專利名稱：智能扭振抑振桿的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及抑制扭振控制裝置，是一種智能扭振抑振桿。
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(lái)越明顯，有些場(chǎng)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(kāi)的太陽(yáng)能帆板的支架(長(zhǎng)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(cè)精度的下降，太陽(yáng)能帆板的破壞等。而且在空間中，由于沒(méi)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(jiǎn)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(guò)外界能量的輸入來(lái)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(lái)，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(guó)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(guò)主動(dòng)調(diào)節(jié)擺的諧振頻率和路徑設(shè)計(jì)來(lái)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(guò)改變電壓主動(dòng)改變液體的阻尼來(lái)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
本實(shí)用新型的目的是提供一種智能扭振抑振桿，通過(guò)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)。
本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下它包括空心圓桿，傳感器，三塊連接塊，環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器；空心圓桿的下端從上而下依次裝有第一連接塊、環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器、第二連接塊，空心圓桿的上端裝有第三連接塊，在裝有環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器一端的空心圓桿的內(nèi)表面或外表面裝有傳感器。
所說(shuō)的傳感器為應(yīng)變片或壓電薄膜。
所說(shuō)的環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器由數(shù)個(gè)采用厚度切變振動(dòng)極化模式的扇形壓電片粘合而成，每個(gè)扇形壓電片側(cè)面涂覆銀電極，按相同的極化方向粘接成一圓環(huán)。
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(cè)到信號(hào)經(jīng)反相放大送入環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，環(huán)形壓電扭轉(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)。
本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。由于采用了環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，因此該智能桿與一般的圓桿結(jié)構(gòu)基本一致，無(wú)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(wú)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。由于該智能桿具有自感知自驅(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(chǎng)，也不受到磁場(chǎng)影響，這點(diǎn)非常有利于空間對(duì)磁場(chǎng)有特殊要求的場(chǎng)合。
它可廣泛用于空間機(jī)器人的操作桿、桁架結(jié)構(gòu)中以及對(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是智能扭振抑振桿的剖面圖；圖2是環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器圖；圖3是二片環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器組裝示意圖；圖4是智能扭振抑振桿系統(tǒng)工作原理示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，它包括空心圓桿5，傳感器4，三塊連接塊3、1、6，環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器2；空心圓桿5的下端從上而下依次裝有第一連接塊3、環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器2、第二連接塊1，空心圓桿5的上端裝有第三連接塊6，在裝有環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器2一端的空心圓桿5的內(nèi)表面或外表面裝有傳感器4。
本實(shí)用新型采用厚度切變振動(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)了一種能自感知自控制的扭振抑振智能桿。如圖1所示，環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器2與空心圓桿5經(jīng)第一連接塊3連在一起，第一連接塊3的一面與環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器2用強(qiáng)力膠粘劑聯(lián)接，另一面則與空心圓桿5通過(guò)膠粘劑或螺紋等聯(lián)接。環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器2的另一面與第二連接塊1的一面用強(qiáng)力膠粘劑聯(lián)接。傳感器4可以布置在空心圓桿5的內(nèi)表面或外表面，且盡量靠近安裝壓電驅(qū)動(dòng)器的一端，因?yàn)檫@樣傳感器可感受到的信號(hào)更大，傳感器4可以用常見(jiàn)的應(yīng)變片或壓電薄膜等，如果是應(yīng)變片則后面接應(yīng)變電壓放大器，是壓電薄膜的話則用電荷放大器。由于桿的扭轉(zhuǎn)變形量與傳感器的應(yīng)變量成線性關(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。第二連接塊1和第三連接塊6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所示，對(duì)環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器2的構(gòu)造進(jìn)行說(shuō)明整個(gè)環(huán)形由若干個(gè)采用厚度切變振動(dòng)極化模式的扇形壓電片2.1粘接而成。其制造工藝如下首先將每個(gè)扇形壓電片2.1(以下簡(jiǎn)稱扇段)按如下方式極化，在每一扇段的側(cè)面涂覆銀電極，把扇段置于硅油中，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。然后采用環(huán)氧型粘接劑將扇段按相同的極化方向粘接成一圓環(huán)，精磨環(huán)的兩端面。為提高輸出扭轉(zhuǎn)力矩，可將兩個(gè)切向極化的壓電環(huán)反向并聯(lián)與銅電極板粘接成一體，此時(shí)輸出力矩約為單個(gè)環(huán)驅(qū)動(dòng)器的2倍。由兩個(gè)切向極化的壓電環(huán)組成的壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器如圖3所示，圖中箭頭表示極化方向，電極的引出端可以根據(jù)使用結(jié)構(gòu)向環(huán)的外側(cè)也可以向環(huán)的內(nèi)側(cè)引出。另外需要指出的是制造時(shí)所分扇段越多，切向極化越均勻，但相應(yīng)粘接變得困難，且強(qiáng)度降低，若所分扇段較少，則要求極化電壓高且極化不均勻，因此需要根據(jù)環(huán)的內(nèi)外徑大小決定扇段的合適數(shù)目。根據(jù)以上制成的壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)向其環(huán)兩端面加上電壓時(shí)，環(huán)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)智能桿的第二連接塊1固定不動(dòng)時(shí)，通過(guò)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5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，為智能桿進(jìn)行扭振主動(dòng)抑振系統(tǒng)的工作原理圖。因?yàn)橹悄軛U往往與其它構(gòu)件連接一起使用，例如，當(dāng)此智能桿用作多臂機(jī)器人的操作臂時(shí)，一般在第三連接塊6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)扭矩作用于智能桿上，當(dāng)此扭矩發(fā)生變化時(shí)常易引起智能桿的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，特別當(dāng)智能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。如果能在智能桿的另一端第二連接塊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，則就可以減小智能桿扭轉(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)智能桿受到外界干擾力時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時(shí)，傳感器4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轉(zhuǎn)換器，A/D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(guò)某種控制算法輸出控制信號(hào)，D/A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(guò)一個(gè)功率放大電路。經(jīng)過(guò)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(lái)完成。
權(quán)利要求1.一種智能扭振抑振桿，其特征在于它包括空心圓桿(5)，傳感器(4)，三塊連接塊(3)、(1)、(6)，環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器(2)；空心圓桿(5)的下端從上而下依次裝有第一連接塊(3)、環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器(2)、第二連接塊(1)，空心圓桿(5)的上端裝有第三連接塊(6)，在裝有環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器(2)一端的空心圓桿(5)的內(nèi)表面或外表面裝有傳感器(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能扭振抑振桿，其特征在于所說(shuō)的傳感器(4)為應(yīng)變片或壓電薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能扭振抑振桿，其特征在于所說(shuō)的環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器(2)由數(shù)個(gè)采用厚度切變振動(dòng)極化模式的扇形壓電片(2.1)粘合而成，每個(gè)扇形壓電片(2.1)側(cè)面涂覆銀電極，按相同的極化方向粘接成一圓環(huán)。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種智能扭振抑振桿?？招膱A桿的下端從上而下依次裝有第一連接塊、環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器、第二連接塊，空心圓桿的上端裝有第三連接塊，在裝有環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器一端的空心圓桿的內(nèi)表面或外表面裝有傳感器。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(cè)到信號(hào)經(jīng)反相放大送入環(huán)形壓電扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，環(huán)形壓電扭轉(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)F16F15/03GK2622479SQ0322915
公開(kāi)日2004年6月30日 申請(qǐng)日期2003年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月28日
發(fā)明者魏燕定, 呂永桂 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)