電動伺服振動教學實驗平臺開發(fā)與實踐

李春寶，程旭東，俞然剛，李 靜，吳江龍

（1.中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580； 2.煙臺新天地實驗技術有限公司，山東 煙臺 264003）

土木工程專業(yè)本科生和研究生涉及結構振動理論、測試與分析的課程主要有“理論力學”“結構動力學”“結構抗震”“高層建筑結構”“振動力學”“工程振動試驗分析”“結構動力可靠度”“結構損傷識別與健康監(jiān)測”“工程結構試驗”等[1-2]。結構振動的知識點理論性較強，其課程大綱設置大多停留在計算與推導層面，缺乏實際操作和感性認知，不利于學生學習和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，未能順應當前新工科人才培養(yǎng)的目標和形勢。

傳統(tǒng)的結構振動理論教學中學生缺乏對知識點的深刻理解與全面掌握，缺乏模型測試分析，限制了學生學習的積極性和主動性[3]。本文設計了一種電動伺服模型振動實驗教學平臺，綜合利用機械設計、振動力學及計算機等技術，可以用于結構模型振動演示、不同結構的模態(tài)測試、模型地震波動力響應測試和結構模型抗震性能測試等。通過上述實驗內(nèi)容，使學生增強了對結構振動知識點的認知，加深了對結構振動原理和過程的理解，為學生學習基本理論知識、參加創(chuàng)新訓練和科學研究提供了有效的實驗環(huán)節(jié)。

1 振動實驗教學平臺整體方案設計

電動伺服振動教學實驗平臺的目的是模擬結構模型的振動形態(tài)。平臺綜合了電磁振動臺和電液伺服振動臺的優(yōu)點[4-5]，基于伺服電機驅動滾珠絲杠的控制原理開發(fā)了全電動伺服控制系統(tǒng)，可進行位移、荷載、加速度閉環(huán)控制，工作頻率下限不受限制，上限可達40 Hz，能耗少、噪音低。同時配備數(shù)據(jù)采集處理及模態(tài)分析系統(tǒng)、結構模型振動過程高清圖像快速采集系統(tǒng)，可將結構動力實驗現(xiàn)象和結果生動、直觀地展現(xiàn)給學生，既可以使學生對結構振動有感性認識，也可以引導學生進行相關理論探究，掌握實際工程中模態(tài)測試與分析的方法。

1.1 設計要求

技術方案設計應考慮盡量接近于結構振動的實際工況，直觀、形象地演示不同層高、不同荷載作用下框架結構模型的各階陣型及動力響應，使學生加深對基本動力學概念的理解，需要滿足以下設計要求：

（1）工作行程為150 mm，最大負載為100 kg，最大出力為5 kN，工作頻率范圍為0～40 Hz，有效荷載為 100 kg時最大加速度為 1.5g、額定線速度為 500 mm/s，最高線速度為 600 mm/s；

（2）控制方式包括位置、載荷、加速度閉環(huán)控制；

（3）指令信號包括正弦信號、三角信號、掃頻波、地震波和自定義波形；

（4）模態(tài)測試激振方式需要實現(xiàn)底座激振和電磁激振等激振方式，方便不同實驗方案的比較；

（5）實驗數(shù)據(jù)與實驗過程同步保存，清晰記錄不易觀察到的實驗動態(tài)變化，準確捕捉實驗現(xiàn)象特征點。

1.2 設計思路

綜合考慮設計要求，振動平臺主要由振動平臺機架、電動伺服控制系統(tǒng)、動作執(zhí)行單元、振動平臺、激振系統(tǒng)和高清圖像快速采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集處理及模態(tài)分析系統(tǒng)等部分組成，如圖1所示。

圖1 電動伺服振動教學實驗平臺整體方案圖

振動平臺機架為振動平臺和實驗模型提供位置支撐，并施加水平荷載；電動伺服控制單元實施位移、荷載、加速度閉環(huán)控制；動作執(zhí)行單元直接作用于測試對象，是伺服加載系統(tǒng)的最終執(zhí)行單元和施力機構；振動平臺提供模型固定及加載平臺；激振系統(tǒng)實施對實驗模型的局部激振；高清圖像快速采集系統(tǒng)采用快錄慢放的方式記錄和回放實驗模型的振型；數(shù)據(jù)采集處理及模態(tài)分析系統(tǒng)主要用于動態(tài)信號的采集和分析結構固有的動力學特性。

1.3 設計方案

振動平臺機架采用L型結構，可安裝多種加載裝置，對模型施加多種類型荷載；電動伺服控制系統(tǒng)包括網(wǎng)絡機柜、工控機、顯示器和伺服驅動器，采用比例-積分-微分-前饋（PIDF）控制原理，利用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）實現(xiàn)高速控制算法運算，得到理想的伺服控制效果；動作執(zhí)行單元采用伺服電機驅動高精度滾珠絲杠，全電動伺服控制[6-7]；振動平臺采用上下2層式結構，上部為直線運動部分，通過直線軸承與下方固定部分相連，固定部分通過制動裝置安裝在框架導軌上；激振系統(tǒng)配備了電磁激振裝置和力錘裝置；高清圖像快速采集系統(tǒng)采用高速攝像機，記錄和展示振型的視頻；數(shù)據(jù)采集處理及模態(tài)分析系統(tǒng)包括傳感器、動態(tài)信號分析系統(tǒng)硬件和軟件。

2 振動實驗平臺具體方案設計

2.1 振動平臺機架

平臺機架由底梁和立柱組成。底梁和立柱各面均布安裝孔，方便安裝各種構件，匹配多種加載裝置，可以對模型施加多種類型激振。

2.2 伺服控制單元

振動平臺伺服控制單元內(nèi)置正弦波、三角波、掃頻波等多種周期指令信號，支持地震波（見圖 2）和自定義波形運動模擬，響應速度快、控制精度高、試驗波形種類多，控制軟件具有開放性，可針對不同實驗項目進行二次開發(fā)。

圖2 地震波參數(shù)設置界面

2.3 動作執(zhí)行單元

動作執(zhí)行單元采用高精度伺服電動缸[8]，采用低慣量、大扭矩的伺服電機搭配高性能伺服放大器，電機可實現(xiàn)高頻換向，兼顧電磁激振高頻和液壓激振大荷載的特點，工作頻率最高可達40 Hz，有效荷載100 kg時加速度可達到1.5g。

2.4 振動平臺

振動平臺采用直線滑塊運動副導向，上部為平板結構的直線運動部分，尺寸為600 mm×700 mm，通過直線軸承與下方托板部分相連接，托板部分直接固定在振動平臺機架上。振動平臺臺面為硬質氧化鋁合金面板，托板部分采用鍍鉻鋼板；平臺通過滾珠滑塊安裝在直線導軌上，承載力不低于10 kN，摩擦力小，摩擦因數(shù)不大于0.02；臺面上設有設備模型及實驗裝置固定螺孔，可安裝要求定制固定方式。

2.5 激振系統(tǒng)

在結構的模態(tài)測試時，模型自身特性受到加載方式的制約[9]。為方便不同激勵方案下模態(tài)測試結果的比較，配備了電磁激振系統(tǒng)[10]和力錘裝置。

1）電磁激振系統(tǒng)。

電磁激振系統(tǒng)由信號發(fā)生器、功率放大器和電磁激振器組成。信號發(fā)生器可提供標準周期信號、白噪聲和自定義信號作為激振信號。電磁激振器可作用于被測對象一個或多個激振點，獲得實驗對象的某階或多階振型。機架采用L型底梁的結構形式，可將激振器安裝在立柱上的不同位置（見圖3）。利用電磁激振器可以施加多種激勵，數(shù)據(jù)一致性良好。

圖3 電磁激勵器位置圖

2）力錘裝置。

在實驗過程中，力錘裝置的錘頭質量對應不同錘擊力，由實驗要求激振的能量決定。決定激振力譜的頻帶寬度主要通過選擇不同的錘頭材料來實現(xiàn)。錘頭材料可選擇鋼、鋁、尼龍、橡膠等。

2.6 圖像快速錄像系統(tǒng)

高速錄像是記錄動態(tài)實驗過程的常用方法，實驗時采用快錄慢放的方式記錄和回放框架模型的振型[11-12]。

高頻高清錄像系統(tǒng)采用高速攝像機，拍攝幀數(shù)為480幀/s時，分辨率不低于224×160像素，能記錄40 Hz以下運動的過程，可以較好地展示振型的視頻，有利于學生對振型基本概念的理解。

2.7 數(shù)據(jù)采集處理及模態(tài)分析系統(tǒng)

模態(tài)分析系統(tǒng)由2部分組成：

（1）測量系統(tǒng)。用傳感器測量實驗對象的各主要部位上的位移、速度或加速度振動信號。

（2）分析系統(tǒng)。將采集到的激勵信號和響應信號經(jīng)過數(shù)模轉換記錄到計算機中，用軟件系統(tǒng)識別振動系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)[13]。為實現(xiàn)對結果振動信息的拾取，配置動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)（見圖4）。

傳感器包括不同量程、不同頻響范圍的內(nèi)置阻抗變換器加速度計（IEPE/ICP），可以實現(xiàn)磁吸、螺栓固定、膠粘三種不同的安裝方式[14]。

動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)硬件由 INV3060A型 24位網(wǎng)絡分布式采集儀、INV9828ICP加速度傳感器組成，主要用于動態(tài)信號采集。INV3060A，采用以太網(wǎng)接口，一臺計算機可以通過 LAN局域網(wǎng)控制多臺采集儀，可選GPS授時實現(xiàn)同步，支持遠距離和無線傳輸，適合分布式、多測點、遠距離或無線傳輸?shù)恼駝印⒃肼?、沖擊、應變、壓力、電壓等各種物理量信號采集。數(shù)據(jù)采集卡可實現(xiàn)差分模式電壓 DC/AC/ ICP輸入，包含電壓放大、ICP供電、截止頻率可調的低通濾波器，提供256倍過采樣與數(shù)字濾波，配置模擬抗混疊濾波器、每通道 24位 Δ-Σ芯片，所有通道并行工作，每通道最高采樣頻率51.2 kHz，通道總數(shù)16。

圖4 激勵信號與振動信息拾取

動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)軟件包由DASP-V10工程版、基本分析軟件及實驗模態(tài)分析軟件三部分組成。DASP-V10工程版分析軟件與INV3060A配套使用，用于軟件控制儀器的量程、濾波、參數(shù)設置以及信號的實時分析處理等?；灸B(tài)分析軟件可完成位移模態(tài)分析，支持 SIMO、MISO、OMA方法，實現(xiàn)可視化的結構生成和彩色振型動畫顯示及仿真分析功能，并具備自動化模態(tài)分析技術。模態(tài)擬合方法提供六種頻域方法和特征值實現(xiàn)算法（ERA），ERA既可完成激勵可測的經(jīng)典模態(tài)分析，進行激勵不可測的環(huán)境激勵模態(tài)分析,又可對結構進行可控的動力學激勵，分析出結構固有的動力學特性。

3 實驗模型選配

圖5 框架振動模型

實驗模型采用裝配式框架結構、模塊化設計，層高任意可調，層數(shù)為2～5（見圖5）。模型立柱采用矩 形截面彈簧鋼板，存在一個剛度很小的弱軸，可以方便搭建一些前幾階自振頻率較小的框架模型，這些模型在激振頻率接近其固有頻率時，可以非常直觀、形象地演示不同層高、不同配重下框架結構模型的各階陣型及動力響應，對于學生積累對結構動力特性的感性認識非常有幫助，也可以使學生加深對一些基本動力學概念的理解。

框架模型在底座激振的方式下，會產(chǎn)生非常直觀的動力響應，可以通過視覺直接觀察到框架結構的各階振型，其目的是為了起到教學示范和引導理解概念的作用。而實際工程中結構的各階振型，無論是底座激振還是電磁激振，往往都無法非常直觀演示結構的各階振型，這時便需要通過數(shù)據(jù)采集、處理及模態(tài)分析系統(tǒng)來提取結構的各階振型模態(tài)。為使動力學相關實驗順利開展，使學生掌握模態(tài)分析實驗的技能，可選配的一些用于模態(tài)測試的模型還可包括簡支梁模型、固支梁模型、矩形板模型、圓板模型、框架結構模型等。

4 試驗結果對比

振型是模型本身固有的特性，為獲得好的實驗效果，底座激振是較好的激振方案。為得到模型在地震載荷下的動力響應，采用振動臺實驗也是較為理想的實驗方式。通過伺服加載控制系統(tǒng)可控制振動平臺往復運動，可通過改變激振頻率測試模型的自振頻率。利用模型振動平臺可以實現(xiàn)底座激振，利用安裝在立柱上的電磁激振器可以實現(xiàn)上部集中載荷激振。圖 6為不同結構模型在不同頻率底座激振下有限元仿真分析結果與實測振型對比。

圖6 仿真與實測振型對比

4 結語

本文綜合運用機電一體化、結構動力學和結構抗震中的關鍵知識點，搭建了一種電動伺服振動教學實驗平臺，實現(xiàn)了結構振動概念的動態(tài)可視化。以實驗平臺為載體，引導學生熟練操作振動測試的儀器與設備；以實驗平臺為支撐，加深了學生對振動基礎知識的理解；以實驗平臺為依托，幫助學生掌握了結構振動測試分析技術；以實驗平臺為途徑，培養(yǎng)了學生探索和解決工程結構實際問題的能力。