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专利名称：柔性移动结构低频模态的振动测试及控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉直线移动的挠性结构振动测试及控制，特别是涉及一种模拟大型航天器变轨 控制时及空间柔性机器人等挠性附件结构的振动检测及控制装置，具体地说是提供一种针 对模拟刚柔耦合柔性结构直线运动的振动控制，应用气动驱动及压电复合控制的平移运动 的挠性结构低频模态振动测量及控制的装置。
背景技术：
航天器在变轨控制时，由于发动机驱动引起航天器运动速度变化，由于惯性因素会引 起航天器的挠性附件振动。如太阳帆板等挠性附件和空间柔性机器人在变轨时可能会激发 振动，振动将会影响航天器的稳定性，或者导致仪器设备的疲劳破坏。因此在太空条件下 的大型柔性结构振动的测量与主动控制就成为当今世界普遍关注而富有挑战性的重要课 题。
现有技术中，研究模拟太空帆板等挠性结构振动控制，主要有采用压电片、加速度传 感器等进行振动主动控制研究。这些装置要么是悬臂板或梁等固定的装置，要么是模拟航 天器调整姿态的旋转运动的气动浮动装置，或者是柔性机器人旋转运动控制的装置，已经 针对这些装置的主动控制技术及方法进行的研究。然而，针对移动运动的挠性结构相对较 少，并且基本上都是采用电动机滚珠丝杠驱动或者同步带驱动，由于这些驱动都进行减速， 反向的驱动能力很差，所以电机驱动器及驱动移动运动的刚体部分和柔性结构部分是相对 解耦的，所以在控制起来相对容易。本发明采用无杆气缸直线移动气动驱动，带动智能柔 性结构，集成压电材料PZT陶瓷材料作为敏感器和加速度传感器进行低频振动模态的检测 和控制。

发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种模拟刚柔耦合结构振动的基于气动 驱动的智能柔性移动结构的低频模态振动检测和控制装置。 为了达到上述目的，本发明采用如下的方法和技术方案
—种柔性移动结构低频模态的振动测试及控制装置，包括智能柔性移动结构、气动元 件和电信号连接及驱动控制装置，所述的智能柔性移动结构的无杆气缸的滑块与柔性结构
的机械夹持装置固定连接，移动滑块与线性光栅尺的移动滑块通过机械固定连接；在柔性 结构的根部粘贴多片压电陶瓷片分别作为压电传感器和压电驱动器，压电驱动器由4片压 电片在柔性结构的双面对称粘贴，每面2片，并联连接，分别位于固定端纵向中线上下侧； 压电传感器为1片，位于挠性结构固定端的纵向中线，在挠性结构的自由端端部安装加速 度传感器；
气动元件的气泵通过气动三联件与三个气压减压阀连接，三个气压减压阀分别与气动 两位三通阀之一、气动单向阔和气动两位三通阀之二连接；气动两位三通阀之一和气动两 位三通阀之二分别与无杆气缸的左气腔和右气腔连接，气动两位三通阀之一、气动单向阀 和气动两位三通阀之二还分别通过气动管道与气动比例阀连接；
气动阀两位三通阀之一和气动阀两位三通阀之二分别与电信号连接及驱动控制装置中 的多路开关阀驱动板中的一路连接，多路开关阀驱动板与D/A转换及I/O输出控制卡连接， D/A转换及I/0输出控制卡接计算机，计算机连接显示器；D/A转换及I/0输出控制卡的一 个D/A转换通道与气动比例阀连接，D/A转换及I/O输出控制卡的另一个通道还与压电陶 瓷驱动电源连接，压电陶瓷驱动电源与压电驱动器连接；压电片传感器和压电加速度传感 器分别与极低频电荷放大器连接,极低频电荷放大器与多通道A/D转换卡连接，多通道A/D 转换卡接计算机；线性光栅尺与编码器解算卡连接，编码器解算卡接计算机。
为进一步实现本发明目的，所述的无杆气缸优选为MY1M25-600L型无杆气缸。
所述的线性光栅尺优选为FAGOR光栅尺。
本发明与现有技术比较具有如下优点和有益效果该气动驱动结构，在气动驱动运动 由于气体大的可压缩性和柔性结构振动是刚柔耦合结构，很好地模拟航天器在变轨时的线 性速度改变的加速运动引起柔性附件的振动，还可以很好地模拟直线运动柔性机器人的刚 柔耦合振动控制。


图1是本发明的气动驱动移动柔性结构试验装置总体组成示意图。 图2是图1可选实例中气动驱动柔性结构部分示意图。
图中示出无杆气缸l、线性光栅尺2、柔性结构5、压电传感片3、压电驱动片4、 压电加速度传感器6、气动两位三通阀之一8、气动两位三通阀之二9、气动单向阀IO、三 个气压减压阀ll、气动比例阀12、气动三联件13、气泵14、极低频电荷放大器15、多通 道A/D转换卡16、计算机17、显示器18、 D/A转换及I/0输出控制卡19、压电陶瓷驱动 电源20、开关阀驱动板21、编码器解算卡22。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围并不局限 于实施例表达的范围。
如图1所示， 一种柔性移动结构低频模态的振动测试及控制装置，包括智能柔性移动 结构、气动元件和电信号连接及驱动控制装置。
智能柔性移动结构中无杆气缸1的滑块与柔性结构5的机械夹持装置7固定连接，移 动滑块与线性光栅尺2的移动滑块通过机械固定连接，用于检测移动柔性结构刚体运动部 分的位移和速度；柔性移动装置采用无杆气缸驱动智能柔性结构，很好地模拟刚柔耦合柔 性结构的振动控制。在柔性结构的根部粘贴多片压电陶瓷片分别作为压电传感器3和压电 驱动器4，压电驱动器4位于柔性结构5固定端横向中线上下两侧，在横向上距离固定端 2cm，在纵向上距离挠性量结构的边缘为2.5cm，压电传感器3位于挠性结构的固定端纵向 中线，在横向上距离固定端6cm，其中压电传感器3为1片，压电驱动器4由4片压电片 在柔性结构的双面对称粘贴，每面2片，并联连接，在挠性结构的自由端端部安装加速度 传感器6。
气动元件中气泵14通过气动三联件13与三个气压减压阀11连接,三个气压减压阀11 分别与气动两位三通阀之一8、气动单向阀10和气动两位三通阀之二9连接；气动两位三 通阀之一 8和气动两位三通阀之二 9分别与无杆气缸1的左气腔和右气腔连接，气动两位 三通阔之一8、气动单向阀10和气动两位三通阀之二9还分别通过气动管道与气动比例阀 12连接。
图1中的虚线连接表示电信号与驱动控制装置的连接图。气动阀两位三通阀之一8和 气动阀两位三通阀之二 9分别与多路开关阀驱动板21中的一路连接，开关阀驱动板21与 D/A转换及I/O输出控制卡19连接，D/A转换及I/O输出控制卡19插在计算机17的总线 插槽中，计算机17连接显示器18; D/A转换及I/0输出控制卡19的一个D/A转换通道与 气动比例阀12连接，D/A转换及I/O输出控制卡19的另一个通道还与压电陶瓷驱动电源 20连接，压电陶瓷驱动电源20与压电驱动器4连接；压电片传感器3和压电加速度传感 器6分别与一只极低频电荷放大器15连接，极低频电荷放大器15与多通道A/D转换卡16 连接，多通道A/D转换卡16插入计算机17总线插槽中。线性光栅尺2与编码器解算卡22 连接，编码器解算卡22插入计算机17总线插槽中，无杆气缸1的滑块即柔性结构的机械 夹持坐的移动位移通过光栅尺2检测，光栅尺的信号经过编码器解算卡22将柔性结构的直
线移动位移信号输入计算机17。柔性移动装置的移动位移和速度由线性光栅尺检测，柔性
结构的振动可以由压电片传感器和加速度传感器检测，根据传感器反馈设计控制策略实现
控制气动比例阀及两位三通阀的动作实现无杆气缸移动，并采用复合气动控制及控制压电
驱动器实现移动过程中振动抑制。
本实例中，无杆气缸1可选用日本SMC气动公司生产的型号为MY1M25-600L的无杆
气缸；两位三通阀8和9是日本SMC气动公司生产，型号VK332-5G-01;气动单向阀10
可选用日本SMC气动公司生产的AK2000型气动单向阀；三个气压减压阀11可选用日本
SMC气动公司生产的AR2000-02型气动减压阀，并带有一个压力表(型号G36-10-01);
气动比例阀12由日本SMC气动公司生产，型号ITV2050-212L;气动三联件13由空气
过滤器(型号AF30-03)、减压阀(型号AR25-03)和油雾分离器(型号AFM30-03)
组成，通过2个隔板(型号Y300T)组装在一起，并带有压力表(型号G36-10-01) —
个，由日本SMC气动公司生产；气泵14是上海捷豹压縮机制造有限公司生产的型号为
FB-0.017/7的静音空气压缩机。
线性光栅尺2可选用FAGOR光栅尺(型号MKT-82)，由北京发格自动化设备有限
公司供应；弯曲模态压电驱动器4和弯曲模态传感器3的压电陶瓷片尺寸为
50mmxl5mmximm，压电陶瓷材料的弹性模量和压电应变常量分别为￡^ =63 GPa，
d31-166 pm/V;极低频电荷放大器15可选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放 大器；多通道A/D转换数据采集卡16可用台湾研华科技公司生产的型号为PCL-818HD型 A/D转换数据采集卡；计算机17可用台湾研华IPC610机箱，PCA-6006主板，生产单位 台湾研华科技公司，Pentium IV 2.4G Intel CPU;多通道D/A转换及I/O卡19可用台湾研华 科技公司的PCL-727型D/A转换及I/0卡；显示器18 (型号151N生产单位韩国三星 公司)；多路压电驱动高压放大器20还可选用型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX 放大器，其研制单位为华南理工大学(在申请人申请的名称为"太空帆板弯曲和扭转模态振 动模拟主动控制装置与方法"，申请号为200810027186.4的专利中有详细介绍)。放大倍数 可达到52倍，即将-5V +5V放大到-260V +260V。编码器解算卡22可用台湾研华科 技公司生产的型号为PCL-833型编码器计数卡；开关阀驱动电路板21参见申请人申请的申 请号为200810198032.1发明申请"柱塞式双出杆气液缸与气液联控位置和速度伺服控制装 置"。
本发明控制程序基于0++编写，其中包括编码器解算卡、A/D转换数据采集卡和D/A 转换及I/O卡的驱动及转换，信号的滑动平均数字滤波算法，实现友好的人机交互界面，
在显示器实时显示相关信息，提供了实时观测功能，控制的开启和关闭，控制策略参数的 输入，数据保存等方便操作。本发明可以实现友好的人机交互界面，可以在显示器实时显 示A/D转换数据采集卡采集的弯曲模态的信息，控制量经过D/A转换卡的输出，控制算法 的实现和控制参数的调整，以及控制策略的开启和关闭。
在气动控制上，气泵14将气源的高压气体经过气动三联件13后分别经三个气动减压 阀11减压后，分别经过动阀两位三通阀之一8、气动阀两位三通阀之二9、单向阀10和气 动比例阀12及无杆气缸1构成气动回路；经由D/A转换及I/O输出控制卡19的一路D/A 转换信号控制气动比例阀12的通流截面积的变化，从而控制柔性结构的运动。通过计算 17机检测到柔性结构的压电传感片3和压电加速度传感器6的信号，运行控制算法后通过 开关阀驱动卡驱动气动阀的动作，控制无杆气缸滑块的运动，并经由D/A转换及I/0输出 控制卡19输出控制信号经过压电陶瓷驱动电源20后，驱动压电驱动器4，从而驱动柔性 结构的振动；该刚柔耦合直线运动系统装置较好地模拟航天器的变轨及柔性移动机器人的 刚柔耦合振动测试及控制装置。
所述直线移动振动控制装置，在柔性结构振动控制上还可以采用复合气动驱动控制和 压电驱动控制复合一起的控制方案，即根据检测振动的信息，同时控制气动回路和压电回 路，快速抑制柔性结构的振动。
权利要求
1、一种柔性移动结构低频模态的振动测试及控制装置，包括智能柔性移动结构、气动元件和电信号连接及驱动控制装置，其特征在于所述的智能柔性移动结构的无杆气缸的滑块与柔性结构的机械夹持装置固定连接，移动滑块与线性光栅尺的移动滑块通过机械固定连接；在柔性结构的根部粘贴多片压电陶瓷片分别作为压电传感器和压电驱动器，压电驱动器由4片压电片在柔性结构的双面对称粘贴，每面2片，并联连接，分别位于固定端纵向中线上下侧；压电传感器为1片，位于挠性结构固定端的纵向中线，在挠性结构的自由端端部安装加速度传感器；气动元件的气泵通过气动三联件与三个气压减压阀连接，三个气压减压阀分别与气动两位三通阀之一、气动单向阀和气动两位三通阀之二连接；气动两位三通阀之一和气动两位三通阀之二分别与无杆气缸的左气腔和右气腔连接，气动两位三通阀之一、气动单向阀和气动两位三通阀之二还分别通过气动管道与气动比例阀连接；气动阀两位三通阀之一和气动阀两位三通阀之二分别与电信号连接及驱动控制装置中的多路开关阀驱动板中的一路连接，多路开关阀驱动板与D/A转换及I/O输出控制卡连接，D/A转换及I/O输出控制卡接计算机，计算机连接显示器；D/A转换及I/O输出控制卡的一个D/A转换通道与气动比例阀连接，D/A转换及I/O输出控制卡的另一个通道还与压电陶瓷驱动电源连接，压电陶瓷驱动电源与压电驱动器连接；压电片传感器和压电加速度传感器分别与极低频电荷放大器连接，极低频电荷放大器与多通道A/D转换卡连接，多通道A/D转换卡接计算机；线性光栅尺与编码器解算卡连接，编码器解算卡接计算机。
2、 根据权利要求1所述的柔性移动结构低频模态的振动测试及控制装置，其特征在于 所述的无杆气缸为MY1M25-600L型无杆气缸。
3、 根据权利要求1所述的柔性移动结构低频模态的振动测试及控制装置，其特征在于 所述的线性光栅尺为FAGOR光栅尺。
全文摘要
本发明公开了一种柔性移动结构低频模态的振动测试及控制装置，包括智能柔性移动结构、气动元件和电信号处理装置，智能柔性移动结构的无杆气缸的滑块与柔性结构的机械夹持装置固定连接，移动滑块与线性光栅尺的移动滑块通过机械固定连接；在柔性结构的根部粘贴多片压电陶瓷片分别作为压电传感器和压电驱动器，压电驱动器由4片压电片在柔性结构的双面对称粘贴，每面2片，并联连接，分别位于固定端纵向中线上下侧；压电传感器为1片，位于挠性结构固定端的纵向中线，在挠性结构的自由端端部安装加速度传感器。该气动驱动移动运动柔性结构的振动测试和控制装置，很好地体现系统的刚柔耦合特性。
文档编号G01H11/00GK101393463SQ20081021873
公开日2009年3月25日 申请日期2008年10月29日 优先权日2008年10月29日
发明者邱志成 申请人:华南理工大学