專利名稱：一種基于瓦形壓電片的智能扭振控制桿的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及抑制扭振控制裝置，是一種基于瓦形壓電片的智能扭振控制桿。
背景技術(shù)：
在復(fù)雜激勵(lì)力作用下，許多構(gòu)件往往會(huì)產(chǎn)生軸向伸縮振動(dòng)，彎曲振動(dòng)，甚至扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。由于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(shí)現(xiàn)輕型化、低剛度和柔性化設(shè)計(jì)，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(yán)重的危害性。例如，空間機(jī)器人的操縱臂、空間站上展開的太陽能帆板的支架(長可達(dá)幾十米，寬幾米)、口徑達(dá)十幾米的拋物面天線、射電望遠(yuǎn)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(diǎn)點(diǎn)擾動(dòng)，就極易引起扭振共振。扭振的出現(xiàn)將會(huì)影響機(jī)器人操縱臂控制精度的下降，望遠(yuǎn)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(dòng)的衰減將是極其緩慢的。
與其他的振動(dòng)控制一樣，對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)控制一般也可分為被動(dòng)式控制和主動(dòng)式控制。被動(dòng)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(diǎn)，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(dòng)信號(hào)，對(duì)低頻率振動(dòng)信號(hào)抑制效果不理想。主動(dòng)式控制采取對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)實(shí)行閉環(huán)校正，通過外界能量的輸入來抑制振動(dòng)，因此在復(fù)合激勵(lì)環(huán)境下具有較強(qiáng)的抗干擾能力，尤其對(duì)低頻振動(dòng)信號(hào)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(dòng)振動(dòng)控制方式的精密隔振平臺(tái)、柔性板梁等實(shí)例已有大量報(bào)道，但是對(duì)扭振進(jìn)行振動(dòng)主動(dòng)控制的報(bào)道相對(duì)較少，主要原因是適合于主動(dòng)控制用的扭振驅(qū)動(dòng)器極少，當(dāng)今在主動(dòng)振動(dòng)控制中應(yīng)用已較廣泛技術(shù)較成熟的驅(qū)動(dòng)器如伺服氣(液)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器、電磁驅(qū)動(dòng)器、超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器(GMA)，基于形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)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(bào)道的文獻(xiàn)看，對(duì)扭振進(jìn)行主動(dòng)控制的主要有一種是采用特制的電磁驅(qū)動(dòng)式電機(jī)作為扭振驅(qū)動(dòng)器對(duì)軸進(jìn)行扭振主動(dòng)控制；一種是采用離心擺錘振動(dòng)吸振器，通過主動(dòng)調(diào)節(jié)擺的諧振頻率和路徑設(shè)計(jì)來主動(dòng)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(dòng)改變液體的阻尼來主動(dòng)抑制扭振。但分析上述提及的驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于瓦形壓電片的智能扭振控制桿，通過桿上的傳感器自感知到的扭振信號(hào)經(jīng)反相放大送入同一桿上的壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生一個(gè)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)反相的扭轉(zhuǎn)力矩抑制其振動(dòng)。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種基于瓦形壓電片的智能扭振控制桿包括空心圓桿，壓電傳感器，壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，分別裝在空心圓桿兩端的二塊連接塊；在裝有連接塊一端的空心圓桿端部外表面向空心圓桿方向依次安裝有壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器和壓電傳感器。
所說的壓電傳感器和壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器均由數(shù)個(gè)兩側(cè)面涂覆銀電極的采用厚度切變振動(dòng)極化模式的瓦形壓電片分別按相同的極化方向粘接成一圓環(huán)，粘貼在靠近空心圓桿的端部。
當(dāng)連接端相對(duì)于連接端有扭轉(zhuǎn)變形或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，傳感器檢測到信號(hào)經(jīng)反相放大送入壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生一個(gè)與扭轉(zhuǎn)變形反相的扭轉(zhuǎn)力矩抑制其變形或振動(dòng)。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1)結(jié)構(gòu)簡單緊湊由于采用了薄片型的壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，因此該控制桿與一般的圓桿結(jié)構(gòu)基本一致，無其它附加結(jié)構(gòu)，因此在使用時(shí)非常方便。由于壓電材料具有單位體積輸出扭矩大的特點(diǎn)，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(dòng)，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(dòng)變形量成比例關(guān)系，因此控制容易，精度高；3)適應(yīng)范圍寬由于該控制桿具有自感知自驅(qū)動(dòng)控制的智能特點(diǎn)，在外界的復(fù)合激勵(lì)下能夠達(dá)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(diǎn)非常有利于空間對(duì)磁場有特殊要求的場合。
它可廣泛用于空間機(jī)器人的操作桿，用于桁架結(jié)構(gòu)中的基本單元以及對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)需進(jìn)行抑(隔)振的主動(dòng)振動(dòng)控制領(lǐng)域。


圖1是本發(fā)明的剖面圖；圖2是壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器和傳感器布置的立體示意圖；圖3是一片瓦形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器示意圖；圖4是本發(fā)明系統(tǒng)工作原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，它包括空心圓桿4，壓電傳感器3，壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器2，分別裝在空心圓桿4兩端的二塊連接塊1、5；在裝有連接塊一端的空心圓桿端部外表面向空心圓桿方向依次安裝有壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器2和壓電傳感器3。
本發(fā)明采用厚度切變振動(dòng)極化模式即機(jī)電耦合系數(shù)為K15(壓電常數(shù)d15)的壓電材料作為驅(qū)動(dòng)器，設(shè)計(jì)了一種基于瓦形壓電片的智能扭振控制桿。如圖1所示，壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器2和壓電傳感器3通過膠粘劑直接粘貼于與空心圓桿4外表面，壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器2粘貼的位置盡量接近空心圓桿的端部，這樣產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩效果最佳。壓電傳感器3粘貼的位置在壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器上方，且盡量接近，因?yàn)檫@樣傳感器可感受到的信號(hào)更大，且由于桿的扭轉(zhuǎn)變形量與傳感器的應(yīng)變電荷量成線性關(guān)系，因此傳感器的輸出信號(hào)大小與桿端部的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)位移大小成正比關(guān)系。連接塊1和連接塊5通過強(qiáng)力膠粘劑或焊接方式分別聯(lián)接在空心圓桿4的兩端，并可以根據(jù)外部不同的連接對(duì)象設(shè)計(jì)成不同的結(jié)構(gòu)，如螺紋，花鍵連接等。
如圖2和圖3所示，對(duì)壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器2和壓電傳感器3的構(gòu)造進(jìn)行說明整個(gè)驅(qū)動(dòng)器和傳感器由若干個(gè)采用厚度切變振動(dòng)極化模式的瓦形壓電片6粘接而成。其制造工藝如下首先將每個(gè)瓦形壓電片6(以下簡稱瓦片)按如下方式極化，在每一瓦片的兩側(cè)面涂覆銀電極，把瓦片置于硅油中，在加熱條件下，加上2～3kV/mm的直流偏壓對(duì)壓電片進(jìn)行極化，8為極化面(瓦片左右側(cè)面)。然后采用環(huán)氧型粘接劑將瓦片按相同的極化方向(圖中箭頭表示極化方向)直接粘貼在空心圓桿4的外表面成一圓環(huán)，并從瓦片的電極面7兩端面(瓦片上下面)引出電極。瓦片的內(nèi)徑等于空心圓桿的外徑。另外需要指出的是制造時(shí)所分瓦片越多，切向極化越均勻，但相應(yīng)粘接變得復(fù)雜，若所分瓦片較少，則要求極化電壓高且極化不均勻，因此需要根據(jù)空心圓桿4的外徑大小決定瓦片的合適數(shù)目。根據(jù)以上制成的壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)向其兩電極端面加上電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)器的兩端面間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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)控制桿的連接塊1固定不動(dòng)時(shí)，通過對(duì)壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器施加電壓，相當(dāng)于在空心圓桿4的靠近壓電驅(qū)動(dòng)器的端部施加了一個(gè)扭轉(zhuǎn)力矩。
如圖4所示，為控制桿進(jìn)行扭振主動(dòng)抑振系統(tǒng)的工作原理圖。因?yàn)榭刂茥U往往與其它構(gòu)件連接一起使用，例如，當(dāng)此控制桿用作多臂機(jī)器人的操作臂時(shí)，一般在連接塊5處會(huì)裝上關(guān)節(jié)電機(jī)，此關(guān)節(jié)電機(jī)再驅(qū)動(dòng)下一操作臂，當(dāng)此臂在抓取或搬運(yùn)物體時(shí)，必然會(huì)產(chǎn)生一個(gè)扭矩作用于控制桿上，當(dāng)此扭矩發(fā)生變化時(shí)常易引起控制桿的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，特別當(dāng)控制桿的一階扭振頻率較低時(shí)，極易引起一階扭振諧振。這時(shí)機(jī)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(dòng)引起的位移，因而使機(jī)器人的操作精度下降。如果能在控制桿的另一端連接塊1處施加一個(gè)與上述引起扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)的干擾扭矩時(shí)刻反相的控制扭矩，則就可以減小控制桿扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的幅值，提高機(jī)器人的操作精度。因此，根據(jù)圖4所示，當(dāng)控制桿受到外界干擾力時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時(shí)，傳感器3將會(huì)感受到變形振動(dòng)信號(hào)并將振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并經(jīng)信號(hào)放大器放大送入A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器作用是把電信號(hào)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(hào)，D/A模數(shù)轉(zhuǎn)換器把控制信號(hào)由數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，因?yàn)檫@時(shí)的信號(hào)比較微弱不足以去驅(qū)動(dòng)壓電驅(qū)動(dòng)器，所以還必須經(jīng)過一個(gè)功率放大電路。經(jīng)過放大的控制信號(hào)輸入壓電驅(qū)動(dòng)器內(nèi)使驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩，抵消了外界的扭轉(zhuǎn)變形和振動(dòng)，從而達(dá)到減小扭振的幅度或使其快速衰減。
控制器可以采用PC機(jī)或其它單片機(jī)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
1.一種基于瓦形壓電片的智能扭振控制桿，其特征在于它包括空心圓桿(4)，壓電傳感器(3)，壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器(2)，分別裝在空心圓桿(4)兩端的二塊連接塊(1)、(5)；在裝有連接塊一端的空心圓桿端部外表面向空心圓桿方向依次安裝有壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器(2)和壓電傳感器(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于瓦形壓電片的智能扭振控制桿，其特征在于所說的壓電傳感器(3)和壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器(2)均由數(shù)個(gè)兩側(cè)面涂覆銀電極的采用厚度切變振動(dòng)極化模式的瓦形壓電片(6)分別按相同的極化方向粘接成一圓環(huán)，粘貼在靠近空心圓桿(4)的端部。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于瓦形壓電片的智能扭振控制桿?？招膱A桿的兩端分別裝有可與其它構(gòu)件相固連的連接塊，在裝有連接塊一端的空心圓桿端部外表面向空心圓桿方向依次安裝有壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器和壓電傳感器。當(dāng)連接端一端相對(duì)于另一連接端一端有扭轉(zhuǎn)變形或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生時(shí)，壓電傳感器檢測到信號(hào)經(jīng)反相放大送入壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生一個(gè)與扭轉(zhuǎn)變形反相的扭轉(zhuǎn)力矩抑制其變形或振動(dòng)。該桿集傳感與驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。它可廣泛用于空間機(jī)器人的操作桿、桁架結(jié)構(gòu)中的基本單元以及對(duì)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)需進(jìn)行抑(隔)振的主動(dòng)振動(dòng)控制領(lǐng)域。
文檔編號(hào)F16F15/03GK1448643SQ03116218
公開日2003年10月15日 申請(qǐng)日期2003年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月3日
發(fā)明者魏燕定, 呂永桂 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)