專利名稱：柔性移動結(jié)構(gòu)低頻模態(tài)的振動測試及控制裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉直線移動的撓性結(jié)構(gòu)振動測試及控制，特別是涉及一種模擬大型航天器變軌 控制時及空間柔性機器人等撓性附件結(jié)構(gòu)的振動檢測及控制裝置，具體地說是提供一種針 對模擬剛?cè)狁詈先嵝越Y(jié)構(gòu)直線運動的振動控制，應用氣動驅(qū)動及壓電復合控制的平移運動 的撓性結(jié)構(gòu)低頻模態(tài)振動測量及控制的裝置。
背景技術(shù)：
航天器在變軌控制時，由于發(fā)動機驅(qū)動引起航天器運動速度變化，由于慣性因素會引 起航天器的撓性附件振動。如太陽帆板等撓性附件和空間柔性機器人在變軌時可能會激發(fā) 振動，振動將會影響航天器的穩(wěn)定性，或者導致儀器設備的疲勞破壞。因此在太空條件下 的大型柔性結(jié)構(gòu)振動的測量與主動控制就成為當今世界普遍關注而富有挑戰(zhàn)性的重要課 題。
現(xiàn)有技術(shù)中，研究模擬太空帆板等撓性結(jié)構(gòu)振動控制，主要有采用壓電片、加速度傳 感器等進行振動主動控制研究。這些裝置要么是懸臂板或梁等固定的裝置，要么是模擬航 天器調(diào)整姿態(tài)的旋轉(zhuǎn)運動的氣動浮動裝置，或者是柔性機器人旋轉(zhuǎn)運動控制的裝置，已經(jīng) 針對這些裝置的主動控制技術(shù)及方法進行的研究。然而，針對移動運動的撓性結(jié)構(gòu)相對較 少，并且基本上都是采用電動機滾珠絲杠驅(qū)動或者同步帶驅(qū)動，由于這些驅(qū)動都進行減速， 反向的驅(qū)動能力很差，所以電機驅(qū)動器及驅(qū)動移動運動的剛體部分和柔性結(jié)構(gòu)部分是相對 解耦的，所以在控制起來相對容易。本發(fā)明采用無桿氣缸直線移動氣動驅(qū)動，帶動智能柔 性結(jié)構(gòu)，集成壓電材料PZT陶瓷材料作為敏感器和加速度傳感器進行低頻振動模態(tài)的檢測 和控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種模擬剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)振動的基于氣動 驅(qū)動的智能柔性移動結(jié)構(gòu)的低頻模態(tài)振動檢測和控制裝置。 為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下的方法和技術(shù)方案
—種柔性移動結(jié)構(gòu)低頻模態(tài)的振動測試及控制裝置，包括智能柔性移動結(jié)構(gòu)、氣動元 件和電信號連接及驅(qū)動控制裝置，所述的智能柔性移動結(jié)構(gòu)的無桿氣缸的滑塊與柔性結(jié)構(gòu)
的機械夾持裝置固定連接，移動滑塊與線性光柵尺的移動滑塊通過機械固定連接；在柔性 結(jié)構(gòu)的根部粘貼多片壓電陶瓷片分別作為壓電傳感器和壓電驅(qū)動器，壓電驅(qū)動器由4片壓 電片在柔性結(jié)構(gòu)的雙面對稱粘貼，每面2片，并聯(lián)連接，分別位于固定端縱向中線上下側(cè)； 壓電傳感器為1片，位于撓性結(jié)構(gòu)固定端的縱向中線，在撓性結(jié)構(gòu)的自由端端部安裝加速 度傳感器；
氣動元件的氣泵通過氣動三聯(lián)件與三個氣壓減壓閥連接，三個氣壓減壓閥分別與氣動 兩位三通閥之一、氣動單向闊和氣動兩位三通閥之二連接；氣動兩位三通閥之一和氣動兩 位三通閥之二分別與無桿氣缸的左氣腔和右氣腔連接，氣動兩位三通閥之一、氣動單向閥 和氣動兩位三通閥之二還分別通過氣動管道與氣動比例閥連接；
氣動閥兩位三通閥之一和氣動閥兩位三通閥之二分別與電信號連接及驅(qū)動控制裝置中 的多路開關閥驅(qū)動板中的一路連接，多路開關閥驅(qū)動板與D/A轉(zhuǎn)換及I/O輸出控制卡連接， D/A轉(zhuǎn)換及I/0輸出控制卡接計算機，計算機連接顯示器；D/A轉(zhuǎn)換及I/0輸出控制卡的一 個D/A轉(zhuǎn)換通道與氣動比例閥連接，D/A轉(zhuǎn)換及I/O輸出控制卡的另一個通道還與壓電陶 瓷驅(qū)動電源連接，壓電陶瓷驅(qū)動電源與壓電驅(qū)動器連接；壓電片傳感器和壓電加速度傳感 器分別與極低頻電荷放大器連接,極低頻電荷放大器與多通道A/D轉(zhuǎn)換卡連接，多通道A/D 轉(zhuǎn)換卡接計算機；線性光柵尺與編碼器解算卡連接，編碼器解算卡接計算機。
為進一步實現(xiàn)本發(fā)明目的，所述的無桿氣缸優(yōu)選為MY1M25-600L型無桿氣缸。
所述的線性光柵尺優(yōu)選為FAGOR光柵尺。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較具有如下優(yōu)點和有益效果該氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)，在氣動驅(qū)動運動 由于氣體大的可壓縮性和柔性結(jié)構(gòu)振動是剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)，很好地模擬航天器在變軌時的線 性速度改變的加速運動引起柔性附件的振動，還可以很好地模擬直線運動柔性機器人的剛 柔耦合振動控制。


圖1是本發(fā)明的氣動驅(qū)動移動柔性結(jié)構(gòu)試驗裝置總體組成示意圖。 圖2是圖1可選實例中氣動驅(qū)動柔性結(jié)構(gòu)部分示意圖。
圖中示出無桿氣缸l、線性光柵尺2、柔性結(jié)構(gòu)5、壓電傳感片3、壓電驅(qū)動片4、 壓電加速度傳感器6、氣動兩位三通閥之一8、氣動兩位三通閥之二9、氣動單向閥IO、三 個氣壓減壓閥ll、氣動比例閥12、氣動三聯(lián)件13、氣泵14、極低頻電荷放大器15、多通 道A/D轉(zhuǎn)換卡16、計算機17、顯示器18、 D/A轉(zhuǎn)換及I/0輸出控制卡19、壓電陶瓷驅(qū)動 電源20、開關閥驅(qū)動板21、編碼器解算卡22。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但本發(fā)明要求保護的范圍并不局限 于實施例表達的范圍。
如圖1所示， 一種柔性移動結(jié)構(gòu)低頻模態(tài)的振動測試及控制裝置，包括智能柔性移動 結(jié)構(gòu)、氣動元件和電信號連接及驅(qū)動控制裝置。
智能柔性移動結(jié)構(gòu)中無桿氣缸1的滑塊與柔性結(jié)構(gòu)5的機械夾持裝置7固定連接，移 動滑塊與線性光柵尺2的移動滑塊通過機械固定連接，用于檢測移動柔性結(jié)構(gòu)剛體運動部 分的位移和速度；柔性移動裝置采用無桿氣缸驅(qū)動智能柔性結(jié)構(gòu)，很好地模擬剛?cè)狁詈先?性結(jié)構(gòu)的振動控制。在柔性結(jié)構(gòu)的根部粘貼多片壓電陶瓷片分別作為壓電傳感器3和壓電 驅(qū)動器4，壓電驅(qū)動器4位于柔性結(jié)構(gòu)5固定端橫向中線上下兩側(cè)，在橫向上距離固定端 2cm，在縱向上距離撓性量結(jié)構(gòu)的邊緣為2.5cm，壓電傳感器3位于撓性結(jié)構(gòu)的固定端縱向 中線，在橫向上距離固定端6cm，其中壓電傳感器3為1片，壓電驅(qū)動器4由4片壓電片 在柔性結(jié)構(gòu)的雙面對稱粘貼，每面2片，并聯(lián)連接，在撓性結(jié)構(gòu)的自由端端部安裝加速度 傳感器6。
氣動元件中氣泵14通過氣動三聯(lián)件13與三個氣壓減壓閥11連接,三個氣壓減壓閥11 分別與氣動兩位三通閥之一8、氣動單向閥10和氣動兩位三通閥之二9連接；氣動兩位三 通閥之一 8和氣動兩位三通閥之二 9分別與無桿氣缸1的左氣腔和右氣腔連接，氣動兩位 三通闊之一8、氣動單向閥10和氣動兩位三通閥之二9還分別通過氣動管道與氣動比例閥 12連接。
圖1中的虛線連接表示電信號與驅(qū)動控制裝置的連接圖。氣動閥兩位三通閥之一8和 氣動閥兩位三通閥之二 9分別與多路開關閥驅(qū)動板21中的一路連接，開關閥驅(qū)動板21與 D/A轉(zhuǎn)換及I/O輸出控制卡19連接，D/A轉(zhuǎn)換及I/O輸出控制卡19插在計算機17的總線 插槽中，計算機17連接顯示器18; D/A轉(zhuǎn)換及I/0輸出控制卡19的一個D/A轉(zhuǎn)換通道與 氣動比例閥12連接，D/A轉(zhuǎn)換及I/O輸出控制卡19的另一個通道還與壓電陶瓷驅(qū)動電源 20連接，壓電陶瓷驅(qū)動電源20與壓電驅(qū)動器4連接；壓電片傳感器3和壓電加速度傳感 器6分別與一只極低頻電荷放大器15連接，極低頻電荷放大器15與多通道A/D轉(zhuǎn)換卡16 連接，多通道A/D轉(zhuǎn)換卡16插入計算機17總線插槽中。線性光柵尺2與編碼器解算卡22 連接，編碼器解算卡22插入計算機17總線插槽中，無桿氣缸1的滑塊即柔性結(jié)構(gòu)的機械 夾持坐的移動位移通過光柵尺2檢測，光柵尺的信號經(jīng)過編碼器解算卡22將柔性結(jié)構(gòu)的直
線移動位移信號輸入計算機17。柔性移動裝置的移動位移和速度由線性光柵尺檢測，柔性
結(jié)構(gòu)的振動可以由壓電片傳感器和加速度傳感器檢測，根據(jù)傳感器反饋設計控制策略實現(xiàn)
控制氣動比例閥及兩位三通閥的動作實現(xiàn)無桿氣缸移動，并采用復合氣動控制及控制壓電
驅(qū)動器實現(xiàn)移動過程中振動抑制。
本實例中，無桿氣缸1可選用日本SMC氣動公司生產(chǎn)的型號為MY1M25-600L的無桿
氣缸；兩位三通閥8和9是日本SMC氣動公司生產(chǎn)，型號VK332-5G-01;氣動單向閥10
可選用日本SMC氣動公司生產(chǎn)的AK2000型氣動單向閥；三個氣壓減壓閥11可選用日本
SMC氣動公司生產(chǎn)的AR2000-02型氣動減壓閥，并帶有一個壓力表(型號G36-10-01);
氣動比例閥12由日本SMC氣動公司生產(chǎn)，型號ITV2050-212L;氣動三聯(lián)件13由空氣
過濾器(型號AF30-03)、減壓閥(型號AR25-03)和油霧分離器(型號AFM30-03)
組成，通過2個隔板(型號Y300T)組裝在一起，并帶有壓力表(型號G36-10-01) —
個，由日本SMC氣動公司生產(chǎn)；氣泵14是上海捷豹壓縮機制造有限公司生產(chǎn)的型號為
FB-0.017/7的靜音空氣壓縮機。
線性光柵尺2可選用FAGOR光柵尺(型號MKT-82)，由北京發(fā)格自動化設備有限
公司供應；彎曲模態(tài)壓電驅(qū)動器4和彎曲模態(tài)傳感器3的壓電陶瓷片尺寸為
50mmxl5mmximm，壓電陶瓷材料的彈性模量和壓電應變常量分別為￡^ =63 GPa，
d31-166 pm/V;極低頻電荷放大器15可選用江蘇聯(lián)能電子有限公司的YE5850型電荷放 大器；多通道A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡16可用臺灣研華科技公司生產(chǎn)的型號為PCL-818HD型 A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡；計算機17可用臺灣研華IPC610機箱，PCA-6006主板，生產(chǎn)單位 臺灣研華科技公司，Pentium IV 2.4G Intel CPU;多通道D/A轉(zhuǎn)換及I/O卡19可用臺灣研華 科技公司的PCL-727型D/A轉(zhuǎn)換及I/0卡；顯示器18 (型號151N生產(chǎn)單位韓國三星 公司)；多路壓電驅(qū)動高壓放大器20還可選用型號為APEX-PA241DW或APEX-PA240CX 放大器，其研制單位為華南理工大學(在申請人申請的名稱為"太空帆板彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)振 動模擬主動控制裝置與方法"，申請?zhí)枮?00810027186.4的專利中有詳細介紹)。放大倍數(shù) 可達到52倍，即將-5V +5V放大到-260V +260V。編碼器解算卡22可用臺灣研華科 技公司生產(chǎn)的型號為PCL-833型編碼器計數(shù)卡；開關閥驅(qū)動電路板21參見申請人申請的申 請?zhí)枮?00810198032.1發(fā)明申請"柱塞式雙出桿氣液缸與氣液聯(lián)控位置和速度伺服控制裝 置"。
本發(fā)明控制程序基于0++編寫，其中包括編碼器解算卡、A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡和D/A 轉(zhuǎn)換及I/O卡的驅(qū)動及轉(zhuǎn)換，信號的滑動平均數(shù)字濾波算法，實現(xiàn)友好的人機交互界面，
在顯示器實時顯示相關信息，提供了實時觀測功能，控制的開啟和關閉，控制策略參數(shù)的 輸入，數(shù)據(jù)保存等方便操作。本發(fā)明可以實現(xiàn)友好的人機交互界面，可以在顯示器實時顯 示A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集卡采集的彎曲模態(tài)的信息，控制量經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換卡的輸出，控制算法 的實現(xiàn)和控制參數(shù)的調(diào)整，以及控制策略的開啟和關閉。
在氣動控制上，氣泵14將氣源的高壓氣體經(jīng)過氣動三聯(lián)件13后分別經(jīng)三個氣動減壓 閥11減壓后，分別經(jīng)過動閥兩位三通閥之一8、氣動閥兩位三通閥之二9、單向閥10和氣 動比例閥12及無桿氣缸1構(gòu)成氣動回路；經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換及I/O輸出控制卡19的一路D/A 轉(zhuǎn)換信號控制氣動比例閥12的通流截面積的變化，從而控制柔性結(jié)構(gòu)的運動。通過計算 17機檢測到柔性結(jié)構(gòu)的壓電傳感片3和壓電加速度傳感器6的信號，運行控制算法后通過 開關閥驅(qū)動卡驅(qū)動氣動閥的動作，控制無桿氣缸滑塊的運動，并經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換及I/0輸出 控制卡19輸出控制信號經(jīng)過壓電陶瓷驅(qū)動電源20后，驅(qū)動壓電驅(qū)動器4，從而驅(qū)動柔性 結(jié)構(gòu)的振動；該剛?cè)狁詈现本€運動系統(tǒng)裝置較好地模擬航天器的變軌及柔性移動機器人的 剛?cè)狁詈险駝訙y試及控制裝置。
所述直線移動振動控制裝置，在柔性結(jié)構(gòu)振動控制上還可以采用復合氣動驅(qū)動控制和 壓電驅(qū)動控制復合一起的控制方案，即根據(jù)檢測振動的信息，同時控制氣動回路和壓電回 路，快速抑制柔性結(jié)構(gòu)的振動。
權(quán)利要求
1、一種柔性移動結(jié)構(gòu)低頻模態(tài)的振動測試及控制裝置，包括智能柔性移動結(jié)構(gòu)、氣動元件和電信號連接及驅(qū)動控制裝置，其特征在于所述的智能柔性移動結(jié)構(gòu)的無桿氣缸的滑塊與柔性結(jié)構(gòu)的機械夾持裝置固定連接，移動滑塊與線性光柵尺的移動滑塊通過機械固定連接；在柔性結(jié)構(gòu)的根部粘貼多片壓電陶瓷片分別作為壓電傳感器和壓電驅(qū)動器，壓電驅(qū)動器由4片壓電片在柔性結(jié)構(gòu)的雙面對稱粘貼，每面2片，并聯(lián)連接，分別位于固定端縱向中線上下側(cè)；壓電傳感器為1片，位于撓性結(jié)構(gòu)固定端的縱向中線，在撓性結(jié)構(gòu)的自由端端部安裝加速度傳感器；氣動元件的氣泵通過氣動三聯(lián)件與三個氣壓減壓閥連接，三個氣壓減壓閥分別與氣動兩位三通閥之一、氣動單向閥和氣動兩位三通閥之二連接；氣動兩位三通閥之一和氣動兩位三通閥之二分別與無桿氣缸的左氣腔和右氣腔連接，氣動兩位三通閥之一、氣動單向閥和氣動兩位三通閥之二還分別通過氣動管道與氣動比例閥連接；氣動閥兩位三通閥之一和氣動閥兩位三通閥之二分別與電信號連接及驅(qū)動控制裝置中的多路開關閥驅(qū)動板中的一路連接，多路開關閥驅(qū)動板與D/A轉(zhuǎn)換及I/O輸出控制卡連接，D/A轉(zhuǎn)換及I/O輸出控制卡接計算機，計算機連接顯示器；D/A轉(zhuǎn)換及I/O輸出控制卡的一個D/A轉(zhuǎn)換通道與氣動比例閥連接，D/A轉(zhuǎn)換及I/O輸出控制卡的另一個通道還與壓電陶瓷驅(qū)動電源連接，壓電陶瓷驅(qū)動電源與壓電驅(qū)動器連接；壓電片傳感器和壓電加速度傳感器分別與極低頻電荷放大器連接，極低頻電荷放大器與多通道A/D轉(zhuǎn)換卡連接，多通道A/D轉(zhuǎn)換卡接計算機；線性光柵尺與編碼器解算卡連接，編碼器解算卡接計算機。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性移動結(jié)構(gòu)低頻模態(tài)的振動測試及控制裝置，其特征在于 所述的無桿氣缸為MY1M25-600L型無桿氣缸。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性移動結(jié)構(gòu)低頻模態(tài)的振動測試及控制裝置，其特征在于 所述的線性光柵尺為FAGOR光柵尺。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種柔性移動結(jié)構(gòu)低頻模態(tài)的振動測試及控制裝置，包括智能柔性移動結(jié)構(gòu)、氣動元件和電信號處理裝置，智能柔性移動結(jié)構(gòu)的無桿氣缸的滑塊與柔性結(jié)構(gòu)的機械夾持裝置固定連接，移動滑塊與線性光柵尺的移動滑塊通過機械固定連接；在柔性結(jié)構(gòu)的根部粘貼多片壓電陶瓷片分別作為壓電傳感器和壓電驅(qū)動器，壓電驅(qū)動器由4片壓電片在柔性結(jié)構(gòu)的雙面對稱粘貼，每面2片，并聯(lián)連接，分別位于固定端縱向中線上下側(cè)；壓電傳感器為1片，位于撓性結(jié)構(gòu)固定端的縱向中線，在撓性結(jié)構(gòu)的自由端端部安裝加速度傳感器。該氣動驅(qū)動移動運動柔性結(jié)構(gòu)的振動測試和控制裝置，很好地體現(xiàn)系統(tǒng)的剛?cè)狁詈咸匦浴?br> 文檔編號G01H11/00GK101393463SQ20081021873
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月29日
發(fā)明者邱志成 申請人:華南理工大學