平面运动气浮工作台上多柔性板结构振动测控装置与方法与流程

本发明涉及悬臂板结构振动检测与控制领域，具体涉及一种平面运动气浮工作台上多柔性板结构振动测控装置与方法。

背景技术：

近年来随着航天事业的飞速发展，航天器结构逐渐趋于大型化、低刚度和柔性化。为降低发射成本，提高运载效率，太阳能帆板结构通常采用轻质柔性材料制造以降低结构重量。另外随着航天器功能的多样化，其主体结构越发复杂和庞大，对能量的需求也越来越高，太阳能帆板的面积也就越来越大。这种巨大而单薄的柔性结构，其模态阻尼很小，振动的低阶模态频率很低，加之处于太空的无外阻失重环境中运行，当受到宇宙风、微粒子流等外部扰动或者航天器变轨、帆板伸缩等自身激励时，容易产生长时间的低频大幅值振动，给航天器的在轨运行带来诸多问题，如影响航天器的姿态稳定度和指向精度，缩短航天器寿命，甚至造成太阳能帆板结构的破坏，使航天器失效等等。为了保证航天器的正常工作，有必要对其低频模态振动进行检测，分析振动特性并且加以控制。

当前对太阳能帆板结构的弯曲和扭转模态振动控制的研究，通常将帆板简化成悬臂板结构，忽略连接铰链对刚度的影响。采用加速度传感器、压电陶瓷片等接触式测量传感器，通过优化配置来进行振动检测。加速度传感器质量小，易安装，并且频带较宽，利用加速度传感器反馈控制可在较宽频带范围增加系统的主动阻尼，增强鲁棒性并抑制挠性结构的振动。压电陶瓷材料具有响应快、频带宽、线性度好、容易加工等优点，可以利用其优良的机电耦合效应作为传感器对悬臂板的弯曲振动信号进行动态测量，另外其质量和体积都很小，可以有效减少对悬臂板结构特性的影响。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种平面运动气浮工作台上多柔性板结构振动测控装置与方法，实现对柔性悬臂板的弯曲和扭转振动模态进行实时准确的检测和控制，本发明提供的方法为研究太阳能帆板结构振动测量和控制提供平台。

本发明采用如下技术方案：

一种平面运动气浮工作台上多柔性板结构振动测控装置，包括机械本体部分、检测部分及控制部分；

所述机械本体部分，包括底座，所述底座中央设置中心圆筒，中心圆筒的一侧设置单悬臂板，另一侧设置铰接悬臂板，所述单悬臂板由单块柔性板构成，所述铰接悬臂板由两块铰接的柔性板构成，所述单悬臂板及铰接悬臂板对称设置在中心圆筒的两侧，所述底座与中心圆筒之间设置气浮垫；

所述检测部分包括第一、第二压电陶瓷传感器及加速度传感器，所述第二压电陶瓷传感器粘贴在单悬臂板及铰接悬臂板的宽度方向的中线上，且靠近中心圆筒一端，所述第一压电陶瓷传感器粘贴在单悬臂板及铰接悬臂板的宽度方向的中线上，所述单悬臂板及铰接悬臂板远离中心圆筒一端的中间及上下边缘分别设置加速度传感器，所述第一压电陶瓷传感器、第二压电陶瓷传感器及加速度传感器检测信号经过电荷放大器放大后输入到运动控制卡进一步输入到计算机中；

所述控制部分，包括用于驱动气浮垫的气动控制系统、用于驱动中心圆筒运动的电机控制系统及用于抑制悬臂板振动的振动控制系统。

所述用于驱动气浮垫的气动控制系统包括气泵、气动三联件、二位三通阀及开关阀驱动电路，计算机将控制信号经过运动控制卡输入开关阀驱动电路驱动由气泵、气动三联件及二位三通阀构成的气动回路向气浮垫提供加压气体；

所述振动控制系统，包括压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器对称设置在单悬臂板及铰接悬臂板宽度方向的中线两侧，且靠近中心圆筒一端，计算机将控制信号经过运动控制卡输出到压电放大电路驱动压电陶瓷驱动器抑制悬臂板振动；

所述驱动中心圆筒运动的电机控制系统包括直线驱动系统及旋转驱动系统，所述直线驱动系统及旋转驱动系统内置于中心圆筒。

所述中心圆筒包括型材支架、隔板及封皮，所述隔板分为顶层隔板、中间隔板及底层隔板，所述中心圆筒由八根支架拼成正八边形，所述中心圆筒分为上下两层，所述封皮覆盖在中心圆筒外侧。

所述直线驱动系统具体位于中心圆筒的下层包括第二伺服电机、两个双导轨滑台及质量块，所述两个双导轨滑台呈十字状垂直交叉叠放，位于下方的称为下方双导轨滑台，位于上方的称为上方双导轨滑台，所述上方双导轨滑台固连质量块，所述第二伺服电机通过联轴器与上下双导轨滑台的丝杠连接。

所述旋转驱动系统具体位于中心圆筒的上层，包括电机支架、飞轮和第一伺服电机，所述电机支架固定在飞轮上，所述电机支架固定第一伺服电机，所述飞轮固定在中层隔板，所述飞轮连接第一伺服电机的输出轴。

所述第一压电陶瓷传感器共有12片，具体粘贴在距离靠近中心圆筒一端的50mm处，正反两面粘贴，每面3片平行配置，正反两面粘贴姿态角分别为45度及135度；

所述压电陶瓷驱动器共有24片，单悬臂板及铰接悬臂板各粘贴12片，正反两面对称粘贴，姿态角为0度；

其中八片压电陶瓷驱动器对称粘贴在悬臂板靠近中心圆筒的一端，且关于宽度方向中线对称，每面四片；

另外四片压电陶瓷驱动器对称粘贴在距离悬臂板靠近中心圆筒一端50mm处，且关于宽度方向中线对称，正反两面粘贴。

所述气浮垫具体为8个，分别设置在中心圆筒的型材支架底端与底座之间。

所述底座四周设有挡边。

所述中心圆筒还包括两个夹板，所述两个夹板对称设置在中心圆筒的两侧用于夹持悬臂板。

一种平面运动气浮工作台上多柔性板结构振动测控装置进行多柔性板测控的方法，包括如下：

计算机根据用户设定的参数采用用于驱动气浮垫的气动控制系统控制中心圆筒是否起浮，如果起浮，则计算机将控制信号通过运动控制卡的D/A输出到第一及第二伺服电机，电机驱动丝杠运动，调整中心圆筒的位置，激发悬臂板的振动；

利用第一压电陶瓷传感器、第二压电陶瓷传感器及加速度传感器检测柔性悬臂板的弯曲扭转模态振动得到相应电信号输出到电荷放大器进行放大传输到运动控制卡中，输入到计算机中得到相应的弯曲扭转振动反馈信号；

将上一步骤得到的反馈信号经由运动控制卡的D/A输出模块输出，经过压电放大电路放大信号，输出到压电陶瓷驱动器中进行响应，抑制悬臂板的弯曲和扭转振动。

本发明的有益效果：

(1)本发明在外形结构上大致还原了航天卫星的实际结构，并且将主要的实验装置整合一体化，可以较好地模拟航天卫星的实际运作情况，增强实验结果的可信度。

(2)本发明使用了单悬臂板和铰接悬臂板整合配置的方法，通过对两种结构特性略有差异的悬臂板的耦合振动模态的观察和检测，以及对两者振动实验结果的分析和对比，可以更好地分析铰接对悬臂板结构特性的影响。

(3)本发明利用气浮垫喷射加压气体形成的气膜支撑实验平台，避免了其与工作台的直接接触，使得系统处于无摩擦的悬浮状态，极大程度的减少了外界对系统的干扰，从而较好地模拟出太空中的无阻尼漂浮环境，有利于得到更为吻合实际情况的实验数据。

(4)本发明设计了一套用于直线驱动的在水平方向上呈十字垂直分布的双导轨滑台机构和用于旋转驱动的电机飞轮机构，并且将驱动系统内置在中心圆筒中，相较于外界激励使悬臂板振动的方法，能更好地模拟航天器的机动，便于获取实验数据；

(5)本发明使用压电陶瓷片检测和加速度传感器检测相结合的方法对柔性悬臂板的振动模态进行检测，通过多传感器信息融合对悬臂板结构的弯曲和扭转模态振动进行辨识研究。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中心圆筒的结构示意图；

图3是本发明的第一、第二压电陶瓷传感器及加速度传感器的分布示意图；

图4是本发明的直线驱动系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，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。

实施例

图1-图4所示，一种平面运动气浮工作台上多柔性板结构振动测控装置，包括机械本体部分、检测驱动部分及控制部分。

所述机械本体部分，包括底座1，所述底座由型材和角件拼接而成的支架，型材横纵方向各三排组成田字型，上表面有短型材均布在田字格内作为横板提高强度和平整度；由调节脚和端面连接板组成的连接板调节脚，总计八个作为底座的支脚，多块平整的大理石板平放在支架上表面，大理石板之间缝隙要通过密封材料密封，构成底座，其四周有一圈挡边限制实验平台的位置。

所述底座中央设置中心圆筒，所述中心圆筒的一侧设置单悬臂板9，另一侧设置铰接悬臂板2，所述单悬臂板9及铰接悬臂板2对称设置在中心圆筒7的两侧，所述底座1与中心圆筒7之间设置气浮垫8。

所述单悬臂板9由单块柔性板构成，所述铰接悬臂板2由两块铰接的柔性板构成，都以中空的三脚架夹持一端，两个悬臂板通过夹铁与中心圆筒的夹板以螺栓连接，共面且对称分布在中心圆筒的两侧。

所述中心圆筒7由型材支架、隔板11及封皮10等构成，所述气浮垫8均布在型材支架的底端，型材支架共有八根作为主体的骨架构成正八边形，所述隔板11分为底层、中层及顶层隔板，其形状均为正八边形，平方并固连在型材支架上，中心圆筒7分为上下两层，出于美观，封皮覆盖在隔板的每一条边外侧，共计八块构成中心圆筒的侧面，用于夹接悬臂板的夹板用螺栓固定在支架的竖直型材上，作为柔性悬臂板的夹持基准，共两块。

所述检测部分，包括第一、第二压电陶瓷传感器4、5及加速度传感器3，所述第一压电陶瓷传感器4粘贴在单悬臂板及铰接悬臂板的宽度方向的中线上，且距离固定端50mm处，两面粘贴，每面三片隔一定距离平行设置，正反两面姿态角45度及135度反对称粘贴，第一压电陶瓷传感器一共12片。

第二压电陶瓷传感器5粘贴在单悬臂板及铰接悬臂板的宽度方向的中线上，且靠近中心圆筒，正反两面姿态角为0度对称粘贴，每个悬臂板粘贴两片，一共四片。

加速度传感器3一共为六个，每个悬臂板三个，分别粘贴在每块悬臂板自由端中间和上下边缘各一个。

所述第一压电陶瓷传感器4、第二压电陶瓷传感器5及加速度传感器3柔性悬臂板的弯曲和扭转振动模态，通过自身的传感特性将检测到的振动信号转化为电信号输出，经过电荷放大器24放大后输入到运动控制卡23进一步输入到计算机25中。

所述控制部分，包括用于驱动气浮垫的气动控制系统、用于驱动中心圆筒运动的电机控制系统及用于抑制悬臂板振动的振动控制系统。

所述用于驱动气浮垫的气动控制系统，包括气泵19、气动三联件20、二位三通阀21及开关阀驱动电路23，所述二位三通阀与气浮垫连接，开关阀驱动电路22与运动控制卡连接，气泵19、气动三联件20和二位三通阀21构成向气浮垫供气的气动回路。气动回路提供的加压气体通过气浮垫内部通路在气浮垫底部和大理石表面之间形成一层很薄的压力气膜，使中心圆筒悬浮在底座上，使实验平台处于无阻尼悬浮状态，模拟太空中的无阻尼漂浮环境，所述计算机的到控制信息输出到运动控制卡进一步通过开关阀驱动电路驱动气动回路。

气泵19选用由上海捷豹压缩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；气动三联件20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)组装在一起，并带有压力表(型号：G36-10-01)一个，由日本SMC气动公司生产；二位三通阀21选用型号为VPA342-01A-F的三通气控阀，由日本SMC气动公司生产；气浮垫8选用AeroLas公司生产的型号为AL-100-HD+G的气浮垫，工作面直径为100mm，推荐最大负载为2400N，8个气浮垫最大负载即为2400N×8＝19200N，足以承载实验平台的质量。

所述驱动中心圆筒运动的电机控制系统包括直线驱动系统及旋转驱动系统，所述直线驱动系统及旋转驱动系统内置于中心圆筒。

所述直线驱动系统位于中心圆筒的下层，包括第二伺服电机15、两个双导轨滑台16及质量块17，第二伺服电机和双导轨滑台的丝杠通过联轴器连接，构成一个驱动单元，两个双导轨滑台呈十字状上下交叉叠放，位于下方的称为下方双导轨滑台，位于上方的称为上方双导轨滑台，将上方双导轨滑台的底座栓接在下方双导轨滑台的滑台上，质量块17以螺栓固定在上方双导轨滑台的滑台上，当第二伺服电机转动时，丝杠随之旋转进而带动滑台以及滑台上的质量块17(和上方双导轨滑台)做直线运动，由动量定理可知，产生的反作用力将反向驱动实验平台的平动，进而激发悬臂板的振动；两个垂直分布的双导轨滑台16可以分别控制两个垂直方向的平动，以模拟航天卫星的平动，激发悬臂梁的振动。第二伺服电机15选用安川伺服电机株式会社生产的型号为SGMGV–1AADA61型伺服电机，额定电压为AC200V，输出功率为11kW；双导轨滑台选用米思米公司生产的型号为SA25S2SSFC+R[1000/1]NII的重负载型直线导轨，轨道长1000mm，基本额定动载荷为28100N；质量块17使用铸铁制造，几何尺寸为250mm×230mm×160mm，质量约为64kg。

所述旋转驱动系统具体位于中心圆筒的上层，包括电机支架12、飞轮13和第一伺服电机14，第一伺服电机固连在电机支架上，所述飞轮通过平键和定位销固定在电机输出轴上，所述电机支架12以螺栓固定在中层隔板上，使整体安放在主体的上层。当第一伺服电机14带动飞轮13旋转时，由动量矩定理可知，产生的反作用力矩将反向驱动实验平台的旋转，进而激发悬臂板的振动。电机支架12由球墨铸铁制造，呈十字状；飞轮13由45#钢制造，半径为300mm且从里向外厚度逐渐增大，转动惯量约为4kg*m²；第一伺服电机14选用安川伺服电机株式会社生产的型号为SGM7A-80A7A61型伺服电机，额定电压为AC220V，输出功率为8.0kW。

所述振动控制系统，包括压电陶瓷驱动器6共24片，单悬臂板及铰接悬臂板各粘贴12片，正反面对称粘贴，姿态角0度，其中八片粘贴在悬臂板宽度方向的中线的两侧，且靠近中心圆筒一侧，另外四片粘贴在距离中心圆筒50mm处，且位于该悬臂板宽度方向的中线的两侧，计算机25得到相应的弯曲扭转振动反馈信号经过运动控制卡23的D/A输出模块输出，经过压电放大电路26放大信号，输出到压电陶瓷驱动器6中进行响应，抑制悬臂板的弯曲和扭转振动。

一种平面运动气浮工作台上多柔性板结构振动测控方法，包括如下：

计算机根据用户设定的工作参数要求，通过运动控制卡驱动电机伺服单元27驱动第一及第二伺服电机的启停和转动状态，进一步驱动中心圆筒运动，进而驱动铰接悬臂板及单悬臂板的振动；

第一、第二压电陶瓷传感器及加速度传感器检测悬臂板的弯曲和扭转振动模态，并将检测到的振动信号转化为电信号输出，经过电荷放大器24放大以后，通过运动控制卡23内部的A/D转换模块转换成数字信号输入到计算机25中；电荷放大器24选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器；运动控制卡23选用美国GALIL公司生产的DMC-2x00数字运动控制器，提供标准的PCI总线接口；计算机25选用的CPU型号为core76650U2.2GHz，内存4G，主板中有PCI-e插槽，可以安装运动控制卡23。

计算机通过该电信号得到相应的弯曲扭转振动反馈信号经由运动控制卡的D/A输出模块输出，经过压电放大电路26放大信号，输出到压电陶瓷驱动器6中进行响应，抑制悬臂板的弯曲和扭转振动。

加速度传感器位于中间位置的可以检测悬臂板的弯曲振动信息，上下边缘的可以通过解耦运算同时得到悬臂板的弯曲和扭转振动信息，上下边缘加速度传感器两者检测到的位移信号相加，即为弯曲振动的位移信号w_w：w_w＝w₁(x₁,y₁,t)+w₂(x₂,y₂,t)；两者检测到的位移信号相减，即为扭转振动的位移信号w_n：w_n＝w₁(x₁,y₁,t)-w₂(x₂,y₂,t)。以上位移的配置方法可以实现悬臂板的弯曲振动和扭转振动在检测上的解耦。

图1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。

中心圆筒7主要模仿航天卫星的外形结构进行设计，内部空间用于放置驱动相关设备，中心圆筒7的支架用铝合金型材搭建，横截面尺寸为40mm×40mm；隔板11用45#钢制造，为正八边形，内切圆直径约为1414mm，搭放在型材支架上，其中底层隔板厚度为20mm，中层和顶层隔板的厚度为10mm、且开有方孔和圆孔以便于连接线的布置；封皮10使用人造皮革制作，覆盖在主体外侧；夹板18用合金钢制造，栓接固定在型材上，作为悬臂板的夹持基准。

第二伺服电机15选用安川伺服电机株式会社生产的型号为SGMGV–1AADA61型伺服电机，额定电压为AC200V，输出功率为11kW；双导轨滑台16选用米思米公司生产的型号为MSA25S2SSFC+R[1000/1]NII的重负载型直线导轨，轨道长1000mm，基本额定动载荷为28100N；质量块17使用铸铁制造，几何尺寸为250mm×230mm×160mm，质量约为64kg。

电机支架12由球墨铸铁制造，呈十字状；飞轮13由45#钢制造，半径为300mm且从里向外厚度逐渐增大，转动惯量约为4kg*m²；第一伺服电机14选用安川伺服电机株式会社生产的型号为SGM7A-80A7A61型伺服电机，额定电压为AC220V，输出功率为8.0kW。

柔性悬臂板的材料选用环氧树脂材料薄板，其弹性模量为E_p＝34.64Gpa，密度为ρ＝1840kg/m³；其中单悬臂板9的几何尺寸可选1075mm×500mm×2mm，铰接悬臂板2内板的几何尺寸可选570mm×500mm×2mm，外板的几何尺寸可选500mm×500mm×2mm，内外板以铰链铰接；外板凸缘和夹铁以螺栓连接，且做成中空环状以减小质量。

第一压电陶瓷传感器4、第二压电陶瓷传感器5和压电陶瓷驱动器6为压电陶瓷材料制成，几何尺寸为50mm×15mm×1mm，压电陶瓷材料的弹性模量为E_p＝63Gpa，d31＝-166pm/V。如图3所示，第一压电陶瓷传感器4在悬臂板的纵向中心线上前后两面姿态角为45°对称粘贴，用以检测悬臂板的扭转模态振动；第二压电陶瓷传感器5在悬臂板靠近根部的中间位置前后两面姿态角为0°对称粘贴，用以检测悬臂板的弯曲模态振动；压电陶瓷驱动器6在悬臂板根部和上下边缘前后两面姿态角为0°对称粘贴，用以抑制悬臂板的振动。另外加速度传感器3固定在悬臂板自由端处，选用Bruel&Kjaer公司的振动传感器中的4384型压电式电荷加速计，其标称灵敏度为1.0pc/ms^-2，测量频率范围为0.1～12.6kHz。

电荷放大器24选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器；运动控制卡23选用美国GALIL公司生产的DMC-2x00数字运动控制器，提供标准的PCI总线接口；计算机25选用的CPU型号为core76650U2.2GHz，内存4G，主板中有PCI-e插槽，可以安装运动控制卡23。

本发明在结构和运作环境两方面对航天卫星进行仿真，考虑使用中心圆筒两侧固连悬臂板的结构以模拟航天卫星的结构，使用气浮垫喷气支撑实验平台以模拟外太空的无阻尼悬浮环境。实验平台的驱动装置可以内置于中心圆筒中，包括用于直线驱动的双导轨滑块机构和用于旋转驱动的电机飞轮机构，利用反作用力和力矩进行驱动。这样将实验装置整合为一个整体，并且置于一种无摩擦的环境中，可以有效避免外界的干扰，提高实验精度。本发明的实验平台基于气浮工作台搭建，并且使用压电陶瓷片和加速度传感器相结合的测量方法对柔性悬臂板的振动模态进行检测，再结合主动控制算法，以实现对悬臂板结构的弯曲和扭转振动主动抑制的目的。

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。