電動(dòng)伺服振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)與實(shí)踐

李春寶，程旭東，俞然剛，李 靜，吳江龍

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580； 2.煙臺(tái)新天地實(shí)驗(yàn)技術(shù)有限公司，山東 煙臺(tái) 264003）

土木工程專業(yè)本科生和研究生涉及結(jié)構(gòu)振動(dòng)理論、測(cè)試與分析的課程主要有“理論力學(xué)”“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”“結(jié)構(gòu)抗震”“高層建筑結(jié)構(gòu)”“振動(dòng)力學(xué)”“工程振動(dòng)試驗(yàn)分析”“結(jié)構(gòu)動(dòng)力可靠度”“結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別與健康監(jiān)測(cè)”“工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)”等[1-2]。結(jié)構(gòu)振動(dòng)的知識(shí)點(diǎn)理論性較強(qiáng)，其課程大綱設(shè)置大多停留在計(jì)算與推導(dǎo)層面，缺乏實(shí)際操作和感性認(rèn)知，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，未能順應(yīng)當(dāng)前新工科人才培養(yǎng)的目標(biāo)和形勢(shì)。

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)理論教學(xué)中學(xué)生缺乏對(duì)知識(shí)點(diǎn)的深刻理解與全面掌握，缺乏模型測(cè)試分析，限制了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性[3]。本文設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)伺服模型振動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，綜合利用機(jī)械設(shè)計(jì)、振動(dòng)力學(xué)及計(jì)算機(jī)等技術(shù)，可以用于結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)演示、不同結(jié)構(gòu)的模態(tài)測(cè)試、模型地震波動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試和結(jié)構(gòu)模型抗震性能測(cè)試等。通過上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，使學(xué)生增強(qiáng)了對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)知，加深了對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)原理和過程的理解，為學(xué)生學(xué)習(xí)基本理論知識(shí)、參加創(chuàng)新訓(xùn)練和科學(xué)研究提供了有效的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。

1 振動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)整體方案設(shè)計(jì)

電動(dòng)伺服振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的目的是模擬結(jié)構(gòu)模型的振動(dòng)形態(tài)。平臺(tái)綜合了電磁振動(dòng)臺(tái)和電液伺服振動(dòng)臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)[4-5]，基于伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠的控制原理開發(fā)了全電動(dòng)伺服控制系統(tǒng)，可進(jìn)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(dá)40 Hz，能耗少、噪音低。同時(shí)配備數(shù)據(jù)采集處理及模態(tài)分析系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)模型振動(dòng)過程高清圖像快速采集系統(tǒng)，可將結(jié)構(gòu)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果生動(dòng)、直觀地展現(xiàn)給學(xué)生，既可以使學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)有感性認(rèn)識(shí)，也可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行相關(guān)理論探究，掌握實(shí)際工程中模態(tài)測(cè)試與分析的方法。

1.1 設(shè)計(jì)要求

技術(shù)方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮盡量接近于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的實(shí)際工況，直觀、形象地演示不同層高、不同荷載作用下框架結(jié)構(gòu)模型的各階陣型及動(dòng)力響應(yīng)，使學(xué)生加深對(duì)基本動(dòng)力學(xué)概念的理解，需要滿足以下設(shè)計(jì)要求：

（1）工作行程為150 mm，最大負(fù)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(shí)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(hào)包括正弦信號(hào)、三角信號(hào)、掃頻波、地震波和自定義波形；

（4）模態(tài)測(cè)試激振方式需要實(shí)現(xiàn)底座激振和電磁激振等激振方式，方便不同實(shí)驗(yàn)方案的比較；

（5）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)過程同步保存，清晰記錄不易觀察到的實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)變化，準(zhǔn)確捕捉實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象特征點(diǎn)。

1.2 設(shè)計(jì)思路

綜合考慮設(shè)計(jì)要求，振動(dòng)平臺(tái)主要由振動(dòng)平臺(tái)機(jī)架、電動(dòng)伺服控制系統(tǒng)、動(dòng)作執(zhí)行單元、振動(dòng)平臺(tái)、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(dòng)伺服振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體方案圖

振動(dòng)平臺(tái)機(jī)架為振動(dòng)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞峁┪恢弥?，并施加水平荷載；電動(dòng)伺服控制單元實(shí)施位移、荷載、加速度閉環(huán)控制；動(dòng)作執(zhí)行單元直接作用于測(cè)試對(duì)象，是伺服加載系統(tǒng)的最終執(zhí)行單元和施力機(jī)構(gòu)；振動(dòng)平臺(tái)提供模型固定及加載平臺(tái)；激振系統(tǒng)實(shí)施對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷木植考ふ瘢桓咔鍒D像快速采集系統(tǒng)采用快錄慢放的方式記錄和回放實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼裥?；?shù)據(jù)采集處理及模態(tài)分析系統(tǒng)主要用于動(dòng)態(tài)信號(hào)的采集和分析結(jié)構(gòu)固有的動(dòng)力學(xué)特性。

1.3 設(shè)計(jì)方案

振動(dòng)平臺(tái)機(jī)架采用L型結(jié)構(gòu)，可安裝多種加載裝置，對(duì)模型施加多種類型荷載；電動(dòng)伺服控制系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜、工控機(jī)、顯示器和伺服驅(qū)動(dòng)器，采用比例-積分-微分-前饋（PIDF）控制原理，利用現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（FPGA）實(shí)現(xiàn)高速控制算法運(yùn)算，得到理想的伺服控制效果；動(dòng)作執(zhí)行單元采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)高精度滾珠絲杠，全電動(dòng)伺服控制[6-7]；振動(dòng)平臺(tái)采用上下2層式結(jié)構(gòu)，上部為直線運(yùn)動(dòng)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(dòng)裝置安裝在框架導(dǎo)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(jī)，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(dòng)態(tài)信號(hào)分析系統(tǒng)硬件和軟件。

2 振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具體方案設(shè)計(jì)

2.1 振動(dòng)平臺(tái)機(jī)架

平臺(tái)機(jī)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(gòu)件，匹配多種加載裝置，可以對(duì)模型施加多種類型激振。

2.2 伺服控制單元

振動(dòng)平臺(tái)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(hào)，支持地震波（見圖 2）和自定義波形運(yùn)動(dòng)模擬，響應(yīng)速度快、控制精度高、試驗(yàn)波形種類多，控制軟件具有開放性，可針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行二次開發(fā)。

圖2 地震波參數(shù)設(shè)置界面

2.3 動(dòng)作執(zhí)行單元

動(dòng)作執(zhí)行單元采用高精度伺服電動(dòng)缸[8]，采用低慣量、大扭矩的伺服電機(jī)搭配高性能伺服放大器，電機(jī)可實(shí)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(diǎn)，工作頻率最高可達(dá)40 Hz，有效荷載100 kg時(shí)加速度可達(dá)到1.5g。

2.4 振動(dòng)平臺(tái)

振動(dòng)平臺(tái)采用直線滑塊運(yùn)動(dòng)副導(dǎo)向，上部為平板結(jié)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)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(dòng)平臺(tái)機(jī)架上。振動(dòng)平臺(tái)臺(tái)面為硬質(zhì)氧化鋁合金面板，托板部分采用鍍鉻鋼板；平臺(tái)通過滾珠滑塊安裝在直線導(dǎo)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(tái)面上設(shè)有設(shè)備模型及實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)的模態(tài)測(cè)試時(shí)，模型自身特性受到加載方式的制約[9]。為方便不同激勵(lì)方案下模態(tài)測(cè)試結(jié)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(hào)發(fā)生器、功率放大器和電磁激振器組成。信號(hào)發(fā)生器可提供標(biāo)準(zhǔn)周期信號(hào)、白噪聲和自定義信號(hào)作為激振信號(hào)。電磁激振器可作用于被測(cè)對(duì)象一個(gè)或多個(gè)激振點(diǎn)，獲得實(shí)驗(yàn)對(duì)象的某階或多階振型。機(jī)架采用L型底梁的結(jié)構(gòu)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(lì)，數(shù)據(jù)一致性良好。

圖3 電磁激勵(lì)器位置圖

2）力錘裝置。

在實(shí)驗(yàn)過程中，力錘裝置的錘頭質(zhì)量對(duì)應(yīng)不同錘擊力，由實(shí)驗(yàn)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(shí)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(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)過程的常用方法，實(shí)驗(yàn)時(shí)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(jī)，拍攝幀數(shù)為480幀/s時(shí)，分辨率不低于224×160像素，能記錄40 Hz以下運(yùn)動(dòng)的過程，可以較好地展示振型的視頻，有利于學(xué)生對(duì)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(cè)量系統(tǒng)。用傳感器測(cè)量實(shí)驗(yàn)對(duì)象的各主要部位上的位移、速度或加速度振動(dòng)信號(hào)。

（2）分析系統(tǒng)。將采集到的激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換記錄到計(jì)算機(jī)中，用軟件系統(tǒng)識(shí)別振動(dòng)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)[13]。為實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)果振動(dòng)信息的拾取，配置動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)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(jì)（IEPE/ICP），可以實(shí)現(xiàn)磁吸、螺栓固定、膠粘三種不同的安裝方式[14]。

動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)硬件由 INV3060A型 24位網(wǎng)絡(luò)分布式采集儀、INV9828ICP加速度傳感器組成，主要用于動(dòng)態(tài)信號(hào)采集。INV3060A，采用以太網(wǎng)接口，一臺(tái)計(jì)算機(jī)可以通過 LAN局域網(wǎng)控制多臺(tái)采集儀，可選GPS授時(shí)實(shí)現(xiàn)同步，支持遠(yuǎn)距離和無(wú)線傳輸，適合分布式、多測(cè)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離或無(wú)線傳輸?shù)恼駝?dòng)、噪聲、沖擊、應(yīng)變、壓力、電壓等各種物理量信號(hào)采集。數(shù)據(jù)采集卡可實(shí)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(diào)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(lì)信號(hào)與振動(dòng)信息拾取

動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)軟件包由DASP-V10工程版、基本分析軟件及實(shí)驗(yàn)?zāi)B(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(shè)置以及信號(hào)的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)可視化的結(jié)構(gòu)生成和彩色振型動(dòng)畫顯示及仿真分析功能，并具備自動(dòng)化模態(tài)分析技術(shù)。模態(tài)擬合方法提供六種頻域方法和特征值實(shí)現(xiàn)算法（ERA），ERA既可完成激勵(lì)可測(cè)的經(jīng)典模態(tài)分析，進(jìn)行激勵(lì)不可測(cè)的環(huán)境激勵(lì)模態(tài)分析,又可對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可控的動(dòng)力學(xué)激勵(lì)，分析出結(jié)構(gòu)固有的動(dòng)力學(xué)特性。

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x配

圖5 框架振動(dòng)模型

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎醚b配式框架結(jié)構(gòu)、模塊化設(shè)計(jì)，層高任意可調(diào)，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(gè)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(shí)，可以非常直觀、形象地演示不同層高、不同配重下框架結(jié)構(gòu)模型的各階陣型及動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)于學(xué)生積累對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的感性認(rèn)識(shí)非常有幫助，也可以使學(xué)生加深對(duì)一些基本動(dòng)力學(xué)概念的理解。

框架模型在底座激振的方式下，會(huì)產(chǎn)生非常直觀的動(dòng)力響應(yīng)，可以通過視覺直接觀察到框架結(jié)構(gòu)的各階振型，其目的是為了起到教學(xué)示范和引導(dǎo)理解概念的作用。而實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)的各階振型，無(wú)論是底座激振還是電磁激振，往往都無(wú)法非常直觀演示結(jié)構(gòu)的各階振型，這時(shí)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(jié)構(gòu)的各階振型模態(tài)。為使動(dòng)力學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)順利開展，使學(xué)生掌握模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)的技能，可選配的一些用于模態(tài)測(cè)試的模型還可包括簡(jiǎn)支梁模型、固支梁模型、矩形板模型、圓板模型、框架結(jié)構(gòu)模型等。

4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

振型是模型本身固有的特性，為獲得好的實(shí)驗(yàn)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(dòng)力響應(yīng)，采用振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)也是較為理想的實(shí)驗(yàn)方式。通過伺服加載控制系統(tǒng)可控制振動(dòng)平臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可通過改變激振頻率測(cè)試模型的自振頻率。利用模型振動(dòng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)底座激振，利用安裝在立柱上的電磁激振器可以實(shí)現(xiàn)上部集中載荷激振。圖 6為不同結(jié)構(gòu)模型在不同頻率底座激振下有限元仿真分析結(jié)果與實(shí)測(cè)振型對(duì)比。

圖6 仿真與實(shí)測(cè)振型對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

本文綜合運(yùn)用機(jī)電一體化、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)抗震中的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，搭建了一種電動(dòng)伺服振動(dòng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)振動(dòng)概念的動(dòng)態(tài)可視化。以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為載體，引導(dǎo)學(xué)生熟練操作振動(dòng)測(cè)試的儀器與設(shè)備；以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為支撐，加深了學(xué)生對(duì)振動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)的理解；以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為依托，幫助學(xué)生掌握了結(jié)構(gòu)振動(dòng)測(cè)試分析技術(shù)；以實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為途徑，培養(yǎng)了學(xué)生探索和解決工程結(jié)構(gòu)實(shí)際問題的能力。