一種柔性梁末端振動特性測試裝置及測試方法
【專利摘要】本發明是一種柔性梁末端振動特性測試裝置及測試方法。包括操作平臺、工作臺、直線滑臺、可調節支架、柔性梁、末端質量體、阻尼可調節裝置及其控制系統，控制系統包括有運動控制器、激光位移測量系統、計算機，工作臺固定在操作平臺上，工作臺的上部分固定有交流伺服電機和滑臺，伺服電機的輸出軸與滑臺中的滾珠絲桿相連；滑塊與絲杠螺母相連；末端質量體裝設在柔性梁的一端；阻尼調節裝置固定在工作臺上，激光位移測量系統的信號輸出端與計算機連接，計算機與運動控制器相連，運動控制器與驅動器相連，伺服電機的編碼器檢測伺服電機的轉速，編碼器的信號輸出端與驅動器的信號輸入端連接，驅動器的信號輸出端與伺服電機連接。本發明能有效測試梁末端質量體的振動特性。
【專利說明】一種柔性梁末端振動特性測試裝置及測試方法
【技術領域】
[0001]本發明是一種柔性梁末端振動特性測試裝置及測試方法，屬于柔性梁末端振動特性測試裝置及其測試方法的創新技術。
【背景技術】
[0002]在機器人、高速板材送料、高速封裝等設備的工程應用中，針對這些設備的運行特點，可提煉出這樣一類帶末端質量體的柔性梁系統，其作快速、頻繁點到點的運動，且要求末端質量在目標點處高精度定位。這一類帶末端質量體的柔性梁系統在許多領域中有著強烈的工程應用背景，且由于實際工程的特殊性，梁末端一般無法安裝反饋檢測裝置。因此有必要研制一套簡單、實用的無狀態反饋的柔性梁機械裝置，可進行運動特性的測試以及模型、定位控制算法有效性的驗證，這樣驗證后的成果才能有效、節能、安全地應用到實際工程中去。
[0003]目前，可用于帶末端質量體的柔性梁系統的振動特性測試的實驗裝置主要是采用伺服電機或者直線電機驅動運動平臺，采用磁柵或者光柵作為位置檢測元件，形成一個全閉環的控制系統，與實際的工程應用中不能安裝有反饋檢測裝置相矛盾。另外，常見的實驗裝置中的梁及末端質量一般都是固定在運動平臺上，不能隨意改變其參數，一旦控制系統的機械參數發生變化，就必須要改動整個機械裝置，靈活性差。此外，目前很多的實驗裝置在模擬系統阻尼時，通常都是在控制器上外加一個干擾電信號，然后通過設計算法來進行控制，雖然能夠達到一定的模擬和控制效果，但與實際系統的物理結構不符。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于考慮上述問題而提供一種柔性梁末端振動特性測試裝置。本發明在無狀態反饋情況下，當系統作快速、頻繁點到點運動時，能有效測試梁末端質量體的振動特性，為模型及其定位控制算法的驗證提供一種結構簡單的測試裝置。
[0005]本發明的另一目的在于提供一種操作方便、擴展性強、方便實用的柔性梁末端振動特性測試裝置的測試方法。
[0006]本發明的技術方案是:本發明的柔性梁末端振動特性測試裝置，包括操作平臺、工作臺、直線滑臺、可調節支架、柔性梁、末端質量體、阻尼可調節裝置及其控制系統，控制系統包括有運動控制器、激光位移測量系統、計算機，工作臺固定在操作平臺上，工作臺的上部分固定有交流伺服電機和滑臺，伺服電機的伺服電機輸出軸直接與滑臺中的滾珠絲桿相連；滑臺兩端固定有第一限位開關和第二限位開關，第一限位開關和第二限位開關的信號輸出端與運動控制器相連；滑塊與絲杠螺母相連；滾珠絲桿與絲杠螺母組成螺旋傳動副，可調節支架固定在滑塊上；末端質量體裝設在柔性梁的一端；阻尼調節裝置固定在工作臺上，激光位移測量系統測量滑塊和末端質量體的位移量，且激光位移測量系統的信號輸出端與計算機連接，計算機與運動控制器相連，運動控制器與驅動器相連，伺服電機的編碼器檢測伺服電機的轉速，編碼器的信號輸出端與驅動器的信號輸入端連接，驅動器的信號輸出端與伺服電機連接。
[0007]上述激光測量系統包括有第一激光感測頭、第二激光感測頭以及激光控制器，第一激光感測頭和第二激光感測頭分別無接觸測量滑塊和末端質量體的位移量，第一激光感測頭和第二激光感測頭的信號輸出端與激光控制器連接，激光控制器通過導線與計算機相連。
[0008]上述可調節支架包括有底板、底板中部的豎直架以及豎直架上部的調節架，豎直架固定在可調節支架的底板上，調節架通過固定螺栓將柔性梁固定在豎直架上，通過固定螺栓調節柔性梁的有效梁長。
[0009]上述阻尼調節裝置固定在工作臺上，阻尼調節裝置包括有阻尼材料放置架、調節閥門、移動桿、第一放置架固定機構和第二放置架固定機構、第一連接軸和第二連接軸、放置架移動機構，其中第一放置架固定機構和第二放置架固定機構固定在工作臺上，第一連接軸和第二連接軸通過連接螺栓固定在第一放置架固定機構和第二放置架固定機構的兩端，阻尼材料放置架固定在放置架移動機構的上方，放置架移動機構的兩端通過通孔穿過第一連接軸和第二連接軸，且底部不與工作臺接觸，調節閥門固定在移動桿的頂端，移動桿通過通孔穿過第一放置架固定機構和第二放置架固定機構，移動桿通過螺紋孔穿過放置架移動機構，移動桿為螺紋桿，旋轉調節閥門，放置架移動機構能前后移動，從而使得阻尼材料放置架能沿柔性梁的方向前后移動。
[0010]本發明柔性梁末端振動特性測試裝置的測試方法，包括如下步驟:
[0011]I)先將工作臺固定在操作平臺上，再將直線滑臺和伺服電機固定在工作臺的上部分，然后將可調節支架通過六角螺栓固定在與絲杠螺母機構相連的滑塊上，然后通過調節架用固定螺栓將柔性梁固定在可調節支架的豎直架上；
[0012]2)通過觸摸屏設定移動的短距離位移值或者速度/加速度值，并傳給計算機，與計算機相連的運動控制器將設定的物理量值進行轉換和調理為電信號來驅動伺服電機，從而驅動直線滑臺中的絲杠帶動滑塊快速水平移動，固定在滑臺兩端的第一限位開關和第二限位開關有效防止伺服電機過沖和實現電機的往復運動；同時，固定在滑塊上的可調節支架的豎直架上的柔性梁會連同末端質量體一起移動；旋轉阻尼調節裝置的調節閥門能調節末端質量體是否接入摩擦阻尼；驅動柔性梁移動的剛性滑塊和末端質量體的位移值由無接觸式的激光測量系統中的第一激光感測頭和第二激光感測頭直接測得并由激光控制器處理后傳給計算機，經處理后傳給觸摸屏顯示；
[0013]3)經激光測量系統測量的滑塊的位移，以及柔性梁變形引起末端質量體的振動信號，經過激光測量系統中的激光控制器進行處理和分析，然后上傳至計算機保存，并通過觸摸屏進行顯示和對比。
[0014]本發明能夠開展快速、頻繁點到點運動的梁的振動試驗，彌補現有裝置及方法與實際工程模型不一致；以及彌補現有實驗裝置及方法局限于固定的模塊搭建模式，如梁單元不能任意改變，且不能隨意簡單的改變末端質量體的阻尼，一旦這些量發生變化，整個結構就要改變，裝置結構靈活性差，不能方便、靈活地測量快速、頻繁點到點運動下的帶末端質量體的柔性梁的振動特性。本發明適用于機器人、高速板材送料、高速封裝等設備的工程應用領域中存在柔性運動機構末端的振動特性和定位控制的研究，尤其是可研究伺服驅動下的帶末端質量體的柔性梁系統在末端無狀態反饋下，作頻繁、快速啟停時的振動特性，以及考慮阻尼變化情況下，柔性梁的彈性變形對末端質量體定位的影響，利用本發明對結構優化設計、梁末端質量體定位控制具有很好的指導意義。本發明為帶末端質量體的梁系統模型及其末端定位控制算法的驗證提供簡單、實用的測試裝置和方法，是一種方便實用的柔性梁末端振動特性測試裝置及其測試方法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明的結構示意圖；
[0016]圖2為本發明的控制原理圖。
【具體實施方式】
[0017]實施例:
[0018]本發明的結構示意圖如圖1所示，本發明的柔性梁末端振動特性測試裝置，包括操作平臺1、工作臺2、直線滑臺4、可調節支架5、柔性梁11、末端質量體12、阻尼可調節裝置13及其控制系統，控制系統包括有運動控制器14、激光位移測量系統15、計算機16，工作臺2固定在操作平臺I上，工作臺2的上部分固定有交流伺服電機3和滑臺4，伺服電機3的伺服電機輸出軸31直接與滑臺4中的滾珠絲桿41相連；滑臺4兩端固定有第一限位開關43和第二限位開關44，第一限位開關43和第二限位開關44的信號輸出端與運動控制器14相連；滑塊42與絲杠螺母相連；滾珠絲桿41與絲杠螺母組成螺旋傳動副，可調節支架5固定在滑塊42上；末端質量體12裝設在柔性梁11的一端；阻尼調節裝置13固定在工作臺2上，激光位移測量系統15測量滑塊42和末端質量體12的位移量，且激光位移測量系統15的信號輸出端與計算機16連接，計算機16與運動控制器14相連，運動控制器14與驅動器33相連，伺服電機的編碼器32檢測伺服電機3的轉速，編碼器32的信號輸出端與驅動器33的信號輸入端連接，驅動器33的信號輸出端與伺服電機3連接。所述所測的帶末端質量體12的柔性梁11的振動特性為柔性梁11作快速、頻繁的點到點的運動下，柔性梁11的彈性變形引起的末端質量體12的振動特性。所述柔性梁11與末端質量體12的尺寸和材料，以及伺服電機3、直線滑臺4中滾珠絲桿41的型號、均由計算設計選型得出。
[0019]本實施例中，上述控制系統包括有觸摸屏17，觸摸屏17通過導線與計算機16相連。
[0020]本實施例中，上述激光測量系統15包括有第一激光感測頭151、第二激光感測頭152以及激光控制器153，第一激光感測頭151和第二激光感測頭152分別無接觸測量滑塊42和末端質量體12的位移量，第一激光感測頭151和第二激光感測頭152的信號輸出端與激光控制器153連接，激光控制器153通過導線與計算機16相連。
[0021]本實施例中，上述工作臺2通過固定板9用安裝螺栓10固定在操作平臺I上。上述第一限位開關43和第二限位開關44用螺絲固定在滑臺4的兩端。上述可調節支架5通過六角螺栓8固定在滑塊42上。
[0022]本實施例中，上述可調節支架5包括有底板51、底板中部的豎直架52以及豎直架52上部的調節架53，豎直架52通過螺栓7固定在可調節支架5的底板51上，調節架53通過固定螺栓6將柔性梁(11)固定在豎直架52上，通過固定螺栓6調節柔性梁11的有效梁長。[0023]本實施例中，上述阻尼調節裝置13通過螺栓固定在工作臺2上，阻尼調節裝置13 包括有阻尼材料放置架131、調節閥門132、移動桿134、第一放置架固定機構133和第二放置架固定機構136、第一連接軸137和第二連接軸138、放置架移動機構135，其中第一放置架固定機構133和第二放置架固定機構136用螺栓固定在工作臺2上，第一連接軸137和第二連接軸138通過連接螺栓139固定在第一放置架固定機構133和第二放置架固定機構 136的兩端，阻尼材料放置架131用螺栓固定在放置架移動機構135的上方，放置架移動機構135的兩端通過通孔穿過第一連接軸137和第二連接軸138，且底部不與工作臺2接觸， 調節閥門132用螺栓固定在移動桿134的頂端，移動桿134通過通孔穿過第一放置架固定機構133和第二放置架固定機構136，移動桿134通過螺紋孔穿過放置架移動機構135，移動桿134為螺紋桿，旋轉調節閥門132，放置架移動機構135即可前后移動，從而使得阻尼材料放置架131可沿梁11的方向前后移動，并可調節阻尼材料放置架131上的阻尼材料是否與末端質量體12的底部接觸，阻尼材料放置架131上的阻尼材料可自由更換，從而在不改變裝置結構的基礎上即可實現梁末端質量12底部接觸是否接入摩擦阻尼或改變阻尼。阻尼調節裝置13在工作臺2上的安裝位置為滾珠絲桿41中心的正前方。
[0024]本實施例中，上述伺服電機3為交流伺服電機；上述計算機16與運動控制器14之間采用以太網進行通訊。所述柔性梁與末端質量體的尺寸和材料，以及伺服電機、直線滑臺中絲杠的型號、均由計算設計選型得出。
[0025]通過下面實施例對本發明中相關單元的參數和選型作進一步詳細闡述。
[0026](I)梁及末端質量體的設計
[0027]由于實際工程中的柔性振動是剛性材料桿件在很高的加速度下才能產生，為模擬這一效果，設計的裝置中的梁采用彈簧鋼材質的材料制成，1、b、h分別代表梁長、梁寬和梁高，其中梁的長度可通過螺栓調節(Imin < I ( 1_);用梁末端的質量體采用剛制成，質量用 m0表不。
[0028]將柔性梁的運動分解為剛體運動和彈性變形運動兩部分，其剛體運動在慣性坐標系中OtlXtiytl表述，而彈性變形運動則在隨動坐標系0Xy (以滑塊與梁的連接點O為原點，滑塊運動軌跡為X軸，系統靜止時梁所在位置為y軸)表述，如圖1所示。根據力學原理，梁彈性變形的恢復力F和相對位移量有如下關系:
【權利要求】
1.一種柔性梁末端振動特性測試裝置，其特征在于包括操作平臺(I)、工作臺(2)、直線滑臺(4)、可調節支架(5)、柔性梁(11)、末端質量體(12)、阻尼可調節裝置(13)及其控制系統，控制系統包括有運動控制器(14)、激光位移測量系統(15)、計算機(16)，工作臺(2) 固定在操作平臺(I)上，工作臺(2)的上部分固定有交流伺服電機(3)和滑臺(4)，伺服電機(3)的伺服電機輸出軸(31)直接與滑臺(4)中的滾珠絲桿(41)相連；滑臺(4)兩端固定有第一限位開關(43)和第二限位開關(44)，第一限位開關(43)和第二限位開關(44)的信號輸出端與運動控制器(14)相連；滑塊(42)與絲杠螺母相連；滾珠絲桿(41)與絲杠螺母組成螺旋傳動副，可調節支架(5)固定在滑塊(42)上；末端質量體(12)裝設在柔性梁(11) 的一端；阻尼調節裝置(13)固定在工作臺(2)上，激光位移測量系統(15)測量滑塊(42)和末端質量體(12)的位移量，且激光位移測量系統(15)的信號輸出端與計算機(16)連接，計算機(16)與運動控制器(14)相連，運動控制器(14)與驅動器(33)相連，伺服電機的編碼器(32)檢測伺服電機(3)的轉速，編碼器(32)的信號輸出端與驅動器(33)的信號輸入端連接，驅動器(33)的信號輸出端與伺服電機(3)連接。
2.根據權利要求1所述的柔性梁末端振動特性測試裝置，其特征在于上述控制系統包括有觸摸屏(17)，觸摸屏(17)通過導線與計算機(16)相連。
3.根據權利要求1所述的柔性梁末端振動特性測試裝置，其特征在于上述激光測量系統(15)包括有第一激光感測頭(151)、第二激光感測頭(152)以及激光控制器(153)，第一激光感測頭(151)和第二激光感測頭(152)分別無接觸測量滑塊(42)和末端質量體(12) 的位移量，第一激光感測頭(151)和第二激光感測頭(152)的信號輸出端與激光控制器 (153)連接，激光控制器(153)通過導線與計算機(16)相連。
4.根據權利要求1所述的柔性梁末端振動特性測試裝置，其特征在于上述工作臺(2) 通過固定板(9)用安裝螺栓(10)固定在操作平臺(I)上。
5.根據權利要求1所述的柔性梁末端振動特性測試裝置，其特征在于上述第一限位開關(43)和第二限位開關(44)用螺絲固定在滑臺(4)的兩端。
6.根據權利要求1所述的柔性梁末端振動特性測試裝置，其特征在于上述可調節支架(5)通過六角螺栓(8)固定在滑塊(42)上。
7.根據權利要求1所述的柔性梁末端振動特性測試裝置，其特征在于上述可調節支架(5)包括有底板(51)、底板中部的豎直架(52)以及豎直架(52)上部的調節架(53)，豎直架 (52 )固定在可調節支架(5 )的底板(51)上，調節架(53 )通過固定螺栓(6 )將柔性梁(11) 固定在豎直架(52 )上，通過固定螺栓(6 )調節柔性梁(11)的有效梁長。
8.根據權利要求1所述的柔性梁末端振動特性測試裝置，其特征在于上述阻尼調節裝置(13)固定在工作臺(2)上，阻尼調節裝置(13)包括有阻尼材料放置架(131)、調節閥門 (132)、移動桿(134)、第一放置架固定機構(133)和第二放置架固定機構(136)、第一連接軸(137)和第二連接軸(138)、放置架移動機構(135)，其中第一放置架固定機構(133)和第二放置架固定機構(136 )固定在工作臺(2 )上，第一連接軸(137 )和第二連接軸(138 )通過連接螺栓(139)固定在第一放置架固定機構(133)和第二放置架固定機構(136)的兩端，阻尼材料放置架(131)固定在放置架移動機構(135)的上方，放置架移動機構(135)的兩端通過通孔穿過第一連接軸(137)和第二連接軸(138)，且底部不與工作臺(2)接觸，調節閥門 (132)固定在移動桿(134)的頂端，移動桿(134)通過通孔穿過第一放置架固定機構(133)和第二放置架固定機構(136)，移動桿(134)通過螺紋孔穿過放置架移動機構(135)，移動桿(134)為螺紋桿，旋轉調節閥門(132)，放置架移動機構(135)能前后移動，從而使得阻尼材料放置架(131)能沿柔性梁(11)的方向前后移動。
9.根據權利要求1所述的柔性梁末端振動特性測試裝置，其特征在于上述伺服電機(3)為交流伺服電機；上述計算機(16)與運動控制器(14)之間采用以太網進行通訊。
10.一種柔性梁末端振動特性測試裝置的測試方法，其特征在于包括如下步驟:1)先將工作臺(2)固定在操作平臺(I)上，再將直線滑臺(4)和伺服電機(3)固定在工作臺的上部分，然后將可調節支架(5)通過六角螺栓(8)固定在與絲杠螺母機構相連的滑塊(42)上，然后通過調節架(53)用固定螺栓(6)將柔性梁(11)固定在可調節支架(5)的豎直架(52)上；2)通過觸摸屏(17)設定移動的短距離位移值或者速度/加速度值，并傳給計算機(16)，與計算機相連的運動控制器將設定的物理量值進行轉換和調理為電信號來驅動伺服電機(3)，從而驅動直線滑臺(4)中的滾珠絲桿(41)帶動滑塊(42)快速水平移動，固定在滑臺(4)兩端的第一限位開關(43)和第二限位開關(44)有效防止伺服電機(3)過沖和實現電機的往復運動；同時，固定在滑塊(42)上的可調節支架(5)的豎直架(52)上的柔性梁(11)會連同末端質量體(12)—起移動；旋轉阻尼調節裝置(13)的調節閥門(132)能調節末端質量體(12)是否接入摩擦阻尼；驅動柔性梁(11)移動的剛性滑塊(42)和末端質量體(12)的位移值由無接觸 式的激光測量系統(15)中的第一激光感測頭(151)和第二激光感測頭(152)直接測得并由激光控制器(153)處理后傳給計算機(16)，經處理后傳給觸摸屏(17)顯示；3)經激光測量系統(15)測量的滑塊(42)的位移，以及柔性梁(11)變形引起末端質量體(12)的振動信號，經過激光測量系統(15)中的激光控制器(153)進行處理和分析，然后上傳至計算機(16 )保存，并通過觸摸屏(17)進行顯示和對比。
【文檔編號】G01M7/02GK103558002SQ201310436859
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年9月23日 優先權日:2013年9月23日
【發明者】張慧, 王欽若, 陳泓江 申請人:廣東工業大學