专利名称：非惯性系下柔性悬臂梁的运动控制和振动控制实验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种运动控制和振动控制实验系统，具体是一种非惯性系下柔性悬臂梁的运动控制和振动控制实验系统，用于机械工程领域。
背景技术：
在研制IC后封装装备关键技术单元原型系统的过程中抽象出旋转柔性悬臂梁这一力学模型，由于IC产业的具体特点，对旋转柔性梁的定位精度要求小于5μm，并要求在高速旋转和高加速度起停工况下对其实施振动主动控制。
基于高速、高加速度旋转柔性悬臂梁的运动控制和振动控制实验系统，可揭示IC后封装关键技术单元在极限工况下的力学新现象，加深对于柔性多体系统动力学现有理论的理解，推动人们对于刚柔耦合动力学建模理论的深入研究，将旋转柔性悬臂梁的运动控制和振动控制的研究水平提高到一个新的层次。迄今为止，针对高速旋转柔性悬臂梁“动力刚化”问题的实验研究鲜见报导，关于旋转柔性悬臂梁主动控制实验方面的研究更是远远落后于理论研究的发展，从而极大地限制了将这些理论研究成果应用于机器人、机械臂、直升机旋翼和带挠性附件的航天器等诸多具有柔性结构的控制系统中。
经对现有技术的文献检索发现，杨辉等人在《力学学报》，2004，36(1)118～124上发表的“动力刚化问题的实验研究”，该文献设计了一个单轴气浮旋转柔性梁实验系统，采用卫星帆板全物理仿真实验设备，主要由单轴气浮台、柔性梁以及感应同步器等组成，平台转动时轴承处的阻尼非常小。单轴气浮台星体部分相当于一个可绕中心轴转动的刚体，柔性铝梁固定在星体上刚性铝合金框架的某一位置上。实验系统采用磁感应同步器测量气浮台台体的转角，并经过角度数显表传输给地面计算机。该系统以低阻尼、带挠性附件的航天器为实物模型设计，旋转角速度相对较低，可用于验证刚柔耦合动力学建模方法的正确性，揭示整个刚柔耦合系统的一些振动特性。然而该实验装置无法满足目前旋转柔性悬臂梁的运动控制和振动控制的理论研究对实验装置的要求柔性梁上无作动装置，无法实现振动主动控制；气浮台星体部分的旋转运动不受反馈通道的控制，无法实现柔性梁的运动控制和精确定位；整个系统工作在低速工况下，无法应用于高速、高加速度旋转柔性梁的实验研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种非惯性系下柔性悬臂梁运动控制和振动控制实验系统，使其可用于验证刚柔耦合动力学的建模理论，揭示刚柔耦合系统的动力学特性和高加速度起停工况下旋转柔性梁的力学新现象，更重要的是，该系统可在计算机上实现运动信号和振动信号的共享和融合，从而便于实施非惯性系下柔性梁的精确定位和振动控制。
本发明通过以下技术方案实现的，本发明包括高压功率放大器、压电传感器、压电作动器、铝梁、夹具、高速旋转实验台、电机驱动器、基于PCI总线的电机运动控制卡、计算机、基于PCI总线的DSP控制卡和信号调理放大器。铝梁上粘贴压电传感器和压电作动器，并通过夹具设置在高速旋转实验台上，DSP控制卡的模拟输出端接高压功率放大器的模拟输入端，高压功率放大器的电压输出端接到压电作动器的电极上，压电传感器的电极经信号调理放大器接到DSP控制卡的模拟输入端，电机运动控制卡的控制器连接端接电机驱动器的控制器连接端，电机驱动器的编码器连接端连接到高速旋转实验台中，基于PCI总线的DSP控制卡和电机运动控制卡均插入计算机的IO扩展槽。
本发明以计算机为中心，主要分为两部分一部分是由高速旋转实验台、电机驱动器、基于PCI总线的伺服电机运动控制卡及计算机组成的旋转柔性梁运动控制子系统；另一部分是由压电传感器和作动器、高压功率放大器、信号调理放大器、基于PCI总线的DSP控制卡及计算机组成的柔性梁振动主动控制子系统。第一部分的作用是实现高速旋转运动和高加速度起停，激发柔性梁的弹性振动，执行计算机的运动控制指令，实时反馈电机的运动信号；第二部分的作用是主动抑制柔性梁的弹性振动，执行计算机的振动控制指令，输出柔性梁的弹性振动信号。其信号传递关系为运动控制子系统和振动控制子系统分别将运动信号和振动信号传递给计算机，由计算机实现运动信号和振动信号的信息共享和融合，然后分别向运动控制子系统和振动控制子系统输出运动控制信号和振动控制信号，振动控制和运动控制同步实施以实现旋转柔性梁的精确定位和振动控制。
所述的高速旋转实验台由最高转速为3000rpm的高性能交流伺服电机、传动轴、安装盘和支架组成。为提高系统的刚度，安装盘和传动轴设计为一体。交流伺服电机设置在支架上，铝梁通过安装盘上的夹具设置在传动轴上，交流伺服电机经由传动轴带动柔性铝梁高速旋转。电机驱动器的编码器连接端连接到高速旋转实验台中的交流伺服电机的编码器，电机驱动器的电机连接端子和交流伺服电机的电机电缆连接。这里选用高性能交流伺服电机以产生瞬时大扭矩，且扭矩输出稳定，可以驱动柔性梁实现高速旋转运动和高加速度起停，满足精确定位的要求；由电机内嵌的光电码盘获取电机的角位移并经电机驱动器反馈给电机运动控制卡，对测量到的角位移经数值微分和数据平滑处理后即可获得角速度值，电机运动控制卡将这些运动信号反馈给计算机；铝梁上粘贴作为传感器和执行器的压电陶瓷材料，可实现振动信号的传感和实施振动主动控制；安装盘上可以固定各种夹具使柔性梁水平设置或者垂直设置。
本发明具有实质性特点和显著进步，本发明可用于检验刚柔耦合动力学模型的正确性和有效性，推动人们对于刚柔耦合动力学建模理论的深入研究；同时，本发明集成了运动控制子系统和振动主动控制子系统，为高速旋转柔性梁的精确定位和振动控制的实验研究提供了一个开放的硬件平台。
图1本发明结构示意2本发明信号传递关系框3本发明高速旋转实验台结构示意图具体实施方式
如图1所示，本发明包括高压功率放大器1、铝梁2、压电作动器3、压电传感器4、夹具5、高速旋转实验台6、电机驱动器7、基于PCI总线的电机运动控制卡8、计算机9、基于PCI总线的DSP控制卡10和信号调理放大器11。铝梁2上粘贴压电传感器4和压电作动器3，并通过夹具5设置在高速旋转实验台6上，DSP控制卡10的模拟输出端接高压功率放大器1的模拟输入端，高压功率放大器1的电压输出端接到压电作动器3的电极上，压电传感器4的电极经信号调理放大器11接到DSP控制卡10的模拟输入端，电机运动控制卡8的控制器连接端接电机驱动器7的控制器连接端，电机驱动器7的编码器连接端连接到高速旋转实验台6中，基于PCI总线的电机运动控制卡8、DSP控制卡10均插入计算机9的IO扩展槽。
如图2所示，按信号传递关系本发明可分为两部分，其中高速旋转实验台6、电机驱动器7、基于PCI总线的伺服电机运动控制卡8及计算机9组成运动控制子系统；压电传感器4和压电作动器3、高压功率放大器1、信号调理放大器11、基于PCI总线的DSP控制卡10及计算机9组成振动控制子系统。运动控制信号和振动控制信号分别由运动控制子系统和振动控制子系统传递给计算机9，经计算机9处理后，计算机9分别给运动控制子系统和振动控制子系统发出运动控制信号和振动控制振动控制信号，从而实现旋转柔性梁的精确定位和和振动主动控制。
DSP控制卡10发出的振动控制信号经由高压功率放大器1送给压电作动器3，而压电传感器4的传感信号经由信号调理放大器11传给DSP控制卡10。电机运动控制卡8经电机驱动器7和高速旋转实验台6实现双向通信电机运动控制卡8给实验台6发出运动控制信号，实验台6实时返回运动信号。DSP控制卡10和电机运动控制卡8在计算机9中实现振动控制信号和运动控制信号的共享和融合。
如图3所示，高速旋转实验台6包括安装盘12、传动轴13、支架14和交流伺服电机15；铝梁2通过夹具5设置在安装盘12上，安装盘12和传动轴13固连，支架14固定在地面上，交流伺服电机15设置支架14上，并经由传动轴13驱动铝梁高速旋转，实现高速旋转运动和高加速度起停。
电机驱动器7的编码器连接端连接到高速旋转实验台6中的交流伺服电机15的编码器，电机驱动器7的电机连接端子和交流伺服电机15的电机电缆连接。
权利要求
1.一种非惯性系下柔性悬臂梁的运动控制和振动控制实验系统，包括高压功率放大器(1)、铝梁(2)、压电传感器(4)、夹具(5)、高速旋转实验台(6)、电机驱动器(7)、计算机(9)和信号调理放大器(11)，其特征在于，还包括压电作动器(3)、基于PCI总线的电机运动控制卡(8)、基于PCI总线的DSP控制卡(10)，铝梁(2)上粘贴压电传感器(4)和压电作动器(3)，并通过夹具(5)设置在高速旋转实验台(6)上，DSP控制卡(10)的模拟输出端接高压功率放大器(1)的模拟输入端，高压功率放大器(1)的电压输出端接到压电作动器(3)的电极上，压电传感器(4)的电极经信号调理放大器(11)接到DSP控制卡(10)的模拟输入端，电机运动控制卡(8)的控制器连接端接电机驱动器(7)的控制器连接端，电机驱动器(7)的编码器连接端连接到高速旋转实验台(6)中，基于PCI总线的DSP控制卡(10)和电机运动控制卡(8)均插入计算机(9)的IO扩展槽。
2.根据权利要求1所述的非惯性系下柔性悬臂梁的运动控制和振动控制实验系统，其特征是，根据信号的传递关系，高速旋转实验台(6)、电机驱动器(7)、基于PCI总线的伺服电机运动控制卡(8)及计算机(9)构成运动控制子系统，压电传感器(4)和作动器(3)、高压功率放大器(1)、信号调理放大器(11)、基于PCI总线的DSP控制卡(10)及计算机(9)构成振动控制子系统。
3.根据权利要求1所述的非惯性系下柔性悬臂梁的运动控制和振动控制实验系统，其特征是，高速旋转实验台(6)包括安装盘(12)、传动轴(13)、支架(14)和交流伺服电机(15)，铝梁(2)通过夹具(5)设置在安装盘(12)上，安装盘(12)和传动轴(13)固连，支架(14)固定在地面上，交流伺服电机(15)设置在支架(14)上。
4.根据权利要求1或者3所述的非惯性系下柔性悬臂梁的运动控制和振动控制实验系统，其特征是，电机驱动器(7)的编码器连接端连接到高速旋转实验台(6)中的交流伺服电机(15)的编码器，电机驱动器(7)的电机连接端子和交流伺服电机(15)的电机电缆连接。
全文摘要
一种非惯性系下柔性悬臂梁的运动控制和振动控制实验系统，铝梁上粘贴压电传感器和压电作动器，并通过夹具设置在高速旋转实验台上，DSP控制卡的模拟输出端接高压功率放大器的模拟输入端，高压功率放大器的电压输出端接到压电作动器的电极上，压电传感器的电极经信号调理放大器接到DSP控制卡的模拟输入端，电机运动控制卡的控制器连接端接电机驱动器的控制器连接端，电机驱动器的编码器连接端连接到高速旋转实验台中，DSP控制卡和电机运动控制卡均插入计算机的IO扩展槽。本发明可用于检验刚柔耦合动力学模型的正确性和有效性；同时集成了运动控制子系统和振动主动控制子系统，为高速旋转柔性梁的精确定位和振动控制的提供了一个开放的硬件平台。
文档编号G01M7/02GK1603770SQ200410067808
公开日2005年4月6日 申请日期2004年11月4日 优先权日2004年11月4日
发明者孟光, 周烁, 吕万明, 李鸿光 申请人:上海交通大学