一种基于瓦形压电片的智能扭振控制杆
阅读：452发布：2020-05-12
专利汇可以提供一种基于瓦形压电片的智能扭振控制杆专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于瓦形压电片的智能扭振控制杆。空心圆杆的两端分别装有可与其它构件相固连的连接 块 ，在装有连接块一端的空心圆杆端部外表面向空心圆杆方向依次安装有压电扭转 驱动器 和压电 传感器 。当连接端一端相对于另一连接端一端有扭转 变形 或扭转振动产生时， 压电传感器 检测到 信号 经反相放大送入压电扭转驱动器，压电扭转驱动器产生一个与扭转变形反相的扭转 力 矩抑制其变形或振动。该杆集传感与驱动控制一体化，具有结构紧凑，控制特性好，功耗低，抑振效果佳等优点。它可广泛用于空间 机器人 的操作杆、 桁架结构 中的基本单元以及对扭转振动需进行抑(隔)振的主动振动控制领域。，下面是一种基于瓦形压电片的智能扭振控制杆专利的具体信息内容。
一种基于瓦形压电片的智能扭振控制杆
技术领域
本发明涉及抑制扭振控制装置，是一种基于瓦形压电片的智能扭振控制杆。
背景技术
在复杂激励力作用下，许多构件往往会产生轴向伸缩振动，弯曲振动，甚至扭转振动。由于扭转振动表现不太直观，往往不引起人们的注意。但是随着各类设备输出功率的增加，导致设备主要构件体积的增大，刚度大幅下降，尤其是在航天领域中，为降低发射成本，要求航天结构实现轻型化、低刚度和柔性化设计，使得这些构件上扭振的影响越来越明显，有些场合甚至已经产生严重的危害性。例如，空间机器人的操纵臂、空间站上展开的太阳能帆板的支架(长可达几十米，宽几米)、口径达十几米的抛物面天线、射电望远镜等，其支架的一阶扭振频率往往在几赫兹以内，因此，外界的一点点扰动，就极易引起扭振共振。扭振的出现将会影响机器人操纵臂控制精度的下降，望远镜观测精度的下降，太阳能帆板的破坏等。而且在空间中，由于没有空气等阻力，振动的衰减将是极其缓慢的。
与其他的振动控制一样，对扭转振动控制一般也可分为被动式控制和主动式控制。被动式控制具有结构简单，工作可靠，不需要消耗附加能源等优点，在一般工业技术的应用中常获得满意的结果，但是它适合于抑制中高频率振动信号，对低频率振动信号抑制效果不理想。主动式控制采取对振动系统实行闭环校正，通过外界能量的输入来抑制振动，因此在复合激励环境下具有较强的抗干扰能力，尤其对低频振动信号抑制非常有效，因而引起人们的充分重视。从五十年代以来，采用主动振动控制方式的精密隔振平台、柔性板梁等实例已有大量报道，但是对扭振进行振动主动控制的报道相对较少，主要原因是适合于主动控制用的扭振驱动器极少，当今在主动振动控制中应用已较广泛技术较成熟的驱动器：如伺服气(液)动驱动器、电磁驱动器、超磁致伸缩驱动器(GMA)，基于形状记忆合金驱动器(SMA)等，往往只能产生轴向力，较难应用于扭振控制。从目前国内外已报道的文献看，对扭振进行主动控制的主要有：一种是采用特制的电磁驱动式电机作为扭振驱动器对轴进行扭振主动控制；一种是采用离心摆锤振动吸振器，通过主动调节摆的谐振频率和路径设计来主动抑制扭振；还有一种采用电流变液体(ERF)的扭振阻尼器，通过改变电压主动改变液体的阻尼来主动抑制扭振。但分析上述提及的驱动器多具有结构复杂，体积大，安装有特定要求，控制特性一般等特点。
与其他的振动控制一样，对扭转振动控制一般也可分为被动式控制和主动式控制。被动式控制具有结构简单，工作可靠，不需要消耗附加能源等优点，在一般工业技术的应用中常获得满意的结果，但是它适合于抑制中高频率振动信号，对低频率振动信号抑制效果不理想。主动式控制采取对振动系统实行闭环校正，通过外界能量的输入来抑制振动，因此在复合激励环境下具有较强的抗干扰能力，尤其对低频振动信号抑制非常有效，因而引起人们的充分重视。从五十年代以来，采用主动振动控制方式的精密隔振平台、柔性板梁等实例已有大量报道，但是对扭振进行振动主动控制的报道相对较少，主要原因是适合于主动控制用的扭振驱动器极少，当今在主动振动控制中应用已较广泛技术较成熟的驱动器：如伺服气(液)动驱动器、电磁驱动器、超磁致伸缩驱动器(GMA)，基于形状记忆合金驱动器(SMA)等，往往只能产生轴向力，较难应用于扭振控制。从目前国内外已报道的文献看，对扭振进行主动控制的主要有：一种是采用特制的电磁驱动式电机作为扭振驱动器对轴进行扭振主动控制；一种是采用离心摆锤振动吸振器，通过主动调节摆的谐振频率和路径设计来主动抑制扭振；还有一种采用电流变液体(ERF)的扭振阻尼器，通过改变电压主动改变液体的阻尼来主动抑制扭振。但分析上述提及的驱动器多具有结构复杂，体积大，安装有特定要求，控制特性一般等特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于瓦形压电片的智能扭振控制杆，通过杆上的传感器自感知到的扭振信号经反相放大送入同一杆上的压电扭转驱动器产生一个与扭转振动反相的扭转力矩抑制其振动。
本发明采用的技术方案如下：一种基于瓦形压电片的智能扭振控制杆包括：空心圆杆，压电传感器，压电扭转驱动器，分别装在空心圆杆两端的二块连接块；在装有连接块一端的空心圆杆端部外表面向空心圆杆方向依次安装有压电扭转驱动器和压电传感器。
所说的压电传感器和压电扭转驱动器均由数个两侧面涂覆银电极的采用厚度切变振动极化模式的瓦形压电片分别按相同的极化方向粘接成一圆环，粘贴在靠近空心圆杆的端部。
当连接端相对于连接端有扭转变形或扭转振动产生时，传感器检测到信号经反相放大送入压电扭转驱动器，压电扭转驱动器产生一个与扭转变形反相的扭转力矩抑制其变形或振动。
本发明具有如下优点：1)结构简单紧凑：由于采用了薄片型的压电扭转驱动器，因此该控制杆与一般的圆杆结构基本一致，无其它附加结构，因此在使用时非常方便。由于压电材料具有单位体积输出扭矩大的特点，因此尺寸重量小，且能加工成各种形状，非常适合于空间结构轻量化要求；2)控制特性好：由于压电材料具有响应快，频响宽(可至零频响应)，温度特性稳定，无滞后，小功率能驱动，输入电压与输出扭矩具有良好的线性性，而传感器与扭转振动变形量成比例关系，因此控制容易，精度高；3)适应范围宽：由于该控制杆具有自感知自驱动控制的智能特点，在外界的复合激励下能够达到高精度的抑振要求，另外，压电不产生磁场，也不受到磁场影响，这点非常有利于空间对磁场有特殊要求的场合。
它可广泛用于空间机器人的操作杆，用于桁架结构中的基本单元以及对扭转振动需进行抑(隔)振的主动振动控制领域。
附图说明
图1是本发明的剖面图；图2是压电扭转驱动器和传感器布置的立体示意图；图3是一片瓦形压电扭转驱动器示意图；图4是本发明系统工作原理示意图。
本发明采用的技术方案如下：一种基于瓦形压电片的智能扭振控制杆包括：空心圆杆，压电传感器，压电扭转驱动器，分别装在空心圆杆两端的二块连接块；在装有连接块一端的空心圆杆端部外表面向空心圆杆方向依次安装有压电扭转驱动器和压电传感器。
所说的压电传感器和压电扭转驱动器均由数个两侧面涂覆银电极的采用厚度切变振动极化模式的瓦形压电片分别按相同的极化方向粘接成一圆环，粘贴在靠近空心圆杆的端部。
当连接端相对于连接端有扭转变形或扭转振动产生时，传感器检测到信号经反相放大送入压电扭转驱动器，压电扭转驱动器产生一个与扭转变形反相的扭转力矩抑制其变形或振动。
本发明具有如下优点：1)结构简单紧凑：由于采用了薄片型的压电扭转驱动器，因此该控制杆与一般的圆杆结构基本一致，无其它附加结构，因此在使用时非常方便。由于压电材料具有单位体积输出扭矩大的特点，因此尺寸重量小，且能加工成各种形状，非常适合于空间结构轻量化要求；2)控制特性好：由于压电材料具有响应快，频响宽(可至零频响应)，温度特性稳定，无滞后，小功率能驱动，输入电压与输出扭矩具有良好的线性性，而传感器与扭转振动变形量成比例关系，因此控制容易，精度高；3)适应范围宽：由于该控制杆具有自感知自驱动控制的智能特点，在外界的复合激励下能够达到高精度的抑振要求，另外，压电不产生磁场，也不受到磁场影响，这点非常有利于空间对磁场有特殊要求的场合。
它可广泛用于空间机器人的操作杆，用于桁架结构中的基本单元以及对扭转振动需进行抑(隔)振的主动振动控制领域。
附图说明
图1是本发明的剖面图；图2是压电扭转驱动器和传感器布置的立体示意图；图3是一片瓦形压电扭转驱动器示意图；图4是本发明系统工作原理示意图。
具体实施方式
如图1所示，它包括：空心圆杆4，压电传感器3，压电扭转驱动器2，分别装在空心圆杆4两端的二块连接块1、5；在装有连接块一端的空心圆杆端部外表面向空心圆杆方向依次安装有压电扭转驱动器2和压电传感器3。
本发明采用厚度切变振动极化模式即机电耦合系数为K15(压电常数d15)的压电材料作为驱动器，设计了一种基于瓦形压电片的智能扭振控制杆。如图1所示，压电扭转驱动器2和压电传感器3通过胶粘剂直接粘贴于与空心圆杆4外表面，压电扭转驱动器2粘贴的位置尽量接近空心圆杆的端部，这样产生的扭转力矩效果最佳。压电传感器3粘贴的位置在压电扭转驱动器上方，且尽量接近，因为这样传感器可感受到的信号更大，且由于杆的扭转变形量与传感器的应变电荷量成线性关系，因此传感器的输出信号大小与杆端部的扭转振动位移大小成正比关系。连接块1和连接块5通过强力胶粘剂或焊接方式分别联接在空心圆杆4的两端，并可以根据外部不同的连接对象设计成不同的结构，如螺纹，花键连接等。
如图2和图3所示，对压电扭转驱动器2和压电传感器3的构造进行说明：整个驱动器和传感器由若干个采用厚度切变振动极化模式的瓦形压电片6粘接而成。其制造工艺如下：首先将每个瓦形压电片6(以下简称瓦片)按如下方式极化，在每一瓦片的两侧面涂覆银电极，把瓦片置于硅油中，在加热条件下，加上2～3kV/mm的直流偏压对压电片进行极化，8为极化面(瓦片左右侧面)。然后采用环氧型粘接剂将瓦片按相同的极化方向(图中箭头表示极化方向)直接粘贴在空心圆杆4的外表面成一圆环，并从瓦片的电极面7两端面(瓦片上下面)引出电极。瓦片的内径等于空心圆杆的外径。另外需要指出的是制造时所分瓦片越多，切向极化越均匀，但相应粘接变得复杂，若所分瓦片较少，则要求极化电压高且极化不均匀，因此需要根据空心圆杆4的外径大小决定瓦片的合适数目。根据以上制成的压电扭转驱动器，当向其两电极端面加上电压时，驱动器的两端面间会产生一个与电压成比例的扭转角，改变电压的方向，扭转角方向也随之改变。当控制杆的连接块1固定不动时，通过对压电扭转驱动器施加电压，相当于在空心圆杆4的靠近压电驱动器的端部施加了一个扭转力矩。
如图4所示，为控制杆进行扭振主动抑振系统的工作原理图。因为控制杆往往与其它构件连接一起使用，例如，当此控制杆用作多臂机器人的操作臂时，一般在连接块5处会装上关节电机，此关节电机再驱动下一操作臂，当此臂在抓取或搬运物体时，必然会产生一个扭矩作用于控制杆上，当此扭矩发生变化时常易引起控制杆的扭转振动，特别当控制杆的一阶扭振频率较低时，极易引起一阶扭振谐振。这时机器人的末端操作位置不能再按刚性连杆的几何位置求取，而要加上此扭振摆动引起的位移，因而使机器人的操作精度下降。如果能在控制杆的另一端连接块1处施加一个与上述引起扭转摆动的干扰扭矩时刻反相的控制扭矩，则就可以减小控制杆扭转振动的幅值，提高机器人的操作精度。因此，根据图4所示，当控制杆受到外界干扰力时发生扭转变形时，传感器3将会感受到变形振动信号并将振动转换成电信号，并经信号放大器放大送入A/D模数转换器，A/D模数转换器作用是把电信号由模拟量转换成数字量，数字量在控制器内通过某种控制算法输出控制信号，D/A模数转换器把控制信号由数字量转换成模拟量，因为这时的信号比较微弱不足以去驱动压电驱动器，所以还必须经过一个功率放大电路。经过放大的控制信号输入压电驱动器内使驱动器产生扭转力矩，抵消了外界的扭转变形和振动，从而达到减小扭振的幅度或使其快速衰减。
控制器可以采用PC机或其它单片机等，采用数字控制方法，可以使控制器中的算法更丰富。当然上述闭环反馈控制完全也可以由模拟电路来完成。
本发明采用厚度切变振动极化模式即机电耦合系数为K15(压电常数d15)的压电材料作为驱动器，设计了一种基于瓦形压电片的智能扭振控制杆。如图1所示，压电扭转驱动器2和压电传感器3通过胶粘剂直接粘贴于与空心圆杆4外表面，压电扭转驱动器2粘贴的位置尽量接近空心圆杆的端部，这样产生的扭转力矩效果最佳。压电传感器3粘贴的位置在压电扭转驱动器上方，且尽量接近，因为这样传感器可感受到的信号更大，且由于杆的扭转变形量与传感器的应变电荷量成线性关系，因此传感器的输出信号大小与杆端部的扭转振动位移大小成正比关系。连接块1和连接块5通过强力胶粘剂或焊接方式分别联接在空心圆杆4的两端，并可以根据外部不同的连接对象设计成不同的结构，如螺纹，花键连接等。
如图2和图3所示，对压电扭转驱动器2和压电传感器3的构造进行说明：整个驱动器和传感器由若干个采用厚度切变振动极化模式的瓦形压电片6粘接而成。其制造工艺如下：首先将每个瓦形压电片6(以下简称瓦片)按如下方式极化，在每一瓦片的两侧面涂覆银电极，把瓦片置于硅油中，在加热条件下，加上2～3kV/mm的直流偏压对压电片进行极化，8为极化面(瓦片左右侧面)。然后采用环氧型粘接剂将瓦片按相同的极化方向(图中箭头表示极化方向)直接粘贴在空心圆杆4的外表面成一圆环，并从瓦片的电极面7两端面(瓦片上下面)引出电极。瓦片的内径等于空心圆杆的外径。另外需要指出的是制造时所分瓦片越多，切向极化越均匀，但相应粘接变得复杂，若所分瓦片较少，则要求极化电压高且极化不均匀，因此需要根据空心圆杆4的外径大小决定瓦片的合适数目。根据以上制成的压电扭转驱动器，当向其两电极端面加上电压时，驱动器的两端面间会产生一个与电压成比例的扭转角，改变电压的方向，扭转角方向也随之改变。当控制杆的连接块1固定不动时，通过对压电扭转驱动器施加电压，相当于在空心圆杆4的靠近压电驱动器的端部施加了一个扭转力矩。
如图4所示，为控制杆进行扭振主动抑振系统的工作原理图。因为控制杆往往与其它构件连接一起使用，例如，当此控制杆用作多臂机器人的操作臂时，一般在连接块5处会装上关节电机，此关节电机再驱动下一操作臂，当此臂在抓取或搬运物体时，必然会产生一个扭矩作用于控制杆上，当此扭矩发生变化时常易引起控制杆的扭转振动，特别当控制杆的一阶扭振频率较低时，极易引起一阶扭振谐振。这时机器人的末端操作位置不能再按刚性连杆的几何位置求取，而要加上此扭振摆动引起的位移，因而使机器人的操作精度下降。如果能在控制杆的另一端连接块1处施加一个与上述引起扭转摆动的干扰扭矩时刻反相的控制扭矩，则就可以减小控制杆扭转振动的幅值，提高机器人的操作精度。因此，根据图4所示，当控制杆受到外界干扰力时发生扭转变形时，传感器3将会感受到变形振动信号并将振动转换成电信号，并经信号放大器放大送入A/D模数转换器，A/D模数转换器作用是把电信号由模拟量转换成数字量，数字量在控制器内通过某种控制算法输出控制信号，D/A模数转换器把控制信号由数字量转换成模拟量，因为这时的信号比较微弱不足以去驱动压电驱动器，所以还必须经过一个功率放大电路。经过放大的控制信号输入压电驱动器内使驱动器产生扭转力矩，抵消了外界的扭转变形和振动，从而达到减小扭振的幅度或使其快速衰减。
控制器可以采用PC机或其它单片机等，采用数字控制方法，可以使控制器中的算法更丰富。当然上述闭环反馈控制完全也可以由模拟电路来完成。
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