于同步带驱动的多柔性梁振动控制装置，包括柔性梁本体、检测部分及控制部分；

所述柔性梁本体包括三根结构尺寸相同的柔性梁，分别为第一、第二及第三柔性梁，三根柔性梁的一端均固定在机械夹持装置上，另一端为自由端，所述第一柔性梁沿竖直向上方向固定，所述第二柔性梁沿竖直向下方向固定，两根柔性梁的中心点在同一条竖直直线上，所述第三柔性梁沿水平方向固定；

所述检测部分包括压电传感器及加速度传感器，所述第一、第二及第三柔性梁安装压电传感器及加速度传感器的位置相同，所述压电传感器安装在柔性梁宽度方向中线上，且在固定端一侧，加速度传感器安装在柔性梁自由端，且在柔性梁宽度方向中线，所述压电传感器检测的振动信号经过电荷放大器，经过端子板传输至运动控制卡输入到计算机，所述加速度传感器检测的振动信号通过端子板及运动控制卡，输入到计算机中；

所述控制部分包括同步带传动控制系统及压电驱动控制系统，

所述同步带传动控制系统包括同步带机构、伺服电机及伺服电机驱动器，所述同步带机构包括滑块、导轨、同步带、两个同步带轮及同步带机构底座，所述机械夹持装置通过滑块连接在导轨上，同步带通过两个同步带轮安装在同步带机构底座上，所述伺服电机带动两个同步带轮转动，使同步带在水平方向移动，同步带带动滑块在导轨上移动，所述伺服电机采用速度控制或位置控制的方式与伺服电机驱动器连接，所述伺服电机驱动器与端子板相互连接，所述伺服电机自带的编码器检测伺服电机的转动信息反馈给伺服电机驱动器，通过端子板传输至运动控制卡，然后传输到计算机，计算机处理后得到控制量经过运动控制卡及端子板输出到伺服电机驱动器驱动伺服电机的转动，进一步驱动同步带机构的运动，控制柔性梁本体部分的移动和振动；

所述压电驱动控制系统，包括压电驱动器及压电放大电路，每根柔性梁粘贴压电驱动器的位置相同，所述压电驱动器粘贴在柔性梁固定端一侧，计算机接收压电陶瓷传感器及加速度传感器的检测信号经过处理得到控制信号，经过运动控制卡及端子板输出到压电放大电路，驱动压电驱动器抑制柔性梁的振动。

所述压电驱动器由十二片压电陶瓷片构成，每根柔性梁粘贴四片，两面对称粘贴，每面两片，关于柔性梁宽度方向中线对称，并联连接。

所述压电传感器由三片压电陶瓷片构成，每根柔性梁粘贴一片，具体位于柔性梁宽度方向中线上且距离固定端80mm的位置。

所述同步带选用平顶圆弧齿系列。

一种基于同步带驱动的多柔性梁振动控制方法，包括如下步骤：

第一步压电传感器检测第一、第二及第三柔性梁的振动信号，经过电荷放大器放大后，经过端子板传输至运动控制卡，输入到计算机中；所述加速度传感器检测柔性梁末端的振动信号，传输至运动控制卡，输入到计算机中；

第二步计算机根据振动信号处理后得到相应的振动反馈信号，经由运动控制卡的D/A模块输出，经过端子板的信息传递，经过压电放大电路放大信号，输出到压电片驱动器中进行响应，用于控制柔性梁的振动；

所述伺服电机自带的编码器检测伺服电机的转动信息反馈给伺服电机驱动器，通过端子板传输至运动控制卡，输入到计算机，计算机根据转动信息得到控制量，经过运动控制卡及端子板输出到伺服电机驱动器，驱动伺服电机的转动，伺服电机的转动驱动同步带机构的运动，控制柔性梁本体的移动和振动。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过合理的机械结构设计，将三根完全相同的柔性梁装夹在同一平面上，有效地消除了其它不可控因素对于振动控制效果的影响，为研究重力以及同步带间隙特性对于柔性梁振动的影响提供了良好的条件。

(2)本发明采用同步带机构和压电驱动器复合驱动柔性梁结构，使得柔性梁结构在较大的直线范围内运动，使之在较大的工作空间上实现稳定、准确、快速的定位及指向，并快速抑制振动。

(3)本发明中所述实验装置采用了同步带机构，相比与其它传动机构，它具有传动准确、传动平稳、传动效率高、速比范围大、维护保养方便、预紧力小、轴和轴承上承受载荷小、可用于长距离传动等优点。

(4)本发明充分考虑了同步带机构存在的间隙特性、同步带弹性等非线性因素，以及伺服电机存在的颤振现象，为研究此类非线性因素对振动控制的影响提供了良好的硬件条件。

(5)本发明使用压电陶瓷片检测和加速度传感器检测相结合的方法对柔性梁的振动进行检测比较，有利于提高检测精度。

附图说明

图1是本发明的装置结构图；

图2是本发明中柔性梁本体的结构示意图；

图3是图1中同步带机构的结构示意图；

图4是图1的主视图；

图5是图1的俯视图；

图6是图1的右视图；

图7是图1的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图6所示，一种基于同步带驱动的多柔性梁振动控制装置，包括柔性梁本体、检测部分及控制部分；

所述柔性梁本体包括三根尺寸材料及结构完全一致的柔性梁，分别为第一柔性梁3、第二柔性梁13及第三柔性梁14，所述三根柔性梁的一端均固定在机械夹持装置6上，另一端为自由端，所述第一柔性梁沿竖直向上方向固定，所述第二柔性梁沿竖直向下方向固定，两根柔性梁的中心点在同一条竖直直线上，第三柔性梁沿水平方向固定，本实施例中，沿水平向右固定，且位于第一及第二柔性梁的中间位置，这样设计的柔性梁安装，其三者之间的振动没有耦合影响；三根柔性梁的尺寸以及压电应变片和加速度传感器的安装位置完全相同，三者不同之处在于安装方向，该装置能够用于研究重力和同步带机构间隙特性等因素对于柔性梁振动特性的影响。

所述三根柔性梁上的压电传感器4、加速度传感器2及压电驱动器5的安装位置相同。

所述检测部分包括：所述压电传感器4安装在柔性梁宽度方向的中线上，且距离柔性梁固定端80mm位置，姿态角为0°单面粘贴，每根柔性梁粘贴1片，总计3片，检测柔性梁的振动信息，作为反馈信号通过电荷放大器16，经过端子板传输至运动控制卡然后输入到计算机；

另外在每根柔性梁靠近自由端边缘，且在宽度中线上安装一只加速度传感器2，总计3个，检测振动信号，通过端子板及运动控制卡，输入到计算机中。

所述控制部分包括同步带传动控制系统及压电驱动控制系统，本发明可以用同步带传动控制系统抑制柔性梁的移动和振动，也同时采用压电驱动器抑制柔性梁的振动。

所述压电驱动控制系统，包括压电片驱动器5粘贴在柔性梁靠近固定端20mm位置处，且关于宽度方向中线对称，姿态角为0°双面对称粘贴，每根柔性梁粘贴4片，总计12片，用于控制柔性梁的残余振动；

所述压电传感器4及加速度传感器测得柔性梁振动信号输入计算机中，进行相应的主动控制算法，然后将控制信号经由运动控制卡19的D/A输出模块输出，通过端子板18的信息传递，经过压电放大电路17放大信号，输出到压电驱动器5，用于抑制柔性梁的振动。

所述同步带传动控制系统包括同步带机构、伺服电机1及伺服电机驱动器15，所述同步带机构包括滑块7、导轨8、同步带9、两个同步带轮11、同步带机构底座10等零部件，伺服电机采用速度控制或位置控制的方式与伺服电机驱动器连接，所述伺服电机驱动器15连接到端子板18上，端子板与运动控制卡19相互连接，所述伺服电机自带的编码器将电机的转动信息反馈给伺服电机驱动器15，通过端子板传输到运动控制卡然后传输给计算机20，然后计算机20根据反馈信息运行相应算法后发出相应控制量，经过运动控制卡19、端子板18传给伺服电机驱动器15，驱动伺服电机1的转动，伺服电机1的转动驱动同步带机构的运动，从而控制柔性梁本体部分的移动和振动；

所述同步带机构中，机械夹持装置通过滑块连接在导轨上，同步带同步带通过两个同步带轮安装在同步带机构底座上，所述伺服电机带动两个同步带轮转动，使同步带在水平方向移动，同步带带动滑块在导轨上移动所述同步带机构底座安装在实验台12上。

如图7所示，一种多柔性梁振动控制装置的控制方法，包括如下步骤：

步骤一利用压电传感器和加速度传感器分别检测多移动柔性梁的振动，得到相应的测量信号；

步骤二压电传感器检测第一、第二及第三柔性梁的振动信号，经过电荷放大器放大后，经过端子板传输至运动控制卡，输入到计算机中；所述加速度传感器检测柔性梁末端的振动信号，传输至运动控制卡，输入到计算机中；

步骤三计算机根据振动信号处理后得到相应的振动反馈信号，经由运动控制卡的D/A模块输出，经过端子板的信息传递，经过压电放大电路放大信号，输出到压电片驱动器中进行响应，用于控制柔性梁的振动；

所述伺服电机自带的编码器检测伺服电机的转动信息反馈给伺服电机驱动器，通过端子板传输至运动控制卡，输入到计算机，计算机根据转动信息得到控制量，经过运动控制卡及端子板输出到伺服电机驱动器，驱动伺服电机的转动，伺服电机的转动驱动同步带机构的运动，控制柔性梁本体的移动和振动。

图1中的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。

在本实施例中，第一、第二以及第三柔性梁的材料、尺寸等参数完全相同，均为环氧树脂材料薄板，几何尺寸为640mm×120mm×2mm。环氧树脂的弹性模量为E_p＝34.64Gpa，密度为ρ＝1840kg/m³。

压电片驱动器5由压电陶瓷材料制成，几何尺寸为50mm×15mm×1mm，成片状粘贴在柔性梁上，距离固定端30mm，距离梁宽度方向上下边缘15mm，压电陶瓷材料的弹性模量为E_p＝63Gpa，d31＝-166pm/V。

压电传感器4由压电陶瓷材料构成，几何尺寸为30mm×10mm×1mm，成片状粘贴在柔性梁宽度方向中线上，距离固定端70mm。

加速度传感器2选用Kistler公司的型号为8310B2的电容式传感器，其标称灵敏度为1000mv/g，测量频率范围为0-250Hz。

实验台12由三种长度分别为1680mm、280mm、500mm的铝型材组装而成，台面为一块1800mm×400mm×8mm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1可选用由安川伺服电机株式会社生产的型号为SGM7A-40A7A61型伺服电机，额定电压为交流220V，输出功率为4.0kW。

同步带9选用平顶圆弧齿系列，型号为SM8，齿距8mm，宽度40mm，长度3200mm。

电荷放大器16选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器；伺服电机驱动器15选用∑-II系列型号为SGDM-04ADAR的伺服单元；运动控制卡19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20的CPU型号为core76650U2.2GHz，内存4G，主板中有PCI-e插槽，可安装运动控制卡。

压电放大电路17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。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明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发明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，都包含在本发明的保护范围之内。