伺服電機驅動式大位移振動裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種伺服電機驅動式大位移振動裝置及方法。它包括運動臺體和振動控制器，所述運動臺體包括底座、伺服電機、第一滾珠絲杠、第二滾珠絲杠、臺面、第一靜壓導軌、第二靜壓導軌、第三靜壓導軌、加速度傳感器、位移傳感器。本發(fā)明由于采用伺服電機和滾珠絲杠聯(lián)合驅動式結構，可以滿足振動實驗的低頻響、大位移運動控制特性，同時，采用靜壓導軌結構可以實現(xiàn)振動實驗過程中裝置具有較大的抗傾覆力矩，從而保證振動裝置工作過程的穩(wěn)定性和可靠性。
【專利說明】伺服電機驅動式大位移振動裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及振動模擬裝置，尤其涉及一種伺服電機驅動式大位移振動裝置及方法。
【背景技術】
[0002]振動裝置主要應用于振動環(huán)境模擬領域，如地震波形再現(xiàn)，土木結構擬靜、擬動力實驗，以及包裝產品振動環(huán)境模擬等。常規(guī)的振動裝置(振動臺)包括機械式、電磁式、電液式等結構，振動過程存在噪音污染，而且可實現(xiàn)的振動位移過小，電液式振動裝置振動位移較大，但仍難滿足低頻響、大位移振動要求，并且存在環(huán)境污染。本發(fā)明針對ー種伺服電機驅動式大位移振動裝置，所設計的振動裝置可以實現(xiàn)低頻響、大位移運動，能夠真實模擬試件工作過程中的振動環(huán)境，同時，裝置采用靜壓導軌結構可以保證振動裝置具有很大的抗傾覆能力，從而保證振動裝置工作過程的平穩(wěn)性和可靠性，目前為止，國內未見此種類型通過伺服電機實現(xiàn)大位移振動模擬的振動裝置。

【發(fā)明內容】

[0003]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有振動裝置低頻響應位移過小，振動過程噪音過大的不足，提供一種伺服電機驅動式大位移振動裝置及方法。
[0004]伺服電機驅動式大位移振動裝置包括運動臺體和振動控制器，所述運動臺體包括底座、伺服電機、第一滾珠絲杠、第二滾珠絲杠、臺面、第一靜壓導軌、第二靜壓導軌、第三靜壓導軌、加速度傳感器、位移傳感器；在底座上設有伺服電機、第一靜壓導軌、第二靜壓導軌、第三靜壓導軌、以及位移傳感器的靜止部分，并通過螺栓連接，第一滾珠絲杠、第二滾珠絲杠通過齒輪傳動安裝在伺服電機的轉軸上，臺面的底部設有第一靜壓導軌、第二靜壓導軌、第三靜壓導軌的滑塊和第一滾珠絲杠、第二滾珠絲杠的螺母，并通過螺栓連接，臺面的后部設有加速度傳感器、以及位移傳感器運動桿部分,并通過螺栓連接,運動臺體由振動控制器控制。
[0005]所述振動控制器包括A/D轉換器1、A/D轉換器2、加權控制器、零位調節(jié)器、驅動信號生成器、理想信號發(fā)生器、信號合成器、PID控制器、D/A轉換器；A/D轉換器1、信號合成器、PID控制器、D/A轉換器順次相連，A/D轉換器2、加權控制器、驅動信號生成器、理想信號發(fā)生器順次相連，信號合成器分別與驅動信號生成器、零位調節(jié)器相連，A/D轉換器I與加權控制器相連。
[0006]伺服電機驅動式大位移振動的方法是:底座安裝在振動裝置基礎上，試件安裝在臺面上，A/D轉換器I連接位移傳感器，A/D轉換器2連接加速度傳感器，D/A轉換器連接伺服電機，振動控制器控制伺服電機的轉動，伺服電機通過齒輪傳動同時驅動第一滾珠絲杠、第二滾珠絲杠轉動，第一滾珠絲杠、第二滾珠絲杠的轉動進ー步驅動安裝在第一靜壓導軌、第二靜壓導軌、第三靜壓導軌的滑塊和第一滾珠絲杠、第二滾珠絲杠的螺母上的臺面沿第ー靜壓導軌、第二靜壓導軌、第三靜壓導軌方向的往復直線運動，臺面運動過程中，通過加速度傳感器、位移傳感器實時監(jiān)測臺面的加速度和位移變化，反饋加速度傳感器信號和反饋位移傳感器信號經過加權控制器進行加權處理后，通過與理想信號發(fā)生器生成的理想信號進行比較，在驅動信號生成器中生成伺服電機的數(shù)字驅動信號，信號合成器將該數(shù)字驅動信號與零位調節(jié)器輸出的零位信號進行加法合成，并與A/D轉換器I的反饋位移信號進行減法合成，輸出合成控制信號，合成控制信號經PID控制器、D/A轉換器后輸出給伺服電機，通過對合成控制信號大小及極性的控制實現(xiàn)對伺服電機轉速和轉向的控制，從而實現(xiàn)臺面的運動控制功能，臺面安裝在第一靜壓導軌、第二靜壓導軌、第三靜壓導軌的滑塊上，不僅保證臺面沿第一靜壓導軌、第二靜壓導軌、第三靜壓導軌方向直線運動，同時保證臺面具有極大的抗傾覆能力。
[0007]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
(I)本發(fā)明由于采用伺服電機驅動振動裝置，將伺服電機的轉動轉換為臺面的直線位移運動，響應速度快，相對與傳統(tǒng)的液壓驅動式振動裝置，伺服電機驅動式振動裝置運動過程無污染，噪音小，尤其適合于對振動環(huán)境要求較高的場合。
[0008](2)本發(fā)明由于采用滾珠絲杠結構作為傳動裝置，可以實現(xiàn)運動臺面的大位移運動，運動幅度可達幾米，因此具有較好的低頻特性，適用于對振動低頻特性要求較高的振動實驗。
[0009](3)本發(fā)明由于采用靜壓導軌結構，對臺面具有很好的支撐和導向作用，使臺面振動實驗過程中具有很大的抗傾覆能力，從而保證振動裝置工作過程中運動的平穩(wěn)性和可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是伺服電機驅動式大位移振動裝置結構示意圖；
圖2是本發(fā)明的振動控制器電路框圖。
【具體實施方式】
[0011]如圖1所示，伺服電機驅動式大位移振動裝置包括運動臺體和振動控制器11，所述運動臺體包括底座1、伺服電機2、第一滾珠絲杠3、第二滾珠絲杠4、臺面5、第一靜壓導軌
6、第二靜壓導軌7、第三靜壓導軌10、加速度傳感器8、位移傳感器9 ;在底座I上設有伺服電機2、第一靜壓導軌6、第二靜壓導軌7、第三靜壓導軌10、以及位移傳感器9的靜止部分，并通過螺栓連接，第一滾珠絲杠3、第二滾珠絲杠4通過齒輪傳動安裝在伺服電機2的轉軸上，臺面5的底部設有第一靜壓導軌6、第二靜壓導軌7、第三靜壓導軌10的滑塊和第一滾珠絲杠3、第二滾珠絲杠4的螺母，并通過螺栓連接，臺面5的后部設有加速度傳感器8、以及位移傳感器9運動桿部分，并通過螺栓連接，運動臺體由振動控制器11控制。
[0012]如圖2所示，所述振動控制器11包括A/D轉換器1、A/D轉換器2、加權控制器、零位調節(jié)器、驅動信號生成器、理想信號發(fā)生器、信號合成器、PID控制器、D/A轉換器；A/D轉換器1、信號合成器、PID控制器、D/A轉換器順次相連,A/D轉換器2、加權控制器、驅動信號生成器、理想信號發(fā)生器順次相連，信號合成器分別與驅動信號生成器、零位調節(jié)器相連，A/D轉換器I與加權控制器相連。
[0013]A/D轉換器1、A/D轉換器2采用高精度AK5385B A/D轉換芯片，D/A轉換器采用高精度CS4398 D/A轉換芯片，理想信號發(fā)生器、加權控制器、驅動信號生成器、信號合成器、PID控制器、零位調節(jié)器的功能通過DSP (芯片:TMS320C6713)實現(xiàn)。
[0014]A/D轉換器I連接位移傳感器9，實現(xiàn)反饋位移傳感器9信號的A/D轉換，A/D轉換器2連接加速度傳感器8，實現(xiàn)反饋加速度傳感器8信號的A/D轉換，加權控制器連接A/D轉換器I和A/D轉換器2，實現(xiàn)反饋位移傳感器9信號和反饋加速度傳感器8信號的加權處理，零位調節(jié)器實現(xiàn)運動臺體上臺面5的零位調節(jié)，理想信號發(fā)生器實現(xiàn)運動臺體臺面理想響應信號的生成，驅動信號生成器連接理想信號發(fā)生器和加權控制器，并通過比較理想信號發(fā)生器生成的理想響應信號與經過加權控制器處理后的實際反饋位移傳感器9信號和反饋加速度傳感器(8)信號，實現(xiàn)伺服電機2數(shù)字驅動信號的生成，信號合成器通過將數(shù)字驅動信號與零位調節(jié)器輸出的零位信號進行加法合成，并與A/D轉換器I的反饋位移信號進行減法合成，輸出合成控制信號，PID控制器實現(xiàn)運動臺體上臺面5的伺服控制，D/A轉換器連接伺服電機2，實現(xiàn)伺服電機2數(shù)字控制信號的D/A轉換。
[0015]伺服電機驅動式大位移振動的方法是:底座I安裝在振動裝置基礎上，試件安裝在臺面5上，A/D轉換器I連接位移傳感器9，A/D轉換器2連接加速度傳感器8，D/A轉換器連接伺服電機2，振動控制器11控制伺服電機2的轉動，伺服電機2通過齒輪傳動同時驅動第一滾珠絲杠3、第二滾珠絲杠4轉動，第一滾珠絲杠3、第二滾珠絲杠4的轉動進一歩驅動安裝在第一靜壓導軌6、第二靜壓導軌7、第三靜壓導軌10的滑塊和第一滾珠絲杠3、第二滾珠絲杠4的螺母上的臺面5沿第一靜壓導軌6、第二靜壓導軌7、第三靜壓導軌10方向的往復直線運動，臺面5運動過程中，通過加速度傳感器8、位移傳感器9實時監(jiān)測臺面5的加速度和位移變化，反饋加速度傳感器8信號和反饋位移傳感器9信號經過加權控制器進行加權處理后，通過與理想信號發(fā)生器生成的理想信號進行比較，在驅動信號生成器中生成伺服電機2的數(shù)字驅動信號，信號合成器將該數(shù)字驅動信號與零位調節(jié)器輸出的零位信號進行加法合成，并與A/D轉換器I的反饋位移信號進行減法合成，輸出合成控制信號，合成控制信號經PID控制器、D/A轉換器后輸出給伺服電機2，通過對合成控制信號大小及極性的控制實現(xiàn)對伺服電機2轉速和轉向的控制，從而實現(xiàn)臺面5的運動控制功能，臺面5安裝在第一靜壓導軌6、第二靜壓導軌7、第三靜壓導軌10的滑塊上，不僅保證臺面5沿第ー靜壓導軌6、第二靜壓導軌7、第三靜壓導軌10方向直線運動，同時保證臺面5具有極大的抗傾覆能力。
【權利要求】
1.一種伺服電機驅動式大位移振動裝置，其特征在于:包括運動臺體和振動控制器(11)，所述運動臺體包括底座(I)、伺服電機(2)、第一滾珠絲杠(3)、第二滾珠絲杠(4)、臺面(5)、第一靜壓導軌(6)、第二靜壓導軌(7)、第三靜壓導軌(10)、加速度傳感器(8)、位移傳感器(9);在底座(I)上設有伺服電機(2)、第一靜壓導軌(6)、第二靜壓導軌(7)、第三靜壓導軌(10)、以及位移傳感器(9)的靜止部分，并通過螺栓連接，第一滾珠絲杠(3)、第二滾珠絲杠(4)通過齒輪傳動安裝在伺服電機(2)的轉軸上，臺面(5)的底部設有第一靜壓導軌(6)、第二靜壓導軌(7)、第三靜壓導軌(10)的滑塊和第一滾珠絲杠(3)、第二滾珠絲杠(4)的螺母，并通過螺栓連接，臺面(5)的后部設有加速度傳感器(8)、以及位移傳感器(9)運動桿部分，并通過螺栓連接，運動臺體由振動控制器(11)控制。
2.根據(jù)權利要求1所述的ー種伺服電機驅動式大位移振動裝置，其特征在于:所述振動控制器(11)包括A/D轉換器1、A/D轉換器2、加權控制器、零位調節(jié)器、驅動信號生成器、理想信號發(fā)生器、信號合成器、PID控制器、D/A轉換器；A/D轉換器1、信號合成器、PID控制器、D/A轉換器順次相連，A/D轉換器2、加權控制器、驅動信號生成器、理想信號發(fā)生器順次相連，信號合成器分別與驅動信號生成器、零位調節(jié)器相連，A/D轉換器I與加權控制器相連。
3.ー種使用如權利要求1所述裝置的伺服電機驅動式大位移振動的方法，其特征在于:底座(I)安裝在振動裝置基礎上，試件安裝在臺面(5)上，A/D轉換器I連接位移傳感器(9 )，A/D轉換器2連接加速度傳感器(8 )，D/A轉換器連接伺服電機(2 )，振動控制器(11)控制伺服電機(2)的轉動，伺服電機(2)通過齒輪傳動同時驅動第一滾珠絲杠(3)、第二滾珠絲杠(4)轉動，第一滾珠絲杠(3)、第二滾珠絲杠(4)的轉動進一步驅動安裝在第一靜壓導軌(6)、第二靜壓導軌(7)、第三靜壓導軌(10)的滑塊和第一滾珠絲杠(3)、第二滾珠絲杠(4)的螺母上的臺面(5)沿第一靜壓導軌(6)、第二靜壓導軌(7)、第三靜壓導軌(10)方向的往復直線運動，臺面(5)運動過程中，通過加速度傳感器(8)、位移傳感器(9)實時監(jiān)測臺面(5 )的加速度和位移變化，反饋加速度傳感器(8 )信號和反饋位移傳感器(9 )信號經過加權控制器進行加權處理后，通過與理想信號發(fā)生器生成的理想信號進行比較，在驅動信號生成器中生成伺服電機(2)的數(shù)字驅動信號，信號合成器將該數(shù)字驅動信號與零位調節(jié)器輸出的零位信號進行加法合成，并與A/D轉換器I的反饋位移信號進行減法合成，輸出合成控制信號，合成控制信號經PID控制器、D/A轉換器后輸出給伺服電機(2)，通過對合成控制信號大小及極性的控制實現(xiàn)對伺服電機(2)轉速和轉向的控制，從而實現(xiàn)臺面(5)的運動控制功能，臺面(5)安裝在第一靜壓導軌(6)、第二靜壓導軌(7)、第三靜壓導軌(10)的滑塊上，不僅保證臺面(5)沿第一靜壓導軌(6)、第二靜壓導軌(7)、第三靜壓導軌(10)方向直線運動，同時保證臺面(5 )具有極大的抗傾覆能力。
【文檔編號】B06B1/12GK103551298SQ201310472010
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權日:2013年10月11日
【發(fā)明者】陳章位, 欒強利 申請人:浙江大學