專利名稱：智能扭振抑振桿的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及抑制扭振控制裝置，是一種智能扭振抑振桿。
背景技術(shù)：
在復(fù)雜激勵力作用下，許多構(gòu)件往往會產(chǎn)生軸向伸縮振動，彎曲振動，甚至扭轉(zhuǎn)振動。由于扭轉(zhuǎn)振動表現(xiàn)不太直觀，往往不引起人們的注意。但是隨著各類設(shè)備輸出功率的增加，導(dǎo)致設(shè)備主要構(gòu)件體積的增大，剛度大幅下降，尤其是在航天領(lǐng)域中，為降低發(fā)射成本，要求航天結(jié)構(gòu)實現(xiàn)輕型化、低剛度和柔性化設(shè)計，使得這些構(gòu)件上扭振的影響越來越明顯，有些場合甚至已經(jīng)產(chǎn)生嚴重的危害性。例如，空間機器人的操縱臂、空間站上展開的太陽能帆板的支架(長可達幾十米，寬幾米)、口徑達十幾米的拋物面天線、射電望遠鏡等，其支架的一階扭振頻率往往在幾赫茲以內(nèi)，因此，外界的一點點擾動，就極易引起扭振共振。扭振的出現(xiàn)將會影響機器人操縱臂控制精度的下降，望遠鏡觀測精度的下降，太陽能帆板的破壞等。而且在空間中，由于沒有空氣等阻力，振動的衰減將是極其緩慢的。
與其他的振動控制一樣，對扭轉(zhuǎn)振動控制一般也可分為被動式控制和主動式控制。被動式控制具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，不需要消耗附加能源等優(yōu)點，在一般工業(yè)技術(shù)的應(yīng)用中常獲得滿意的結(jié)果，但是它適合于抑制中高頻率振動信號，對低頻率振動信號抑制效果不理想。主動式控制采取對振動系統(tǒng)實行閉環(huán)校正，通過外界能量的輸入來抑制振動，因.此在復(fù)合激勵環(huán)境下具有較強的抗干擾能力，尤其對低頻振動信號抑制非常有效，因而引起人們的充分重視。從五十年代以來，采用主動振動控制方式的精密隔振平臺、柔性板梁等實例已有大量報道，但是對扭振進行振動主動控制的報道相對較少，主要原因是適合于主動控制用的扭振驅(qū)動器極少，當(dāng)今在主動振動控制中應(yīng)用已較廣泛技術(shù)較成熟的驅(qū)動器如伺服氣(液)動驅(qū)動器、電磁驅(qū)動器、超磁致伸縮驅(qū)動器(GMA)，基于形狀記憶合金驅(qū)動器(SMA)等，往往只能產(chǎn)生軸向力，較難應(yīng)用于扭振控制。從目前國內(nèi)外已報道的文獻看，對扭振進行主動控制的主要有一種是采用特制的電磁驅(qū)動式電機作為扭振驅(qū)動器對軸進行扭振主動控制；一種是采用離心擺錘振動吸振器，通過主動調(diào)節(jié)擺的諧振頻率和路徑設(shè)計來主動抑制扭振；還有一種采用電流變液體(ERF)的扭振阻尼器，通過改變電壓主動改變液體的阻尼來主動抑制扭振。但分析上述提及的驅(qū)動器多具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，安裝有特定要求，控制特性一般等特點。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種智能扭振抑振桿，通過桿上的傳感器自感知到的扭振信號經(jīng)反相放大送入同一桿上的壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器產(chǎn)生一個與扭轉(zhuǎn)振動反相的扭轉(zhuǎn)力矩抑制其振動。
本實用新型采用的技術(shù)方案如下它包括空心圓桿，傳感器，三塊連接塊，環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器；空心圓桿的下端從上而下依次裝有第一連接塊、環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器、第二連接塊，空心圓桿的上端裝有第三連接塊，在裝有環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器一端的空心圓桿的內(nèi)表面或外表面裝有傳感器。
所說的傳感器為應(yīng)變片或壓電薄膜。
所說的環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器由數(shù)個采用厚度切變振動極化模式的扇形壓電片粘合而成，每個扇形壓電片側(cè)面涂覆銀電極，按相同的極化方向粘接成一圓環(huán)。
當(dāng)連接端相對于連接端有扭轉(zhuǎn)變形或扭轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生時，傳感器檢測到信號經(jīng)反相放大送入環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器，環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器產(chǎn)生一個與扭轉(zhuǎn)變形反相的扭轉(zhuǎn)力矩抑制其變形或振動。
本實用新型具有如下優(yōu)點1)結(jié)構(gòu)簡單緊湊。由于采用了環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器，因此該智能桿與一般的圓桿結(jié)構(gòu)基本一致，無其它附加結(jié)構(gòu)，因此在使用時非常方便。由于壓電材料具有單位體積輸出扭矩大的特點，因此尺寸重量小，且能加工成各種形狀，非常適合于空間結(jié)構(gòu)輕量化要求。
2)控制特性好。由于壓電材料具有響應(yīng)快，頻響寬(可至零頻響應(yīng))，溫度特性穩(wěn)定，無滯后，小功率能驅(qū)動，輸入電壓與輸出扭矩具有良好的線性性，而傳感器與扭轉(zhuǎn)振動變形量成比例關(guān)系，因此控制容易，精度高。
3)適應(yīng)范圍寬。由于該智能桿具有自感知自驅(qū)動控制的智能特點，在外界的復(fù)合激勵下能夠達到高精度的抑振要求。另外，壓電不產(chǎn)生磁場，也不受到磁場影響，這點非常有利于空間對磁場有特殊要求的場合。
它可廣泛用于空間機器人的操作桿、桁架結(jié)構(gòu)中以及對扭轉(zhuǎn)振動需進行抑(隔)振的主動振動控制領(lǐng)域。


圖1是智能扭振抑振桿的剖面圖；圖2是環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器圖；圖3是二片環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器組裝示意圖；圖4是智能扭振抑振桿系統(tǒng)工作原理示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，它包括空心圓桿5，傳感器4，三塊連接塊3、1、6，環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器2；空心圓桿5的下端從上而下依次裝有第一連接塊3、環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器2、第二連接塊1，空心圓桿5的上端裝有第三連接塊6，在裝有環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器2一端的空心圓桿5的內(nèi)表面或外表面裝有傳感器4。
本實用新型采用厚度切變振動極化模式即機電耦合系數(shù)為K15(壓電常數(shù)d15)的壓電材料作為驅(qū)動器，設(shè)計了一種能自感知自控制的扭振抑振智能桿。如圖1所示，環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器2與空心圓桿5經(jīng)第一連接塊3連在一起，第一連接塊3的一面與環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器2用強力膠粘劑聯(lián)接，另一面則與空心圓桿5通過膠粘劑或螺紋等聯(lián)接。環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器2的另一面與第二連接塊1的一面用強力膠粘劑聯(lián)接。傳感器4可以布置在空心圓桿5的內(nèi)表面或外表面，且盡量靠近安裝壓電驅(qū)動器的一端，因為這樣傳感器可感受到的信號更大，傳感器4可以用常見的應(yīng)變片或壓電薄膜等，如果是應(yīng)變片則后面接應(yīng)變電壓放大器，是壓電薄膜的話則用電荷放大器。由于桿的扭轉(zhuǎn)變形量與傳感器的應(yīng)變量成線性關(guān)系，因此傳感器的輸出信號大小與桿端部的扭轉(zhuǎn)振動位移大小成正比關(guān)系。第二連接塊1和第三連接塊6可以根據(jù)外部不同的連接對象設(shè)計成不同的結(jié)構(gòu)，如螺紋，花鍵連接等。
如圖2所示，對環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器2的構(gòu)造進行說明整個環(huán)形由若干個采用厚度切變振動極化模式的扇形壓電片2.1粘接而成。其制造工藝如下首先將每個扇形壓電片2.1(以下簡稱扇段)按如下方式極化，在每一扇段的側(cè)面涂覆銀電極，把扇段置于硅油中，在加熱條件下，加上2～3kV/mm的直流偏壓對壓電片進行極化。然后采用環(huán)氧型粘接劑將扇段按相同的極化方向粘接成一圓環(huán)，精磨環(huán)的兩端面。為提高輸出扭轉(zhuǎn)力矩，可將兩個切向極化的壓電環(huán)反向并聯(lián)與銅電極板粘接成一體，此時輸出力矩約為單個環(huán)驅(qū)動器的2倍。由兩個切向極化的壓電環(huán)組成的壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器如圖3所示，圖中箭頭表示極化方向，電極的引出端可以根據(jù)使用結(jié)構(gòu)向環(huán)的外側(cè)也可以向環(huán)的內(nèi)側(cè)引出。另外需要指出的是制造時所分扇段越多，切向極化越均勻，但相應(yīng)粘接變得困難，且強度降低，若所分扇段較少，則要求極化電壓高且極化不均勻，因此需要根據(jù)環(huán)的內(nèi)外徑大小決定扇段的合適數(shù)目。根據(jù)以上制成的壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器，當(dāng)向其環(huán)兩端面加上電壓時，環(huán)的兩端面間會產(chǎn)生一個與電壓成比例的扭轉(zhuǎn)角，改變電壓的方向，扭轉(zhuǎn)角方向也隨之改變。當(dāng)智能桿的第二連接塊1固定不動時，通過對壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器施加電壓，相當(dāng)于在空心圓桿5的靠近壓電驅(qū)動器的端部施加了一個扭轉(zhuǎn)力矩。
如圖4所示，為智能桿進行扭振主動抑振系統(tǒng)的工作原理圖。因為智能桿往往與其它構(gòu)件連接一起使用，例如，當(dāng)此智能桿用作多臂機器人的操作臂時，一般在第三連接塊6處會裝上關(guān)節(jié)電機，此關(guān)節(jié)電機再驅(qū)動下一操作臂，當(dāng)此臂在抓取或搬運物體時，必然會產(chǎn)生一個扭矩作用于智能桿上，當(dāng)此扭矩發(fā)生變化時常易引起智能桿的扭轉(zhuǎn)振動，特別當(dāng)智能桿的一階扭振頻率較低時，極易引起一階扭振諧振。這時機器人的末端操作位置不能再按剛性連桿的幾何位置求取，而要加上此扭振擺動引起的位移，因而使機器人的操作精度下降。如果能在智能桿的另一端第二連接塊1處施加一個與上述引起扭轉(zhuǎn)擺動的干擾扭矩時刻反相的控制扭矩，則就可以減小智能桿扭轉(zhuǎn)振動的幅值，提高機器人的操作精度。因此，根據(jù)圖4所示，當(dāng)智能桿受到外界干擾力時發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時，傳感器4將會感受到變形振動信號并將振動轉(zhuǎn)換成電信號，并經(jīng)信號放大器放大送入A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器作用是把電信號由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，數(shù)字量在控制器內(nèi)通過某種控制算法輸出控制信號，D/A轉(zhuǎn)換器把控制信號由數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，因為這時的信號比較微弱不足以去驅(qū)動壓電驅(qū)動器，所以還必須經(jīng)過一個功率放大電路。經(jīng)過放大的控制信號輸入壓電驅(qū)動器內(nèi)使驅(qū)動器產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩，抵消了外界的扭轉(zhuǎn)變形和振動，從而達到減小扭振的幅度或使其快速衰減。
控制器可以采用PC機或其它單片機等，采用數(shù)字控制方法，可以使控制器中的算法更豐富。當(dāng)然上述閉環(huán)反饋控制完全也可以由模擬電路來完成。
權(quán)利要求1.一種智能扭振抑振桿，其特征在于它包括空心圓桿(5)，傳感器(4)，三塊連接塊(3)、(1)、(6)，環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器(2)；空心圓桿(5)的下端從上而下依次裝有第一連接塊(3)、環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器(2)、第二連接塊(1)，空心圓桿(5)的上端裝有第三連接塊(6)，在裝有環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器(2)一端的空心圓桿(5)的內(nèi)表面或外表面裝有傳感器(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能扭振抑振桿，其特征在于所說的傳感器(4)為應(yīng)變片或壓電薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能扭振抑振桿，其特征在于所說的環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器(2)由數(shù)個采用厚度切變振動極化模式的扇形壓電片(2.1)粘合而成，每個扇形壓電片(2.1)側(cè)面涂覆銀電極，按相同的極化方向粘接成一圓環(huán)。
專利摘要本實用新型公開了一種智能扭振抑振桿?？招膱A桿的下端從上而下依次裝有第一連接塊、環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器、第二連接塊，空心圓桿的上端裝有第三連接塊，在裝有環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器一端的空心圓桿的內(nèi)表面或外表面裝有傳感器。當(dāng)連接端相對于連接端有扭轉(zhuǎn)變形或扭轉(zhuǎn)振動產(chǎn)生時，傳感器檢測到信號經(jīng)反相放大送入環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器，環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動器產(chǎn)生一個與扭轉(zhuǎn)變形反相的扭轉(zhuǎn)力矩抑制其變形或振動。該桿集傳感與驅(qū)動控制一體化，具有結(jié)構(gòu)緊湊，控制特性好，功耗低，抑振效果佳等優(yōu)點。它可廣泛用于空間機器人的操作桿、桁架結(jié)構(gòu)中以及對扭轉(zhuǎn)振動需進行抑(隔)振的主動振動控制領(lǐng)域。
文檔編號F16F15/03GK2622479SQ0322915
公開日2004年6月30日 申請日期2003年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月28日
發(fā)明者魏燕定, 呂永桂 申請人:浙江大學(xué)