CN106602792B - 一种剪切式可控阻尼与直线电机集成的复合驱动系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种剪切式可控阻尼与直线电机集成的复合驱动系统。通过直线电机和驱动阻尼器的调节使柔性臂负载运动满足要求并补偿大幅振动，再通过柔性臂各处的应变片和加速度计提供应变‑应力观测，并与支撑阻尼器调节相结合实现局部抑制柔性臂负载的末端振动，以达到更加精确的末端移动位置和抑制微振动的目的，实现高速与变负载工况下的超精密控制，且具有强抗干扰性。本复合驱动系统可以模拟验证太空空间柔性臂、带太阳能电池板卫星或工业现场柔性机械臂的运动控制和振动抑制情况，其提供了验证驱动阻尼器和支撑阻尼器抑制柔性臂振动控制算法和效果测试的精密试验原型装置，在机器人、精密制造与航空航天等领域高端装备中具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种剪切式可控阻尼与直线电机集成的复合驱动系统。该复合驱动系统可用于机器人、精密制造与航空航天等领域柔性结构高端装备的柔性臂振动抑制与精密运动控制。
背景技术
随着空间探测的日渐频繁，空间站作为长期的地外实验基地，因其外部环境的特殊性常常需要进行维修，因此需要使用空间机械臂。空间机械臂往往需要搬运较重的配件，又因发射火箭承载能力的限制，空间机械臂不能做的太重，轻质材料成为制造空间机械臂的首选，这就造成机械臂负载和自重比增大。而且为了扩大操作范围，在结构上多为细长结构。以上两点导致空间机械臂有非常明显的柔性特征。相比于传统的刚性机械臂，其在运动时会有振动，造成移动位置不精确，并因缺少阻尼作用会在真空中需要相当长一段时间才能够稳定，使得操作时间加长并造成能源的浪费，此外振动产生碰撞对空间站来说是十分危险的。
卫星展开太阳能电池板后是同样的细长柔性结构，如果发生振动，在真空的环境下，需要很长时间才能够稳定下来。这种振动不仅消耗额外的能量，甚至会使卫星发生翻转偏离轨道造成更大的损失。
在工业领域中，机械臂也有广泛应用，为节省能源或是为达到较高的运动速度和加速度减轻重量，都会使得机械臂的柔性振动问题突显出来。
无论是航天领域还是工业领域，柔性结构产生的振动问题越来越普遍。如中国专利CN104139873A(一种用于太阳能帆板的被动式减振装置)涉及利用被动阻尼器快速衰减太阳能帆板的挠性振动，达到提高卫星平台控制精度的目的。专利CN101249897(太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置与方法)利用压电传感片和驱动片，并结合主动振动控制策略实现太空帆板的振动抑制。专利CN104985609A(一种振动智能补偿机械臂、机器人及其振动测量方法)通过智能元件进行振动检测和补偿实现主动振动抑制。相较于被动式减振装置对柔性结构的振动抑制，半主动/主动调节的可控阻尼在减振效果和性能上可以进行优化设计，且在保证精密运动前提下，可以抑制柔性结构因高加速度运动或负载变化而产生的振动，因而可以推广应用到更加广泛的领域。
本发明设计了一种适用于柔性臂振动抑制与精密运动控制的剪切式可控阻尼与直线电机集成的复合驱动系统。其能通过直线电机和驱动阻尼器的调节补偿柔性臂负载的大幅振动，通过应变-应力观测和驱动阻尼器与支撑阻尼器调节抑制基端激励与柔性臂负载自激产生的微振动，实现高速与变负载工况下的超精密控制，且具有强抗干扰性。该复合驱动系统可用于机器人、精密制造与航空航天等领域柔性结构高端装备的精密运动调节。
发明内容
针对现有柔性臂控制因结构和末端微振动影响其高速高精度性能的实现等的不足，为研究柔性臂的微振动成因和精密运动控制与振动抑制算法的设计，并提供验证实际效果的装置，本发明提供一种剪切式可控阻尼与直线电机集成的复合驱动系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种剪切式可控阻尼与直线电机集成的复合驱动系统,其特征在于，包括底座、直线电机、支撑座、固定导杆、驱动阻尼器、柔性臂负载、两个支撑阻尼器和激光位移传感器；所述底座上具有两个平行的精密导轨，支撑座安装在两个精密导轨上，所述直线电机安装在底座上，且输出端与支撑座相连，驱动支撑座沿精密导轨滑动；固定导杆两端固定在底座上，且与精密导轨平行；驱动阻尼器安装在固定导杆上，下端与支撑座顶面固定连接；柔性臂负载水平固定在支撑座上，一端与支撑座固定连接，另一端悬空；两个支撑阻尼器分别安装在柔性臂负载的垂直于运动方向的两侧面上，对称放置，且与支撑座相连；所述底座的侧面固定有光栅尺，支撑座下端连接有与光栅尺相配合的读数头，支撑座带动读数头移动，读数头通过读取底座上的光栅尺的刻度，获得位移数据；所述柔性臂负载上固定有应变片；柔性臂负载末端(悬空端)安装有加速度计和反光镜；激光位移传感器通过反光镜获得柔性臂负载末端位移。
进一步地，所述应变片对称分布在柔性臂负载的与垂直于运动方向的两个侧面上。
本发明的有益效果在于：本发明通过光栅尺和激光位移传感器获得柔性臂负载固定端和悬空端精密的运动位置。通过直线电机和驱动阻尼器的调节使柔性臂负载运动满足要求并补偿大幅振动，再通过柔性臂各处的应变片和加速度计提供应变-应力观测，并与支撑阻尼器调节相结合实现局部抑制柔性臂负载的末端振动，以达到更加精确的末端移动位置和抑制微振动的目的，实现高速与变负载工况下的超精密控制，且具有强抗干扰性。基于此,可以提供研究柔性结构的微振动成因和设计精密运动控制与振动抑制算法的试验平台，通过研究大幅振动补偿和微振动抑制以及精密运动控制的多种控制方式结合，提供验证驱动阻尼器和支撑阻尼器对于抑制柔性结构振动效果的精密试验台。本复合驱动系统可以模拟验证太空空间柔性臂、带太阳能电池板卫星或工业现场柔性机械臂的运动控制和振动抑制情况，其提供了验证驱动阻尼器和支撑阻尼器抑制柔性臂振动控制算法和效果测试的精密试验原型装置，在机器人、精密制造与航空航天等领域高端装备中具有很好的应用前景。
附图说明
图1为一种剪切式可控阻尼与直线电机集成的复合驱动系统的结构示意图；
图中，精密导轨1、直线电机2、光栅尺3、读数头4、激光位移传感器5、反光镜6、加速度计7、柔性臂负载8、应变片9、支撑阻尼器10、驱动阻尼器11、支撑座12、固定导杆13、底座14。
具体实施方式
如图1所示，一种剪切式可控阻尼与直线电机集成的复合驱动系统,其特征在于，包括底座14、直线电机2、支撑座12、固定导杆13、驱动阻尼器11、柔性臂负载8、两个支撑阻尼器10和激光位移传感器5；
所述底座11上具有两个平行的精密导轨1，支撑座12安装在两个精密导轨1上，所述直线电机2安装在底座14上，且输出端与支撑座12相连，驱动支撑座12沿精密导轨1滑动；
固定导杆13两端固定在底座14上，且与精密导轨1平行；
驱动阻尼器11安装在固定导杆13上，下端与支撑座12顶面固定连接，用来改善运动性能；
柔性臂负载8水平固定在支撑座12上，一端与支撑座12固定连接，另一端悬空；两个支撑阻尼器10分别安装在柔性臂负载8的垂直于运动方向的两侧面上，对称放置，且与支撑座12相连，用来抑制柔性臂负载的运动方向上的振动；
所述底座14的侧面固定有光栅尺3，支撑座12下端连接有与光栅尺3相配合的读数头4，支撑座12带动读数头4移动，读数头4通过读取底座14上的光栅尺3的刻度，获得柔性臂负载8固定端的位移数据；
柔性臂负载8末端(悬空端)安装有加速度计7和反光镜6；加速度计7输出悬空端的加速度，激光位移传感器5通过反光镜6获得柔性臂负载8末端位移。
所述柔性臂负载8上固定有应变片9；既可以测量柔性臂负载8的振动情况，也可以通过电信号输入进行局部抑制柔性臂负载8的振动。作为优选，应变片9对称分布在柔性臂负载的与垂直于运动方向的两个侧面上。
作为本领域的公知常识，本发明的柔性臂负载为长度远大于宽度和厚度的细长铝板，其在高速运动时会有振动。
本发明的激光位移传感器，其量程能够全面覆盖直线电机的运动范围，并且其分辨率能够达到20纳米，能够准确测量柔性臂负载的末端振动情况。由光栅尺和读数头构成位置回读系统，其分辨率可调，最低为5微米最高为1.22纳米，其可测量柔性臂负载的根部的位移。
本发明所述的复合驱动系统具有较高精度的原理如下：
柔性臂负载8的移动位置由位置回读系统(读数头4和光栅尺3)进行检测，并将测量得到的位置信息和预设位置相比较，判断其是否满足位置运动要求。将位置差值作为直线电机控制2的主要参考量。再通过激光位移传感器5，测量运动条件下的柔性臂末端位置，与柔性臂负载8的固定端的位置相比较，得到柔性臂负载8的振动情况。将测量得到的各类信号通过计算机控制系统处理，并根据得到的数据绘制相应的图表，再通过和预设位置相比较，判断其是否满足要求。在保证位置运动的前提下，通过直线电机2和驱动阻尼器的调节使得柔性臂负载8固定端达到高速高精度运动并补偿其大幅振动，再通过柔性臂负载8上各处的应变片9和加速度计所反应信息进行应力-应变观测，并结合支撑阻尼器调节达到抑制柔性臂负载8的微振动。通过大幅振动补偿和微振动抑制以及精密运动控制的多种控制方式结合来达到高速超精密的末端移动位置。
Claims (2)
1.一种剪切式可控阻尼与直线电机集成的复合驱动系统,其特征在于，包括底座（14）、直线电机（2）、支撑座（12）、固定导杆（13）、驱动阻尼器（11）、柔性臂负载（8）、两个支撑阻尼器（10）和激光位移传感器（5）；所述底座（14）上具有两个平行的精密导轨（1），支撑座（12）安装在两个精密导轨（1）上，所述直线电机（2）安装在底座（14）上，且输出端与支撑座（12）相连，驱动支撑座（12）沿精密导轨（1）滑动；固定导杆（13）两端固定在底座（14）上，且与精密导轨（1）平行，驱动阻尼器（11）安装在固定导杆（13）上，下端与支撑座（12）顶面固定连接；柔性臂负载（8）水平固定在支撑座（12）上，一端与支撑座（12）固定连接，另一端悬空；两个支撑阻尼器（10）分别安装在柔性臂负载（8）的垂直于运动方向的两侧面上，对称放置，且与支撑座（12）相连，所述底座（14）的侧面固定有光栅尺（3），支撑座（12）下端连接有与光栅尺（3）相配合的读数头（4），支撑座（12）带动读数头（4）移动，读数头（4）通过读取底座（14）上的光栅尺（3）的刻度，获得位移数据；所述柔性臂负载（8）上固定有应变片（9）；柔性臂负载（8）悬空端安装有加速度计（7）和反光镜（6）；激光位移传感器（5）通过反光镜（6）获得柔性臂负载（8）悬空端位移。
2.根据权利要求1所述的剪切式可控阻尼与直线电机集成的复合驱动系统，其特征在于，所述应变片（9）对称分布在柔性臂负载（8）与运动方向垂直的两个侧面上。
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