專利名稱：一種中心轉(zhuǎn)動的鉸接柔性板結(jié)構(gòu)振動測量裝置與控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空間柔性結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，特別涉及一種中心轉(zhuǎn)動的鉸接柔性板結(jié)構(gòu)振動測量裝置與控制方法。
背景技術(shù)：
航天器中大量使用大型柔性結(jié)構(gòu)，如太陽帆板等，采用超輕、超薄的材料，這是為了提高運載工具的效率和降低發(fā)射成本，增加有效載荷的重量。航天器上的太陽翼等柔性附件可視為以鉸鏈作為連接器構(gòu)成的鉸接結(jié)構(gòu)。在航天器運輸和發(fā)射過程中，太陽電池陣收攏并壓緊在衛(wèi)星表面；入軌后，太陽電池陣通過盤簧產(chǎn)生的力矩自動展開到位并鎖定。在系統(tǒng)調(diào)整姿態(tài)、變軌、以及外部擾動的影響等將不可避免地帶來鉸接柔性板結(jié)構(gòu)的振動問題。如果對振動不進行有效地抑制，其低頻大幅值振動將持續(xù)很長時間，這將影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和指向精度，甚至導(dǎo)致設(shè)備的疲勞破壞。特別在太空條件下，無空氣阻尼， 所以阻尼弱，大型柔性結(jié)構(gòu)和柔性機械臂的振動更加難以控制。因此空間鉸接柔性板結(jié)構(gòu)振動檢測和控制是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。

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，提供一種中心轉(zhuǎn)動的鉸接柔性板結(jié)構(gòu)振動測量裝置與控制方法。該發(fā)明的另一個目的是給出一種中心轉(zhuǎn)動的鉸接柔性板結(jié)構(gòu)振動測量和控制復(fù)雜試驗裝置，為研究鉸接柔性板結(jié)構(gòu)振動測量和控制提供平臺。為達到上述目的，本發(fā)明采用如下的方法和技術(shù)方案
一種中心轉(zhuǎn)動的鉸接柔性板結(jié)構(gòu)振動測量裝置，該裝置包括中心轉(zhuǎn)動鉸接板本體部分、檢測及驅(qū)動部分和控制部分
——中心轉(zhuǎn)動鉸接板本體部分包括
轉(zhuǎn)動中心剛體2通過軸承支撐固定在基座1上，可相對基座1自由轉(zhuǎn)動，三角架I 3、三角架II 4分別安裝在轉(zhuǎn)動中心剛體2的兩側(cè)，矩形柔性板I 7、矩形柔性板IIIM分別固定在三角架I 3、三角架II 4上，柔性板I 7、柔性板II 12通過鉸鏈I 9和鉸鏈II 16連接，柔性板III M、柔性板IV 30通過鉸鏈III 27和鉸鏈IV 35連接；
CXD相機I 20和CXD相機II 22通過相機支架21安裝在轉(zhuǎn)動中心剛體2上，可隨著轉(zhuǎn)動中心剛體2轉(zhuǎn)動，兩個相機的鏡頭分別對準(zhǔn)兩組鉸接板；
電阻應(yīng)變片I 6、電阻應(yīng)變片ΥΠ 37分別粘貼在柔性板I 7、柔性板III M在長度方向的三角架的一側(cè)，在寬度方向的中線處；壓電片驅(qū)動器IV 19、壓電片驅(qū)動器I 5分別粘貼在柔性板I 7在長度方向三角架I 3的一側(cè)，在寬度方向的中線兩側(cè)的對稱位置；壓電片驅(qū)動器 V 23、壓電片驅(qū)動器VDI38分別粘貼在柔性板IIU4的長度方向三角架II 4的一側(cè)，在寬度方向的中線兩側(cè)的對稱位置；電阻應(yīng)變片V 32粘貼在柔性板IV 30的中心位置；
壓電片驅(qū)動器II 10、電阻應(yīng)變片II 11粘貼在柔性板II 12上鉸鏈I 9的左側(cè)；壓電片驅(qū)動器III 15、電阻應(yīng)變片III 14粘貼在柔性板II 12上鉸鏈II 16的左側(cè)；壓電片驅(qū)動器VI 28、電阻應(yīng)變片IV 29粘貼在柔性板IV 30上鉸鏈III 27的右側(cè)；壓電片驅(qū)動器ΥΠ 34、電阻應(yīng)變片VI 33粘貼在柔性板IV 30上鉸鏈IV 35的右側(cè)；
加速度傳感器I 13、加速度傳感器II 18分別安裝在柔性板II 12和柔性板I 7長度方向的另一側(cè)，寬度方向的中線位置；
加速度傳感器IV 31、加速度傳感器III26分別安裝在柔性板IV 30和柔性板III24長度方向的另一側(cè)，寬度方向的中線位置；
壓電堆驅(qū)動器I 8、壓電堆驅(qū)動器II 17連接柔性板I 7和柔性板II 12;SMA驅(qū)動器 I 25、SMA驅(qū)動器II 36連接柔性板III 24和柔性板IV 30 ； ——檢測及驅(qū)動部分包括
檢測部分C⑶相機I 20和C⑶相機II 22分別通過邊緣檢測兩側(cè)鉸接柔性板的振動； 電阻應(yīng)變片I 6、電阻應(yīng)變片II 11、電阻應(yīng)變片III 14、電阻應(yīng)變片IV 29、電阻應(yīng)變片傳感器 V 32、電阻應(yīng)變片傳感器VI 33、電阻應(yīng)變片Vn 37可用作應(yīng)變式傳感器檢測柔性板的振動； 加速度傳感器I 13、加速度傳感器II 18、加速度傳感器111 、加速度傳感器IV 31、也可分別用來檢測鉸接柔性板的振動；
驅(qū)動部分包括壓電片驅(qū)動器系統(tǒng)、壓電堆驅(qū)動器驅(qū)動系統(tǒng)和SMA驅(qū)動系統(tǒng)，用于抑制振動；
——控制部分，用于處理檢測到的柔性板I 7、柔性板II 12，以及柔性板III M、柔性板 IV 30的振動信號，并做出相應(yīng)的處理。所述壓電片驅(qū)動器I 5和壓電片驅(qū)動器IV 19各由2片壓電片構(gòu)成，并分別在柔性板I 7的兩面對稱粘貼，每面2片且并聯(lián)連接；
壓電片驅(qū)動器II 10和壓電片驅(qū)動器III 15各由2片壓電片構(gòu)成，并分別在柔性板II 12 的兩面對稱粘貼，每面2片且并聯(lián)連接；
壓電片驅(qū)動器V 23和壓電片驅(qū)動器VDI 38各由2片壓電片構(gòu)成，并分別在柔性板III 24 的兩面對稱粘貼，每面2片且并聯(lián)連接；
壓電片驅(qū)動器VI 28和壓電片驅(qū)動器ΥΠ 34各由2片壓電片構(gòu)成，分別在柔性板IV 30的兩面對稱粘貼，每面2片且并聯(lián)連接；
所述電阻應(yīng)變片I 6、電阻應(yīng)變片II 11、電阻應(yīng)變片III 14、電阻應(yīng)變片IV 29、電阻應(yīng)變片V 32、電阻應(yīng)變片傳感器VI 33、電阻應(yīng)變片ΥΠ 37各為1片，分別粘貼在柔性板I 7、柔性板II 12、柔性板IV 30、柔性板III M上。所述的檢測部分包括CCD相機視覺檢測系統(tǒng)，加速度傳感器檢測和電阻應(yīng)變片傳感器檢測系統(tǒng)
—CXD相機I 20和CXD相機II 22分別檢測轉(zhuǎn)動中心剛體兩側(cè)的鉸接柔性板的邊緣振動信號，輸入到工控計算機41處理；
——加速度傳感器I 13、加速度傳感器II 18、加速度傳感器IV 31、加速度傳感器111 也可用來檢測柔性鉸接板的振動信息，其檢測的信號經(jīng)過多路低頻電荷放大器46后，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換卡40輸入到工控計算機41處理；
——電阻應(yīng)變片I 6、電阻應(yīng)變片II 11、電阻應(yīng)變片III 14、電阻應(yīng)變片IV 29、電阻應(yīng)變片V 32、電阻應(yīng)變片VI 33、電阻應(yīng)變片ΥΠ 37檢測到振動的應(yīng)變信號經(jīng)過動態(tài)應(yīng)變儀39后， 再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換卡40輸入到工控計算機41處理。
所述的驅(qū)動部分包括壓電片驅(qū)動器系統(tǒng)、壓電堆驅(qū)動器驅(qū)動系統(tǒng)和SMA驅(qū)動系統(tǒng)
——通過傳感器檢測到的振動信號，經(jīng)由工控計算機41處理后輸入到D/A轉(zhuǎn)換及I/O 卡42，再經(jīng)過多通道壓電放大電路43后輸出到壓電堆驅(qū)動器I 8、壓電堆驅(qū)動器II 17，用于抑制鉸鏈I 9、鉸鏈II 16引起柔性板I 7、柔性板II 12的振動；
——通過傳感器檢測到的振動信號，經(jīng)由工控計算機41處理后輸入到D/A轉(zhuǎn)換及I/O 卡42，再經(jīng)過多通道壓電放大電路43后輸出到壓電片驅(qū)動器I 5和壓電片驅(qū)動器IV 19、壓電片驅(qū)動器II 10和壓電片驅(qū)動器III 15、壓電片驅(qū)動器V 23和壓電片驅(qū)動器VDI 38、壓電片驅(qū)動器VI 28和壓電片驅(qū)動器ΥΠ 34，用于抑制柔性板I 7、柔性板II 12、柔性板III Μ、柔性板 IV 30引起的振動；
——通過傳感器檢測到的振動信號，經(jīng)由工控計算機41處理后輸入到D/A轉(zhuǎn)換及I/O 卡42，并產(chǎn)生控制信號控制開關(guān)驅(qū)動電路45的開啟和關(guān)閉，SMA驅(qū)動電源44驅(qū)動SMA驅(qū)動器I 25、SMA驅(qū)動器II 36，用于抑制柔性板III 24和柔性板IV 30引起的振動。所述裝置進行中心轉(zhuǎn)動的鉸接柔性板結(jié)構(gòu)振動測量的控制方法，包括如下步驟 第一步利用相應(yīng)檢測元件檢測兩個鉸接板的振動信號；
第二步將步驟一檢測的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換卡40后輸入到工控計算機41進行處理，或者由CCD相機檢測的振動信號進入工控計算機41進行處理，并得到相應(yīng)的反饋信號；
第三步將步驟二得到的反饋信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換及I/O卡42后，分別經(jīng)過相應(yīng)的放大電路后分別輸入到壓電片驅(qū)動器、壓電堆驅(qū)動器和SMA驅(qū)動器，抑制鉸鏈、柔性板的振動。所述控制方法為多通道的檢測和控制。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點和有益效果
(1)本裝置中心轉(zhuǎn)動鉸接柔性板結(jié)構(gòu)為剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)，可以模擬航天器結(jié)構(gòu)的自由姿態(tài)轉(zhuǎn)動，還可以體現(xiàn)柔性板之間通過鉸鏈連接的情況，研究該剛?cè)狁詈辖Y(jié)構(gòu)的動力學(xué)對研究空間鉸接柔性結(jié)構(gòu)有意義。(2)本裝置為多傳感器系統(tǒng)，既有CCD相機視覺檢測，又有分布式電阻應(yīng)變式傳感器，還有加速度傳感器，可以通過多傳感器信息融合進行中心轉(zhuǎn)動的多體柔性鉸接板結(jié)構(gòu)的振動進行辨識研究，可以分析鉸鏈連接對系統(tǒng)動力學(xué)特性的影響。(3)本裝置為多驅(qū)動器控制系統(tǒng)，既有分布式壓電片驅(qū)動器，又有壓電堆驅(qū)動器和 SMA驅(qū)動器，利用該裝置可以很好地模擬空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動特性，進行多驅(qū)動器復(fù)合控制研究。(4)本中心轉(zhuǎn)動鉸接柔性板裝置是一個多通道的輸入一輸出的檢測和控制系統(tǒng)， 而且各控制之間相互耦合，利用該裝置可以很好地模擬空間柔性多體復(fù)雜柔性結(jié)構(gòu)的動力學(xué)和振動控制研究。


圖1是本發(fā)明的柔性機械臂裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中示出1 一基座，2—轉(zhuǎn)動中心剛體，3—三角架I，4一三角架II，5—壓電片驅(qū)動器I，6—電阻應(yīng)變片I，7—柔性板I，8—壓電堆驅(qū)動器I，9一鉸鏈I，10—壓電片驅(qū)動器II，11一電阻應(yīng)變片II，12—柔性板II，13—加速度傳感器I，14一電阻應(yīng)變片III，15—壓電片驅(qū)動器III，16—鉸鏈II，17—壓電堆驅(qū)動器II，18—加速度傳感器II，19一壓電片驅(qū)動器IV，20—CCD相機I，21—CCD相機支架，22—CCD相機II，23—壓電片驅(qū)動器V，24—柔性板III，25—SMA驅(qū)動器I，加速度傳感器III，27—鉸鏈III，沘一壓電片驅(qū)動器VI，四一電阻應(yīng)變片IV，30—柔性板IV，31—加速度傳感器IV，32—電阻應(yīng)變片V，33—電阻應(yīng)變片VI， 34—壓電片驅(qū)動器VL ；35—鉸鏈IV，36—SMA驅(qū)動器II，37—電阻應(yīng)變片VL 38—壓電片驅(qū)動器通，39—動態(tài)應(yīng)變儀，40—A/D轉(zhuǎn)換卡，41一工控計算機，42—D/A轉(zhuǎn)換及I/O卡，43—壓電放大電路，44—SMA驅(qū)動電源，45—開關(guān)驅(qū)動電路，46—低頻多路電荷放大器。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明，但本發(fā)明的實施不限于此。 實施例如圖1所示，轉(zhuǎn)動中心剛體2通過軸承支撐固定在基座1上，可相對基座1自由轉(zhuǎn)動，三角架I 3、三角架II 4分別安裝在轉(zhuǎn)動中心剛體2的兩側(cè)，矩形柔性板I 7、矩形柔性板III M分別固定在三角架I 3、三角架II 4上，柔性板I 7、柔性板II 12通過鉸鏈I 9和鉸鏈II 16連接，柔性板III對、柔性板IV 30通過鉸鏈III 27和鉸鏈IV 35連接；
CXD相機I 20和CXD相機II 22通過相機支架21安裝在轉(zhuǎn)動中心剛體2上，可隨著轉(zhuǎn)動中心剛體2轉(zhuǎn)動，兩個相機的鏡頭分別對準(zhǔn)兩組鉸接板，分別用來檢測兩側(cè)柔性鉸接板的振動；
電阻應(yīng)變片I 6、電阻應(yīng)變片ΥΠ 37、分別粘貼在柔性板I 7和柔性板III M在長度方向三角架的一側(cè)，在寬度方向的中線位置處；壓電片驅(qū)動器IV 19和壓電片驅(qū)動器I 5粘貼在柔性板I 7在長度方向三角架I 3的一側(cè)，在寬度方向的在柔性板I 7中線兩側(cè)的對稱位置分布；壓電片驅(qū)動器V 23和壓電片驅(qū)動器VDI 38粘貼在柔性板III 24在長度方向三角架 II 4的一側(cè)，在寬度方向的在柔性板IIIM中線兩側(cè)的對稱位置分布；電阻應(yīng)變片V 32粘貼在柔性板IV 30的中心位置。壓電片驅(qū)動器II 10、電阻應(yīng)變片II 11粘貼在柔性板II 12上鉸鏈I 9的左側(cè)；壓電片驅(qū)動器III15、電阻應(yīng)變片III 14粘貼在柔性板II 12上鉸鏈II 16的左側(cè)；壓電片驅(qū)動器 VI 28、電阻應(yīng)變片IV 29粘貼在柔性板IV 30上鉸鏈III 27右側(cè)；壓電片驅(qū)動器ΥΠ 34、電阻應(yīng)變片VI 33粘貼在柔性板IV 30上鉸鏈IV 35右側(cè)；壓電片驅(qū)動器I 5和壓電片驅(qū)動器IV 19、 壓電片驅(qū)動器II 10和壓電片驅(qū)動器III 15、壓電片驅(qū)動器V M和壓電片驅(qū)動器VDI 38、壓電片驅(qū)動器VI^和壓電片驅(qū)動器ΥΠ 34各由2片壓電片分別在柔性板I 7、柔性板II 12、柔性板III 24和柔性板IV 30的兩面對稱粘貼，每面2片且并聯(lián)連接；電阻應(yīng)變片I 6、電阻應(yīng)變片II 11、電阻應(yīng)變片III 14、電阻應(yīng)變片IV 29、電阻應(yīng)變片V 32、電阻應(yīng)變片VI 33、電阻應(yīng)變片ΥΠ37、各為1片。加速度傳感器I 13、加速度傳感器II 18分別安裝在柔性板II 12和柔性板I 7長度方向的另一端，寬度方向的中線位置；
加速度傳感器IV 31和加速度傳感器III 26分別安裝在柔性板IV 30和柔性板III 24長度方向的另一側(cè)，寬度方向的中線位置；
壓電堆驅(qū)動器I 8和壓電堆驅(qū)動器II 17連接柔性板I 7和柔性板II 12;SMA驅(qū)動器I25和SMA驅(qū)動器II 36連接柔性板III 24和柔性板IV 30 ；
鉸接柔性板的振動檢測實施方式可采用CCD相機I 20和CCD相機II 22分別通過邊緣檢測兩側(cè)鉸接柔性板的振動信號，進入工控計算機41經(jīng)過圖像處理程序后得到振動信息； 也可采用電阻應(yīng)變片I 6、電阻應(yīng)變片II 11、電阻應(yīng)變片III 14、電阻應(yīng)變片IV 29、電阻應(yīng)變片V 32、電阻應(yīng)變片VI 33、電阻應(yīng)變片ΥΠ 37可用作應(yīng)變式傳感器檢測鉸接柔性板的振動， 其檢測到振動的應(yīng)變信號經(jīng)過多通道動態(tài)應(yīng)變儀39后，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換卡40輸入到工控計算機41處理；還可以采用加速度傳感器I 13、加速度傳感器II 18、加速度傳感器III沈、 加速度傳感器IV 31、也可分別用來檢測鉸接柔性板的振動，其檢測的信號經(jīng)過多路低頻電荷放大器46后，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換卡40輸入到工控計算機41處理；
控制部分和伺服驅(qū)動部分，用于處理檢測到的柔性板I 7、柔性板II 12，以及柔性板 III對、柔性板IV 30的振動，經(jīng)過工控計算機41處理后，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換及I/O卡42后，再經(jīng)過多通道壓電放大電路43后分別輸出到壓電片驅(qū)動器I 5、壓電片驅(qū)動器II 10、壓電片驅(qū)動器III15、壓電片驅(qū)動器IV 19、壓電片驅(qū)動器V 23、壓電片驅(qū)動器VI^、壓電片驅(qū)動器ΥΠ34 和壓電片驅(qū)動器VDI 38用來作為應(yīng)變驅(qū)動器；或者輸出到壓電堆驅(qū)動器I 8、壓電堆驅(qū)動器
II17可用來抑制因為鉸鏈I 9、鉸鏈II 16引起的振動。還可以將處理的信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換及I/O卡42后，控制開關(guān)驅(qū)動電路45的開啟和關(guān)閉SMA驅(qū)動電源44驅(qū)動SMA驅(qū)動器 I 25、SMA驅(qū)動器II 36，從而進行柔性鉸接板III 24和柔性板IV 30的振動抑制。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。在本實施例中，柔性板I 7、柔性板II 12、柔性板III 24和柔性板IV 30的材料可選環(huán)氧樹脂材料薄板，其幾何尺寸可選640mmX480mmX2mm，即長度為640mm，寬度為480mm， 厚度為2mm。C⑶相機I 20和C⑶相機II 21可選用型號為21BU04，采樣頻率60Hz，輸出圖像大小為480 X 640，感光度0. llx，通過USB接口與計算機連接。鏡頭型號M1614-MP2， 焦距f =16mm。光源型號MIC-210/40，燈光顏色為白色。控制計算機CPU型號AMD Athlon (tm) II X2 220，主頻2.8GHz。多路A/D數(shù)據(jù)采集控制卡40，型號為PCI-1800H ;D/A轉(zhuǎn)換及I/O卡42可選研華型號為PCI-1723的模擬量輸出及I/O卡，插入計算機PCI插槽。CXD 相機用來檢測鉸接柔性板邊緣的振動信息。本實例中壓電片驅(qū)動器I 5、壓電片驅(qū)動器II 10、壓電片驅(qū)動器III 15、壓電片驅(qū)動器IV 19、壓電片驅(qū)動器V 23、壓電片驅(qū)動器VI觀、壓電片驅(qū)動器ΥΠ 34和壓電片驅(qū)動器VDI 38 為壓電陶瓷片，幾何尺寸為50 mmX20 mm X 1mm，壓電陶瓷材料的彈性模量為&e=63GPa， d31= -166 pm/V;用來作為應(yīng)變驅(qū)動器。壓電片驅(qū)動器I 5、壓電片驅(qū)動器IV 19在柔性板 I 7的固定端附近，在長度方向上距離固定端2. 5 cm，在寬度方向上距離柔性板邊緣的距離為10 cm ；壓電片驅(qū)動器V 23、壓電片驅(qū)動器VDI 38在柔性板III 24的固定端附近，在長度方向上距離固定端2. 5 cm，在寬度方向上距離柔性板邊緣的距離分別為10 cm；
壓電片驅(qū)動器III 15粘貼在柔性板II 12上鉸鏈II 16的左側(cè)，壓電片驅(qū)動器II 10粘貼在柔性板II 12上鉸鏈I 9的左側(cè)；壓電片驅(qū)動器VI 28粘貼在柔性板IV 30上鉸鏈III 27的右側(cè)，壓電片驅(qū)動器VD 34粘貼在柔性板IV 30鉸鏈IV 35的右側(cè)。電阻應(yīng)變片I 6、電阻應(yīng)變片II 11、電阻應(yīng)變片III 14、電阻應(yīng)變片IV 29、電阻應(yīng)變片V 32和電阻應(yīng)變片VI 33、電阻應(yīng)變片ΥΠ 37可選用BHF系列的ΒΧ120-2ΑΑ型電阻應(yīng)變儀。 電阻應(yīng)變片I 6和電阻應(yīng)變片ΥΠ 37分別在柔性板I 7和柔性板III 24長度方向距離固定端3. 5 cm，寬度方向的中線位置。電阻應(yīng)變片III 14粘貼在柔性板II 12靠近壓電片驅(qū)動器 III15的附近，電阻應(yīng)變片II 11粘貼在柔性板II 12靠近壓電片驅(qū)動器II 10的附近；電阻應(yīng)變片IV 29粘貼在柔性板IV 30靠近壓電片驅(qū)動器VI 28的附近，電阻應(yīng)變片VI 33粘貼在柔性板IV 30靠近壓電片驅(qū)動器ΥΠ 34的附近；電阻應(yīng)變片V 32粘貼在柔性板IV 30的中心位置。加速度傳感器I 13、加速度傳感器II 18、加速度傳感器111 和加速度傳感器IV 31 可選用江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的壓電式加速度傳感器，型號為CA-YD-117 ；低頻電荷放大器46可選用江蘇聯(lián)能電子有限公司的YE5850型電荷放大器，共4只，分別放大壓電式加速度傳感器I 13、加速度傳感器II 18、加速度傳感器111 和加速度傳感器IV 31檢測的電荷信號，之后經(jīng)過多路A/D數(shù)據(jù)采集控制卡40后，進入工控計算機41處理。本實例中壓電堆驅(qū)動器II 17和壓電堆驅(qū)動器I 8可選江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的疊層式壓電驅(qū)動器，型號為QDS5X5-95，其可在壓電陶瓷放大器輸出的直流電壓控制下沿長度方向伸縮，具有位移分辨率高可達到納米級、驅(qū)動力大、響應(yīng)速度快等特點。 壓電堆驅(qū)動器II 17和壓電堆驅(qū)動器I 8連接柔性板II 12和柔性板I 7，即壓電堆驅(qū)動器的兩端分別固定在柔性板II 12和柔性板I 7上，作為伸張驅(qū)動器控制振動。壓電堆驅(qū)動器可以驅(qū)動控制由于鉸鏈彈性變形引起的振動。彎曲模態(tài)形狀記憶合金驅(qū)動器I 25和形狀記憶合金驅(qū)動器II 36采用雙程記憶效應(yīng)NiTi形狀記憶合金彈簧，形狀記憶合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。SMA驅(qū)動器I 25和SMA驅(qū)動器II 36的兩端分別固定在柔性板 III 24和柔性板IV 30上，二者錯位排列。這里選用的形狀記憶合金SMA驅(qū)動在控制SMA驅(qū)動電源44給其供電加熱后，產(chǎn)生拉伸力，作為驅(qū)動器控制鉸接柔性板III 24和柔性板IV 30 的振動。多通道動態(tài)應(yīng)變儀39江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的動態(tài)應(yīng)變儀，型號為 YE3817C，分別處理電阻應(yīng)變片I 6、電阻應(yīng)變片II 11、電阻應(yīng)變片III 14、電阻應(yīng)變片IV 29、 電阻應(yīng)變片V 32、電阻應(yīng)變片VI 33、電阻應(yīng)變片ΥΠ 37檢測到振動的應(yīng)變信號，之后經(jīng)過多通道A/D轉(zhuǎn)換卡41后進入計算機處理。SMA驅(qū)動電源為直流恒電流電源，給SMA驅(qū)動器 I 25和SMA驅(qū)動器II 36供電，驅(qū)動其動作。SMA驅(qū)動電源可選大功率開關(guān)電源44可選取 QF1712 - 5型前鋒直流電源，額定供電電壓30V，電流10Α。多路壓電驅(qū)動高壓放大器43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(xué)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放大至Ij -260V +260V。采用此方案，在控制過程中通過設(shè)計友好的人機交互界面可以實時顯示相關(guān)測量信號和控制信號動態(tài)曲線，便于實時觀測以及控制的開啟和關(guān)閉，控制策略參數(shù)的修改輸入，數(shù)據(jù)保存等操作，便于實時調(diào)試時分析和修改參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種中心轉(zhuǎn)動的鉸接柔性板結(jié)構(gòu)振動測量裝置，其特征在于該裝置包括中心轉(zhuǎn)動鉸接板本體部分、檢測及驅(qū)動部分和控制部分——中心轉(zhuǎn)動鉸接板本體部分包括轉(zhuǎn)動中心剛體(2 )通過軸承支撐固定在基座(1)上，相對基座(1)自由轉(zhuǎn)動，三角架I (3)、三角架II (4)分別安裝在轉(zhuǎn)動中心剛體(2)的兩側(cè)，矩形柔性板I (7)、矩形柔性板III (24)分別固定在三角架I (3)、三角架II (4)上，柔性板I (7)、柔性板II (12)通過鉸鏈I (9)和鉸鏈II (16)連接，柔性板III(24)、柔性板IV (30)通過鉸鏈III(27)和鉸鏈IV (35)連接；CCD相機I (20)和CCD相機11(22)通過相機支架(21)安裝在轉(zhuǎn)動中心剛體(2)上，可隨著轉(zhuǎn)動中心剛體(2)轉(zhuǎn)動，兩個相機的鏡頭分別對準(zhǔn)兩組鉸接板；電阻應(yīng)變片I (6)、電阻應(yīng)變片通(37)分別粘貼在柔性板I (7)、柔性板III(24)在長度方向的三角架的一側(cè)，在寬度方向的中線處；壓電片驅(qū)動器IV(19)、壓電片驅(qū)動器I (5)分別粘貼在柔性板I (7)在長度方向三角架I (3)的一側(cè)，寬度方向的中線兩側(cè)的對稱位置； 壓電片驅(qū)動器V (23)、壓電片驅(qū)動器VDK38)分別粘貼在柔性板111(24)在長度方向三角架 II (4)的一側(cè)，寬度方向的中線兩側(cè)的對稱位置；電阻應(yīng)變片V (32)粘貼在柔性板IV (30) 的中心位置；壓電片驅(qū)動器II (10)、電阻應(yīng)變片II (11)粘貼在柔性板II (12)上鉸鏈I (9)的左側(cè)； 壓電片驅(qū)動器111(15)、電阻應(yīng)變片111(14)粘貼在柔性板II (12)上鉸鏈II (16)的左側(cè)；壓電片驅(qū)動器VK28)、電阻應(yīng)變片IV (29)粘貼在柔性板IV (30)上鉸鏈111(27)的右側(cè)； 壓電片驅(qū)動器VIK34)、電阻應(yīng)變片VK33)粘貼在柔性板IV(30)上鉸鏈IV(35)的右側(cè)；加速度傳感器I (13)、加速度傳感器II (18)分別安裝在柔性板II (12)和柔性板I (7) 在長度方向的另一側(cè)，寬度方向的中線位置；加速度傳感器IV(31)、加速度傳感器111(26)分別安裝在柔性板IV(30)和柔性板III (24)長度方向的另一側(cè)，寬度方向的中線位置；壓電堆驅(qū)動器I (8)、壓電堆驅(qū)動器II (17)連接柔性板I (7)和柔性板II(12);SMA驅(qū)動器I (25)、SMA驅(qū)動器II (36)連接柔性板III (24)和柔性板IV (30)； ——檢測及驅(qū)動部分包括檢測部分CXD相機I (20)和CXD相機II (22)分別通過邊緣檢測兩側(cè)鉸接柔性板的振動；電阻應(yīng)變片I (6)、電阻應(yīng)變片II (11)、電阻應(yīng)變片111(14)、電阻應(yīng)變片IV(29)、電阻應(yīng)變片V (32)、電阻應(yīng)變片VK33)、電阻應(yīng)變片通(37)可用作應(yīng)變式傳感器檢測柔性板的振動；加速度傳感器I (13)、加速度傳感器II (18)、加速度傳感器111(26)、加速度傳感器IV (31)、分別用來檢測鉸接柔性板的振動；驅(qū)動部分包括壓電片驅(qū)動器系統(tǒng)、壓電堆驅(qū)動器驅(qū)動系統(tǒng)和SMA驅(qū)動系統(tǒng)，用于抑制振動；——控制部分，用于處理檢測到的柔性板I (7)、柔性板II (12)，以及柔性板111(24)、 柔性板IV (30)的振動信號，并做出相應(yīng)的處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中心轉(zhuǎn)動的鉸接柔性板結(jié)構(gòu)振動測量裝置，其特征在于所述壓電片驅(qū)動器I (5)和壓電片驅(qū)動器IV (19)各由2片壓電片構(gòu)成，并分別在柔性板I (7)的兩面對稱粘貼，每面2片且并聯(lián)連接；壓電片驅(qū)動器II (10)和壓電片驅(qū)動器111(15)各由2片壓電片構(gòu)成，并分別在柔性板II (12)的兩面對稱粘貼，每面2片且并聯(lián)連接；壓電片驅(qū)動器V (23)和壓電片驅(qū)動器VDK38)各由2片壓電片構(gòu)成，并分別在柔性板III (24)的兩面對稱粘貼，每面2片且并聯(lián)連接；壓電片驅(qū)動器VK28)和壓電片驅(qū)動器VIK34)各由2片壓電片構(gòu)成，分別在柔性板IV (30)的兩面對稱粘貼，每面2片且并聯(lián)連接；所述電阻應(yīng)變片I (6)、電阻應(yīng)變片II (11)、電阻應(yīng)變片111(14)、電阻應(yīng)變片IV (29)、 電阻應(yīng)變片V (32)、電阻應(yīng)變片傳感器VK33)、電阻應(yīng)變片通(37)各為1片，分別粘貼在柔性板1(7)、柔性板II (12),柔性板IV(30),柔性板III(24)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中心轉(zhuǎn)動的鉸接柔性板結(jié)構(gòu)振動測量裝置，其特征在于所述的檢測部分包括CCD相機視覺檢測系統(tǒng)，加速度傳感器檢測和電阻應(yīng)變片傳感器檢測系統(tǒng)—CXD相機I (20)、CXD相機II (22)分別檢測轉(zhuǎn)動中心剛體兩側(cè)的鉸接柔性板的邊緣振動信號，輸入到工控計算機(41)處理；——加速度傳感器I (13)、加速度傳感器II (18)、加速度傳感器IV(31)、加速度傳感器111(26)也可用來檢測柔性鉸接板的振動信息，其檢測的信號經(jīng)過多路低頻電荷放大器 (46 )后，通過A/D轉(zhuǎn)換卡(40 )輸入到工控計算機(41)處理；——電阻應(yīng)變片I (6)、電阻應(yīng)變片II (11)、電阻應(yīng)變片IIK14)、電阻應(yīng)變片IV (29)、 電阻應(yīng)變片V (32)、電阻應(yīng)變片VK33)、電阻應(yīng)變片通(37)檢測到振動的應(yīng)變信號經(jīng)過動態(tài)應(yīng)變儀(39 )后，通過A/D轉(zhuǎn)換卡(40 )輸入到工控計算機(41)處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中心轉(zhuǎn)動的鉸接柔性板結(jié)構(gòu)振動測量裝置，其特征在于所述的驅(qū)動部分包括壓電片驅(qū)動器系統(tǒng)、壓電堆驅(qū)動器驅(qū)動系統(tǒng)和SMA驅(qū)動系統(tǒng)——通過傳感器檢測到的振動信號，經(jīng)由工控計算機(41)處理后輸入到D/A轉(zhuǎn)換及I/ 0卡(42 )，再通過多通道壓電放大電路(43 )后輸入到壓電堆驅(qū)動器I (8 )、壓電堆驅(qū)動器II (17)，用于抑制鉸鏈I (9)、鉸鏈II (16)引起柔性板I (7)、柔性板II (12)的振動;——通過傳感器檢測到的振動信號，經(jīng)由工控計算機(41)處理后輸入到D/A轉(zhuǎn)換及I/ 0卡(42)，再經(jīng)過多通道壓電放大電路(43)后輸出到壓電片驅(qū)動器I (5)和壓電片驅(qū)動器 IV(19)、壓電片驅(qū)動器II (10)和壓電片驅(qū)動器111(15)、壓電片驅(qū)動器V (23)和壓電片驅(qū)動器VDI(38)、壓電片驅(qū)動器VI (28)和壓電片驅(qū)動器VIK34)，用于抑制柔性板I (7)、柔性板II (12)、柔性板III(24),柔性板IV (30)引起的振動；——通過傳感器檢測到的振動信號，經(jīng)由工控計算機(41)處理后輸入到D/A轉(zhuǎn)換及I/ 0卡(42)，并產(chǎn)生控制信號控制開關(guān)驅(qū)動電路(45)的開啟和關(guān)閉，SMA驅(qū)動電源(44)驅(qū)動 SMA驅(qū)動器I (25 )、SMA驅(qū)動器II (36 )，用于抑制柔性板III (24 )和柔性板IV (30 )引起的振動。
5.應(yīng)用權(quán)利要求廣4之一所述裝置進行中心轉(zhuǎn)動的鉸接柔性板結(jié)構(gòu)振動測量的控制方法，其特征在于包括如下步驟第一步利用相應(yīng)檢測元件檢測兩個鉸接板的振動信號；第二步將步驟一檢測的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換卡(40)后輸入到工控計算機(41)進行處理，或者由CCD相機檢測的振動信號進入工控計算機(41)進行處理，并得到相應(yīng)的反饋信號；第三步將步驟二得到的反饋信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換及I/O卡(42)后，分別經(jīng)過相應(yīng)的放大電路后分別輸入到壓電片驅(qū)動器、壓電堆驅(qū)動器和SMA驅(qū)動器，抑制鉸鏈、柔性板的振動。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種中心轉(zhuǎn)動的鉸接柔性板結(jié)構(gòu)振動測量裝置的控制方法， 其特征在于所述控制方法為多通道的檢測和控制。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種中心轉(zhuǎn)動的鉸接柔性板結(jié)構(gòu)振動測量裝置與控制方法。該裝置包括中心轉(zhuǎn)動鉸接板本體、檢測及驅(qū)動部分和控制部分。固定在中心轉(zhuǎn)動剛體的三角架連接兩組鉸鏈連接的柔性板，柔性板結(jié)構(gòu)上粘貼壓電陶瓷片驅(qū)動器、電阻應(yīng)變片式傳感器，鉸接柔性板上還安裝加速度傳感器、壓電堆驅(qū)動器和形狀記憶合金SMA驅(qū)動器；在中心剛體上安裝兩臺CCD相機可通過邊緣檢測柔性板的振動；還可用電阻式應(yīng)變片傳感器或加速度傳感器可分別檢測鉸接柔性板的振動。將檢測的信號反饋，運行控制算法后分別由輸出控制壓電片驅(qū)動器、壓電堆驅(qū)動器和形狀記憶合金SMA驅(qū)動器的動作；控制部分，用于處理檢測的振動信號并做出相應(yīng)的處理。
文檔編號G01M7/02GK102384832SQ201110301900
公開日2012年3月21日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者邱志成 申請人:華南理工大學(xué)