一种三层柔性关节多柔体耦合结构的振动测控装置及方法

技术领域

本发明涉及振动测量控制领域，特别涉及一种三层柔性关节多柔体耦合结构的振动测控装置及方法。

背景技术

随着国民经济和国防技术的进步，复杂机械系统大量采用轻质柔性材料，系统运行速度加快，运行精度要求不断提高，系统的动力学性态也越来越复杂，简单地将部件作刚体假设的多刚体系统动力学与控制研究已无法满足实践需求，必须考虑部件大范围运动和构件本身的变形，这类系统称为柔性多体耦合系统。例如，对于高速机车系统，车厢、转向架构成的整车是典型多体系统，高速情形下车辆稳定性与乘坐舒适性的优化设计必须考虑车厢柔性特征，还应考虑轨线、授电弓网与整车的耦合。此外，高速机械系统、现代国防技术都与柔性多体系统研究密切相关。

为了确保各种柔性装置的正常运作，对柔性结构的振动机理和控制策略进行研究势在必行。最早人们是采用隔振、附加阻尼块等被动控制方法对柔性结构的振动进行抑制。但是柔性结构的低频模态密集，振动耦合度高，对于振动控制要求很高，传统的控制结构和方法很难满足要求。近年各种智能控制算法的提出很好的处理了振动自由度高、非线性因素多等各方面的问题，为柔性结构的振动主动控制提供了新思路，也成为了当前工程领域的一大研究热点。

综上所述，在不改变结构特性的前提下搭建柔性结构的检测系统，分析结构的振动特性，对后续进行抑制的研究具有重要的实际工程意义。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种三层柔性关节多柔体耦合结构的振动测控装置及方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种三层柔性关节多柔.体耦合结构的振动测控装置，包括：

柔性结构，包括间隔距离设置的三层结构及中间轴，所述下层结构的外圈与中层结构的外圈通过刚性杆连接，所述中层结构的内圈与上层结构的内圈连接，三层结构均与中间轴连接，中间轴通过减速机与电机连接，电机驱动柔性结构运动；

所述下层结构包括相互连接的柔性圆环与下层柔性悬臂梁；

所述中层结构包括相互连接的刚性圆环及中层柔性梁；

所述上层结构包括相互连接的DNA状柔性圆环与上层柔性悬臂梁；

振动检测部分，用于检测柔性结构中上层柔性悬臂梁及下层柔性悬臂梁的振动信号；

驱动控制部分，根据检测的振动信号控制上层及下层柔性悬臂梁的振动。

进一步，上层柔性悬臂梁及下层柔性悬臂梁均为两根，下层柔性悬臂梁与上层柔性悬臂梁之间的投影夹角保持为90度。

进一步，所述振动检测部分包括压电传感器，分别设置在上层柔性悬臂梁及下层柔性悬臂梁上。

进一步，所述驱动控制部分包括压电驱动器、压电放大电路、电荷放大器、端子板、伺服电机驱动器、运动控制卡和计算机，压电驱动器设置于每一根柔性悬臂梁上，压电放大电路与压电驱动器连接，电荷放大器与压电传感器连接，压电放大电路、电荷放大器分别与端子板连接，计算机与运动控制卡连接；计算机接收压电传感器、的检测信号经过处理得到控制信号，通过运动控制卡及端子板输出到压电放大电路，通过压电驱动器控制每一根柔性悬臂梁的振动。

进一步，所述DNA状柔性圆环具体是外圈为螺旋线形状，螺距120mm，圈数为3圈，起始角度为270度。

进一步，所述压电传感器安装在上层柔性悬臂梁及下层柔性悬臂梁的宽度方向中心线，双面粘贴，每一个柔性悬臂梁各粘贴两片。

进一步，所述压电驱动器安装在四根柔性悬臂梁宽度方向中心线，且双面粘贴，每一根柔性悬臂梁各粘贴两片。

进一步，还包括阶梯轴和弹性挡圈用于对中层结构和上层结构的轴向限位。

进一步，所述柔性结构通过竖直方杆与试验台连接。

一种所述的振动测控装置的方法，包括：

步骤一：开始并初始化各部分装置，控制电机的转动和停止，使振动测控装置产生受迫振动；

步骤二：振动检测部分检测每一根柔性悬臂梁的振动；

步骤三：振动检测部分输入驱动控制部分，进行处理后得到控制信号，控制每一根柔性悬臂梁的振动

步骤四：通过改变电机转速与控制的参数，反复实验，获取多次实验结果，对比寻找最优控制参数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明通过合理的机械结构设计，将多根柔性梁固定在一起形成一个完整的机构，并进行耦合，信号经由计算机输入到伺服电机，进而控制电机的旋转与停止，当伺服电机停止运转时，由于转动惯量的影响，运动趋势仍然存在，因此整体结构有保持原有运动状态的趋势，而整体结构为柔性耦合结构，因此各部分运动状态不一致，这就导致振动的产生，具体表现为：上层结构外侧柔性悬臂梁的振动经圆盘传递给下方DNA状柔性结构，DNA状柔性结构再将振动量传递给联轴器，进而带动与之连接的中层结构的振动，即中层结构将联轴器传递来的振动量从内圈柔性连接结构传递到外圈，而外圈圆盘与底层结构外圈通过圆杆进行连接，因此底层结构外圈也被带动起来，进而带动底层结构外侧柔性梁的振动，有效地消除了其它不可控因素对于振动控制效果的影响。

(2)本发明采用压电传感器测量柔性梁的应变信息，能快速反应机械臂的多个低阶模态的振动信息，测量灵敏度好。

(3)本发明通过测量多个位置的多阶模态进行检测，相较于现有技术，其优势在于：系统结构简单，易于操作；可多点检测，减小实验误差，提高测量精度等。

附图说明

图1是本发明一种三层柔性关节多柔体耦合结构的振动测控装置的结构示意图；

图2是图1的正视图；

图3是图1的俯视图；

图4是图1的右视图；

图5是图2中电机的示意图；

图6是图2中下层结构的示意图；

图7是图2中中层结构的示意图；

图8是图2中上层结构的示意图；

图9是本发明的控制流程图。

图中示出：1—试验台，2—竖直方杆，3—电机，4—减速器，5—下层结构，6—法兰联轴器，7—刚性杆，8—中层结构，9—上层结构，10—压电传感器，11—压电驱动器，12—柔性悬臂梁，13—电荷放大器，14—压电放大电路，15—端子板，16—运动控制卡，17—计算机，18—伺服电机驱动器。

具体实施方式

下面结合实施例，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。

如图1-图5所示，一种三层柔性关节多柔体耦合结构的振动测控装置，包括：

柔性结构，包括间隔距离设置的三层结构及中间轴，所述三层结构包括上层结构9、中层结构8及下层结构5。所述下层结构的外圈与中层结构的外圈通过刚性杆7相连接，中层结构的内圈和上层结构的内圈直接连接；所述下层结构通过螺栓与中间轴连接，中层结构和上层结构通过轴承与中间轴连接，中间轴通过法兰联轴器6与减速器4和电机3相连接；所述的柔性结构通过竖直方杆2与试验台1固定连接，实际是指竖直放置的支撑结构与电机支架连接，保证了电机轴为竖直放置，进而保证整体结构沿竖直方向，因此柔性梁与试验台座表面为垂直的，即保证了柔性梁沿竖直方向，此布置可规避重力对柔性梁振动的影响，扰动仅为内部激励。

所述的试验台由铝型材和角件构成，并通过螺钉安装试验台板。

本实施例中的三层结构为三层柔性关节，三层柔性关节的设置目的是体现多种不同的柔性关节情况下的多柔性体耦合系统，提供这样复杂系统进行多体系统振动特性分析、测试与控制的系统平台。解决现有技术中的多体耦合系统的振动测控问题，多柔性关节及柔性体的复杂系统耦合振动特性的分析、测量与控制问题。

进一步说明：

下述中提及的柔性悬臂梁12包括上层柔性悬臂梁及下层柔性悬臂梁。

如图6所示，所述下层结构包括通过L型板接件连接的柔性圆环与下层柔性悬臂梁，所述下层柔性悬臂梁有两根，L型板接件与柔性圆环外侧面贴合，沿柔性圆环高度中线布置，且L型板接件对称轴线须过柔性圆环圆心，下层柔性悬臂梁再经两个对称布置的L型板接件进行固定，具体连接方式均为螺栓螺母连接，螺栓型号为M3X16，下层柔性悬臂梁开孔位置如下：8个孔沿柔性梁宽度轴线对称布置，每侧各4个，孔直径3mm，紧靠固定端的圆心距离固定端边缘11.5mm，此外长度方向每个圆心距离为9mm，宽度方向距离为6.5mm。

如图7所示，所述中层结构包括通过L型板接件连接的刚性圆环及中层柔性梁。所述中层柔性梁是指刚性圆环内部呈十字形布置的连接结构。

本实施例中，所述中层柔性梁具体为四根，结构尺寸相同，中层柔性梁具体参数为108mmX13mm，中层柔性梁两侧为L型板接件固定，具体连接方式为螺栓螺母连接，具体型号为M3X10。

如图8所示，所述上层结构包括通过L型板接件连接的DNA状柔性圆环与上层柔性悬臂梁；

本实施例中DNA状柔性圆环具体是：外圈直径为10mm，外圈为螺旋线形状，螺距120mm，圈数为3圈，起始角度为270度。螺旋线内侧为圆杆连接，直径2mm，俯视角度下，四根圆杆沿圆周对称布置，夹角为45度。

在DNA状柔性圆环的外圈对称位置设置上层柔性悬臂梁，上层悬臂梁与下层悬臂梁的安装方式一致，所需注意的是，下层柔性悬臂梁与上层柔性悬臂梁之间的投影夹角保持为90度，有利于振动耦合传递。

本实施例中，三层结构均为圆环状，其内径为280mm，外径为300mm，注意：上层结构圆环高度为50mm，中层结构圆环高度为12mm，底层圆环高度为50mm，以夹角为90度沿圆周方向对称开槽，槽深18.5mm，槽宽40mm。

本实施例中，试验台由三种长度分别为320mm、200mm、的铝型材组装而成，台面为一块400mm×400mm×16mm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。

本实施例中，电机选用三菱电机公司型号为HC-MF43的低惯性小容量电机，其功率和最大转速为400w和3000r/min；法兰减速器选用NEUGART公司的PLFN 90法兰减速器，电机法兰精度为DIN 42955-R其减速比为1:25。

振动检测部分：用于检测柔性结构中柔性悬臂梁的振动信号。

包括压电传感器10，设置在上层柔性悬臂梁及下层柔性悬臂梁。

具体设置为：压电传感器安装于柔性悬臂梁的宽度方向中心线且姿态角为0°，双面粘贴，每一个柔性悬臂梁各粘贴两片，压电传感器共计8片。

驱动控制部分：包括压电驱动器11、压电放大电路14、电荷放大器13、端子板15、伺服电机驱动器18、运动控制卡16和计算机17，压电驱动器11设置于每一根柔性悬臂梁上，压电放大电路14与压电驱动器11连接，电荷放大器13与压电传感器10连接，压电放大电路14、电荷放大器13分别与端子板15连接，计算机17与运动控制卡16连接；计算机17接收压电传感器10的检测信号经过处理得到控制信号，通过运动控制卡16及端子板15输出到压电放大电路14，通过压电驱动器11控制每一根柔性悬臂梁的振动。

进一步，

压电驱动器11安装于四个柔性悬臂梁的宽度方向中心线且与压电传感器10距离为15mm，姿态角为0°，双面粘贴，每一个柔性悬臂梁各粘贴两片，压电传感器共计8片。

本装置电机3转动通过减速器4减速后带动整个装置进行转动，电机3停止转动时柔性结构产生振动。

通过控制电机的不同转速，以模拟不同条件下振动测控装置的工作状态和对产生的振动进行控制。

另外，本实施例中层结构和上层结构的轴向限位通过阶梯轴和弹性挡圈实现。

如图9所示，本装置的控制过程，包括如下步骤：

步骤一：开始并初始化各部分装置，控制电机3的转动和停止，使振动测控装置产生受迫振动；

步骤二：压电传感器10检测每一根柔性悬臂梁的振动；

步骤三：压电传感器10的检测信号经过电荷放大器13和端子板15的传输，通过运动控制卡16输入计算机17；

步骤四：计算机17对压电传感器10的检测信号进行处理得到控制信号，经过运动控制卡16和端子板15输出到压电放大电路14，通过压电驱动器控制每一根柔性悬臂梁的振动；

步骤五：通过改变电机转速与控制的参数，反复实验，获取多次实验结果，对比寻找最优控制参数。

图2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。

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。