郭迎慶，李宗蔭，2，楊曉璐

（1.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇南京 210037；2.中國電子科技集團(tuán)公司第十六研究所，安徽合肥 230601）

0 引言

隨著航空航天、電子工業(yè)的快速發(fā)展，各種用于測試航天器部件等儀器設(shè)備的振動試驗(yàn)裝置也日益發(fā)展起來。由于航天及電子產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段以及驗(yàn)收階段均需要進(jìn)行一系列的環(huán)境振動測試，這就要求相應(yīng)的測試設(shè)備具有較高的檢測性能［1-4］。振動臺作為一種集結(jié)構(gòu)激振、性能測試和數(shù)據(jù)分析等功能為一體的科學(xué)振動試驗(yàn)裝置，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在航空航天、車輛交通、建筑結(jié)構(gòu)和工業(yè)自動化等眾多工程領(lǐng)域［5-6］。伴隨著振動臺相關(guān)理論研究的深入和技術(shù)的發(fā)展，各種試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型也逐漸趨于精簡化、智能化［7］，從而導(dǎo)致中小型振動臺在研究中的地位逐漸提高。但是，當(dāng)前市面上現(xiàn)有的地震模擬振動臺多為液壓驅(qū)動的大功率振動臺，其存在污染嚴(yán)重、建造代價高昂等弊端，而現(xiàn)有的電機(jī)驅(qū)動的中小型振動臺卻存在普遍進(jìn)口、價格昂貴、開放性低等缺點(diǎn)。因此，如何設(shè)計(jì)一款擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的結(jié)構(gòu)精巧、性價比高的中小型振動臺試驗(yàn)裝置，對于降低振動測試成本、提高測試性能具有重要的工程實(shí)際意義。

國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究人員已經(jīng)進(jìn)行了多年的振動臺試驗(yàn)研究，并已經(jīng)將相關(guān)研究成果應(yīng)用到實(shí)際工程當(dāng)中。王猛等［8］提出一種偏心輪式機(jī)械振動臺，并通過有限元分析驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)振動臺的可行性。田軍委等［9］在活塞式發(fā)動機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上提出一種對稱式曲柄滑塊振動臺方案，利用其對稱式的特點(diǎn)有效抵消高頻振動時的慣性沖擊。謝維泰等［10］采用機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)中常見的曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式超低頻振動臺，并且通過典型應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了機(jī)械式超低頻振動臺的實(shí)用性。在各類振動臺中，大推力液壓式振動臺的技術(shù)相對較為成熟，而小型機(jī)械式振動臺研究較少，其中電動振動臺因其承載范圍廣、工作頻段寬、波形好、易控制等諸多優(yōu)點(diǎn)而備受青睞，成為一種應(yīng)用廣泛的振動臺裝置［11-13］。由于機(jī)械式振動臺在某些振動試驗(yàn)下有著獨(dú)特的優(yōu)勢，所以針對機(jī)械式振動臺的相關(guān)技術(shù)研究具有重要的工程實(shí)用價值。

綜上，本文基于實(shí)際振動測試工程需要，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)，自主研制一套能精確再現(xiàn)加速度激勵測試信號的振動臺系統(tǒng)。利用系列性能測試試驗(yàn)對設(shè)計(jì)的振動臺進(jìn)行性能考核，經(jīng)過測試表明振動臺波形復(fù)現(xiàn)精度較高，具有很好的波形跟隨性，滿足實(shí)際工程需要，可為后期中小型高精度振動臺的研究和設(shè)計(jì)提供一定的參考意義。

1 振動臺系統(tǒng)架構(gòu)

雙向單自由度小型振動臺試驗(yàn)裝置整體系統(tǒng)架構(gòu)組成框圖如圖1 所示，主要包括控制模塊、激勵模塊、試驗(yàn)?zāi)K和數(shù)據(jù)采集模塊。其中，控制模塊由PC 機(jī)與嵌入式控制器組成，實(shí)現(xiàn)對激勵模塊的電機(jī)控制信號輸出；激勵模塊由伺服電機(jī)及其驅(qū)動器組成，實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)?zāi)K的激勵輸出；試驗(yàn)?zāi)K由絲桿、臺面等機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的固定及對激勵模塊輸出的響應(yīng)；數(shù)據(jù)采集模塊由位移傳感器、加速度傳感器及編碼器組成，實(shí)現(xiàn)局部閉環(huán)控制及振動臺信號采集。此系統(tǒng)架構(gòu)在滿足性能指標(biāo)的同時，大大縮減了研制時間和試驗(yàn)成本。

圖1 振動臺試驗(yàn)裝置整體系統(tǒng)架構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of the overall system architecture of the shaking table test device

2 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)振動臺對不同原始波形的精確再現(xiàn)，完成對待測設(shè)備的振動測試試驗(yàn)，需要設(shè)計(jì)的振動臺試驗(yàn)裝置中各個模塊彼此之間協(xié)調(diào)工作，因此，振動臺系統(tǒng)中關(guān)鍵模塊的設(shè)計(jì)是否合理顯得尤為重要。

2.1 原始數(shù)據(jù)處理

當(dāng)前振動臺試驗(yàn)測試激勵信號大多數(shù)以加速度信號形式存儲［14-16］，并且選用電動伺服系統(tǒng)作為振動臺的激振源，為了提高控制精度需要在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中對其速度和位移有嚴(yán)格的控制，綜合考慮采用伺服控制模式中的位置控制來完成系統(tǒng)力的轉(zhuǎn)換。

因此，需要求解出試驗(yàn)輸入波形的位移和速度時程曲線，并通過這兩條曲線計(jì)算出伺服電機(jī)每次動作所需的控制信號，故加速度信號的積分處理成了振動臺試驗(yàn)中不可或缺的一環(huán)。

選擇LabVIEW 作為數(shù)據(jù)處理平臺［17-18］，采用模塊化方式按層次將程序分解成多個子VI，由頂層VI 模塊在高層管理并調(diào)度各子模塊工作，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取、處理、顯示和保存等功能。同時，子VI的代碼和數(shù)據(jù)會保留在內(nèi)存中，有效降低了程序運(yùn)行時的內(nèi)存占用量。主模塊具體設(shè)計(jì)的程序面板如圖2 所示。其中，V1 為數(shù)據(jù)讀取模塊，選擇數(shù)據(jù)通信中“隊(duì)列操作”，結(jié)合條件結(jié)構(gòu)中while 循環(huán)保證數(shù)據(jù)讀取的持續(xù)性；V2 為數(shù)據(jù)處理模塊，采用“元素出列”處理和雙精度轉(zhuǎn)換完成數(shù)據(jù)格式的處理，然后在頻域范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析，并且在解析過程中進(jìn)行數(shù)組必要元素取舍，保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的精度；V3 為數(shù)據(jù)顯示模塊，顯示經(jīng)處理后的輸出脈沖數(shù)、速度和方向數(shù)據(jù)。

圖2 主模塊控制程序面板Fig.2 Main module control program panel

以220 gal 的Artificial 加速度地震波為輸入信號，處理后保存的速度與位移信號如圖3 所示。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制器的設(shè)計(jì)

合理完整振動臺機(jī)械結(jié)構(gòu)和軟硬件的設(shè)計(jì)是振動臺控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的保障。根據(jù)振動臺性能指標(biāo)完成對振動臺整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，同時根據(jù)振動臺系統(tǒng)的控制要求并且遵循實(shí)用化、模塊化的方式，以嵌入式控制芯片為核心完成振動臺控制器的設(shè)計(jì)。控制器和機(jī)械結(jié)構(gòu)兩者之間相互聯(lián)系、協(xié)調(diào)工作，保障振動臺系統(tǒng)的正常運(yùn)行，其具體構(gòu)造簡圖如圖4 所示。

2.2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖3 基于LabVIEW 處理后的數(shù)據(jù)信號圖Fig.3 Data signal diagram processed based on LabVIEW

圖4 振動臺結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Vibration table structure diagram

根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求，確定振動臺尺寸，其主要組成部分尺寸見表1。以伺服電機(jī)及其驅(qū)動器為激勵源，將絲桿與伺服電機(jī)的電機(jī)軸固接，使伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成平動，同時將絲桿螺紋與振動臺面螺紋對接，實(shí)現(xiàn)對振動臺面及其上的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的激勵，完成動力的流暢傳遞和試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的加載。此外，伺服電機(jī)的驅(qū)動器選用位置控制模式并結(jié)合下位機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)準(zhǔn)確運(yùn)轉(zhuǎn)，并且根據(jù)振動臺實(shí)際試驗(yàn)要求，在振動臺臺面及其上的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行包括位移、力、加速度在內(nèi)的多種數(shù)據(jù)采集，以便后期對試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能分析。

2.2.2 控制器

選用以STM32 為基礎(chǔ)的嵌入式最小系統(tǒng)，搭載振動臺控制系統(tǒng)所需功能要求所設(shè)計(jì)的一系列外圍電路。將電機(jī)控制狀態(tài)通過串口及時反饋給上位PC 機(jī)，構(gòu)建上位PC 機(jī)與被控對象之間的數(shù)據(jù)通信，完成對上位PC 機(jī)數(shù)據(jù)的接收和SD 卡中文件數(shù)據(jù)的讀取，并將所讀取的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對伺服電機(jī)的精確PWM（Pulse Width Modulation）控制信號輸出，從而完成對振動臺控制系統(tǒng)的控制任務(wù)。

表1 振動臺裝置尺寸Tab.1 Dimensions of shaking table apparatus mm

基于位置控制模式下，控制器與機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換原理如圖5 所示?？刂破飨蝌?qū)動器發(fā)送脈沖位置指令，脈沖位置經(jīng)驅(qū)動器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)帶動編碼器轉(zhuǎn)動，編碼器將采集到的角位移信號處理后得到的反饋脈沖數(shù)送至驅(qū)動器，從而形成局部位置閉環(huán)控制，同時電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動絲桿以一定速度旋轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪后作用于振動臺臺面，此時絲桿的實(shí)際位移量M的表達(dá)式為

式中：P為控制絲桿移動位置的脈沖數(shù)量；D為指令分倍頻比；E為編碼器反饋脈沖數(shù)；R為減速比；L為絲桿螺距。

此時，與該脈沖頻率所對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)動速度V1和絲桿實(shí)際轉(zhuǎn)動速度V2分別表示為

式中：F為控制電機(jī)移動速度的脈沖頻率。

圖5 位置控制模式下信號轉(zhuǎn)換原理圖Fig.5 Schematic diagram of signal conversion in position control mode

3 振動臺性能分析試驗(yàn)

基于振動臺的試驗(yàn)要求，完成各個模塊的設(shè)計(jì)，搭建完整的振動臺試驗(yàn)系統(tǒng)，其具體試驗(yàn)裝置如圖6所示。為了驗(yàn)證振動臺的波形復(fù)現(xiàn)能力，以真實(shí)的地震波加速度信號為試驗(yàn)測試加載信號，針對振動臺控制系統(tǒng)各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行性能分析試驗(yàn)。

圖6 振動臺試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.6 Physical image of shaking table test system

3.1 系統(tǒng)硬件性能試驗(yàn)

振動臺控制系統(tǒng)是整個振動臺系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)硬件的性能是整個系統(tǒng)是否穩(wěn)定可靠的關(guān)鍵因素之一。為了驗(yàn)證振動臺系統(tǒng)硬件的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)：截取一段振動臺控制模塊處理后的電機(jī)控制信號作為下位機(jī)控制器的輸入，其具體數(shù)據(jù)片段見表2。下位機(jī)控制器根據(jù)輸入完成對SD 卡的文件檢索及數(shù)據(jù)讀取功能，整個數(shù)據(jù)讀取過程耗時在1 s 以內(nèi)，滿足振動臺控制的要求。同時，控制器對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析運(yùn)算出與電機(jī)控制相關(guān)的位置、方向和速度信號，并通過LCD 顯示具體數(shù)值，將讀取結(jié)果（如圖7 所示）的顯示數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)完全一致，驗(yàn)證了串口通訊的穩(wěn)定性和SD 卡讀取的準(zhǔn)確性。

表2 系統(tǒng)硬件性能測試數(shù)據(jù)Tab.2 Performance test data of system hardware

3.2 伺服電機(jī)控制試驗(yàn)

圖7 測試數(shù)據(jù)LCD 顯示結(jié)果Fig.7 Test data LCD display results

伺服電機(jī)的控制效果直接影響到整個振動臺控制系統(tǒng)的控制精度，對伺服電機(jī)的精確控制，是系統(tǒng)正常運(yùn)行的保障，也是最為重要的一環(huán)。綜合考慮主控芯片控制能力，擬采用位置控制模式作為控制器對于伺服電機(jī)的主要控制思路。為驗(yàn)證位置控制精確性，設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)：通過上位機(jī)向下位機(jī)控制器發(fā)送連續(xù)位移階躍的電機(jī)控制信號，以5 mm 作為階躍幅值，利用位移傳感器實(shí)現(xiàn)對振動臺面位置信號的采集。試驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示，最大誤差為2%，考慮到位移傳感器采集的一定誤差，采用伺服電機(jī)位置控制時，控制精確很高，其控制精度可達(dá)0.1 mm，足以勝任振動臺位置控制精度要求。

3.3 空載振動臺面波形復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)

圖8 位置控制階躍輸入試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Step input test results of position control

完成了振動臺試驗(yàn)系統(tǒng)各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的有效性和可靠性驗(yàn)證，從試驗(yàn)的角度證實(shí)了本文所設(shè)計(jì)的振動臺控制系統(tǒng)的可行性。在此基礎(chǔ)上，以400 gal的真實(shí)Taft 地震波加速度信號作為振動臺輸入激勵，采用高精度加速度傳感器完成對振動臺面實(shí)時加速度數(shù)據(jù)的采集，試驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示，試驗(yàn)曲線與理論的輸入曲線基本吻合。輸入值峰值加速度為400 gal，出現(xiàn)在3.7 s 處，試驗(yàn)值峰值加速度為388 gal，出現(xiàn)在3.68 s 處，峰值加速度同樣很好再現(xiàn)。輸入值與試驗(yàn)值最大誤差出現(xiàn)在7.54 s 處，為68 gal，最大誤差為27.3%。在試驗(yàn)過程中，加速度試驗(yàn)值呈現(xiàn)良好的跟隨性，加速度再現(xiàn)結(jié)果基本滿足要求。同時考慮試驗(yàn)過程中的試驗(yàn)誤差以及硬件性能等因素，誤差在允許的范圍內(nèi)。本試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的振動臺系統(tǒng)在波形復(fù)現(xiàn)時的可行性與可靠性。

圖9 Taft 波作用下空載時振動臺的輸入值和試驗(yàn)值的結(jié)果對比圖Fig.9 Comparison of results between the input value and test value of the shaker table under no load Taft wave

3.4 負(fù)載振動臺面波形復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)

基于振動臺在空載時良好的波形復(fù)現(xiàn)性能，為了檢驗(yàn)振動臺在實(shí)際負(fù)載試驗(yàn)情況下波形的復(fù)現(xiàn)精度，采用質(zhì)量為93.77 kg 的Q235 型三層鋼板結(jié)構(gòu)作為試驗(yàn)負(fù)載，其負(fù)載實(shí)物如圖10 所示。此次負(fù)載試驗(yàn)仍然沿用400 gal 的Taft 波作為振動臺的激勵，以便進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治觯湓囼?yàn)結(jié)果如圖11所示。根據(jù)振動臺面所測得加速度與試驗(yàn)輸入值400 gal 的Taft 波之間的對比圖可知，試驗(yàn)值最大峰值出現(xiàn)在3.68 s 處，為380 gal，而輸入值出現(xiàn)在3.70 s 處，其值為400 gal。同時，兩曲線最大誤差出現(xiàn)于4.20 s 處，其值為69 gal，最大誤差27.3%，試驗(yàn)值呈現(xiàn)很好的跟隨性及還原性，負(fù)載時振動臺的波形復(fù)現(xiàn)精度基本符合工程要求。為了進(jìn)一步對比振動臺在空載和負(fù)載狀態(tài)下波形復(fù)現(xiàn)狀態(tài)，當(dāng)采用相同的400 gal的Taft 波作為激勵加載時，臺面加速度試驗(yàn)值之間的對比如圖12 所示。

圖10 振動臺負(fù)載波形復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)Fig.10 Reproduction test of shaking table load waveform

圖11 Taft 波作用下負(fù)載時振動臺的輸入值和試驗(yàn)值結(jié)果對比圖Fig.11 Comparison of results between the input value and test value of the shaker under load Taft wave

圖12 Taft 波作用下負(fù)載與空載試驗(yàn)值結(jié)果對比圖Fig.12 Comparison of the results between load and no-load test under Taft wave

根據(jù)對比圖可知：在兩種工況下峰值加速度都出現(xiàn)在3.68 s 處，峰值相差15 gal，空載情況下稍大；最大誤差出現(xiàn)在15.80 s 處，為21 gal，最大誤差為14.8%，但是總體上空載和負(fù)載狀態(tài)下加速度試驗(yàn)值基本呈現(xiàn)吻合狀態(tài)，具有很好的同步性。由于因負(fù)載變化而導(dǎo)致控制精度的變化在工程試驗(yàn)的允許范圍之內(nèi)，所以設(shè)計(jì)的振動臺符合大多數(shù)工程振動測試試驗(yàn)要求。

4 結(jié)束語

本文以電動伺服系統(tǒng)為激振源，結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和嵌入式控制技術(shù)，研制了一套完全自主知識產(chǎn)權(quán)的振動臺系統(tǒng)，并對研制的振動臺進(jìn)行了關(guān)鍵性能測試。對系統(tǒng)的通訊和SD 卡文件數(shù)據(jù)讀取進(jìn)行測試，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)通訊的準(zhǔn)確性和快速性；在位置控制模式下對伺服電機(jī)控制效果進(jìn)行測試，驗(yàn)證了采用位置控制模式的伺服電機(jī)控制思路的可行性；以真實(shí)激勵信號作為輸入，對振動臺在空載和負(fù)載不同工況下波形復(fù)現(xiàn)精度進(jìn)行測試，驗(yàn)證了整個系統(tǒng)波形復(fù)現(xiàn)良好，表明了設(shè)計(jì)的科學(xué)性和適用性，并且兩種不同工況下波形復(fù)現(xiàn)誤差較小，進(jìn)一步驗(yàn)證了振動臺系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對振動臺試驗(yàn)誤差來源進(jìn)行分析，空載時的試驗(yàn)誤差主要來源于硬件結(jié)構(gòu)連接之間的摩擦能量損耗、檢測設(shè)備存在的信號干擾和振動臺面高速運(yùn)動時的慣性干擾等系統(tǒng)誤差；負(fù)載時的試驗(yàn)誤差還可能包括負(fù)載的固定情況及其試驗(yàn)中的振動造成的影響。為此，在后期深入研究過程中考慮引入迭代學(xué)習(xí)等智能控制策略，以完善振動臺控制系統(tǒng)，進(jìn)一步提高振動臺波形復(fù)現(xiàn)精度。總之，本文設(shè)計(jì)的中小型振動臺系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)精巧、性價比高、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際振動臺應(yīng)用領(lǐng)域具有較高的推廣價值，并且為未來中小型振動臺研究提供一定的技術(shù)支持和借鑒意義。