CN102394548B - 一种音圈隔振/抑振结构及其控制方法 - Google Patents
一种音圈隔振/抑振结构及其控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种音圈隔振/抑振结构及其控制方法，在安装平台和基座之间加入了一个中间平台，三者通过两个音圈电机和两根支撑弹簧串联起来，并由三根光轴限制径向位移。当启用上音圈电机时，可以在安装平台和中间平台之间提供一个负刚度，与下弹簧提供的正刚度串联起来，理论上可以使结构整体刚度趋于无穷大，从而抑制直接干扰。当启用下音圈电机时，可以提供一个可变阻尼，使基座振动在传递到中间平台时就得到良好的隔离，减弱甚至消除由下弹簧柔性引起的低频共振，从而大幅削弱基座宽带振动对安装平台上高精密设备的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种音圈隔振/抑振结构及其控制方法，属于结构振动主动控制技术领域。
背景技术
随着科学技术日新月异的发展，高精密设备得到越来越广泛的运用，其对安装结构隔振性能和抗干扰能力的要求也越来越高，传统的被动隔振结构已经渐渐无法满足需要，而主动控制技术则是解决这一问题的有效途径。
一般来说，高精密设备及其安装结构面临的干扰因素主要有两方面，一方面来自设备自身的直接干扰，例如由设备重量变化引起的干扰力；另一方面则来自于结构基座传来的振动干扰。如果要抑制直接干扰，需要结构有较高的刚度，而如果要隔离基座振动，则需要结构有较高的柔性。两方面的需求是互相矛盾的，通常情况下两者不可得兼，顾此则失彼。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种音圈隔振/抑振结构及其控制方法，在安装平台和基座之间加入了一个中间平台，三者通过两个音圈电机和两根支撑弹簧串联起来，并由三根光轴限制径向位移。当启用上音圈电机时，可以在安装平台和中间平台之间提供一个负刚度，与下弹簧提供的正刚度串联起来，理论上可以使结构整体刚度趋于无穷大，从而抑制直接干扰。当启用下音圈电机时，可以提供一个可变阻尼，使基座振动在传递到中间平台时就得到良好的隔离，减弱甚至消除由下弹簧柔性引起的低频共振，从而大幅削弱基座宽带振动对安装平台上高精密设备的影响。
一种音圈隔振/抑振结构，其特征在于，包括动力部分、支撑结构部分和测量部分；
动力部分包括上音圈电机和下音圈电机，上音圈电机包括上音圈电机线圈和上音圈电机磁体，上音圈电机线圈与安装平台固定连接，上音圈电机磁体与中间平台固定连接，上音圈电机线圈位于上音圈电机磁体内部的环形凹槽中，上音圈电机磁体外围设有上支撑弹簧；下音圈电机包括下音圈电机线圈和下音圈电机磁体，下音圈电机线圈与基座固定连接，下音圈电机磁体与中间平台固定连接，下音圈电机线圈位于下音圈电机磁体内部的环形凹槽中，下音圈电机磁体外围设有下支撑弹簧；
支撑结构部分包括安装平台、中间平台、基座、上支撑弹簧、下支撑弹簧、光轴和直线滚珠导套；安装平台、中间平台上均设有三个通孔，三个通孔为120°角均匀分布，安装平台、中间平台的通孔中均设有直线滚珠导套，直线滚珠导套固定在通孔中，三根光轴分别穿过安装平台、中间平台上的直线滚珠导套，最后固定在基座上；安装平台与中间平台之间通过上支撑弹簧支撑，中间平台与基座之间通过下支撑弹簧支撑；
测量部分包括相对位移传感器和速度传感器；相对位移传感器固定在安装平台的外边缘；速度传感器固定在中间平台的外边缘。
一种音圈隔振/抑振结构的控制方法，包括上音圈电机的控制方法和下音圈电机的控制方法；
上音圈电机的控制方法具体为：
对于上音圈电机，当安装平台与中间平台受到干扰力而发生相对运动时，相对位移传感器会将其相对位移信号传递给外部控制器，控制器经过电路运算后向上音圈电机线圈输出电流，使线圈部分和磁体部分发生相对运动，并最终使安装平台和中间平台产生稳定的相对位移，提供对应于干扰力的等效负刚度；通过调节控制器传递函数的参数，使负刚度的大小等于下弹簧提供的正刚度，从而使整体刚度趋于无穷大；
下音圈电机的控制方法具体为：
对于下音圈电机，当基座发生振动时，速度传感器将中间平台的速度信号传给外部控制器，控制器经过电路运算后向下音圈电机线圈输出电流，并产生一个与速度成比例的电磁阻尼力；通过调节控制器参数来改变阻尼系数的大小，在低频段时增加阻尼系数抑制共振，高频段减小阻尼系数增加振动衰减速率，获得良好的隔振性能。
本发明的优点在于：
(1)本发明结构简单，音圈电机应用广泛，技术成熟，可靠性高；
(2)本发明可以同时抑制来自安装平台的直接干扰和隔离来自基座的振动，性能全面；
(3)本发明在减弱甚至消除低频共振的同时，也保证了结构在高频段的振动衰减速率。
附图说明
图1是本发明的三维视图；
图2是本发明的四分之一剖视图；
图3是本发明的半剖平面图；
图4是上音圈电机的控制方法示意图；
图5是下音圈电机的控制方法示意图；
图中：
1-动力部分 2-支撑结构部分 3-测量部分
101-上音圈电机 102-下音圈电机 103-上音圈电机线圈
104-上音圈电机磁体 105-下音圈电机线圈 106-下音圈电机磁体
201-安装平台 202-中间平台 203-基座
204-上支撑弹簧 205-下支撑弹簧 206-光轴
207-直线滚珠导套 301-相对位移传感器 302-速度传感器
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种基于负刚度和振动主动控制的新型音圈隔振/抑振结构，如图1、图2、图3所示，包括动力部分1、支撑结构部分2和测量部分3。
动力部分1包括上音圈电机101和下音圈电机102，上音圈电机101包括上音圈电机线圈103和上音圈电机磁体104，上音圈电机线圈103通过螺钉与支撑结构部分2的安装平台201固定连接，上音圈电机磁体104通过螺钉与支撑结构部分2的中间平台202固定连接，上音圈电机线圈103位于上音圈电机磁体104内部的环形凹槽中，上音圈电机磁体104外围设有支撑结构部分2的上支撑弹簧204；下音圈电机102包括下音圈电机线圈105和下音圈电机磁体106，下音圈电机线圈105通过螺钉与支撑结构部分2的基座203固定连接，下音圈电机磁体106通过螺钉与支撑结构部分2的中间平台202固定连接，下音圈电机线圈105位于下音圈电机磁体106内部的环形凹槽中，下音圈电机磁体106外围设有支撑结构部分2的下支撑弹簧205。
支撑结构部分2包括安装平台201、中间平台202、基座203、上支撑弹簧204、下支撑弹簧205、光轴206和直线滚珠导套207。
安装平台201、中间平台202上均设有三个通孔，三个通孔为120°角均匀分布，安装平台201、中间平台202的通孔中均设有直线滚珠导套207，直线滚珠导套207通过螺钉固定在通孔中，三根光轴206分别穿过安装平台201、中间平台202上的直线滚珠导套207，最后通过螺钉固定在基座203上，三根光轴206用于限制径向位移，通过直线滚珠导套207后光轴206的摩擦力很小，保证轴向位移不受影响；安装平台201与中间平台202之间通过上支撑弹簧204支撑，中间平台202与基座203之间通过下支撑弹簧205支撑，上音圈电机101、下音圈电机102分别位于上支撑弹簧204、下支撑弹簧205内部。
测量部分3包括相对位移传感器301和速度传感器302。相对位移传感器301通过上下两个螺母固定在安装平台201的外边缘；速度传感器302通过螺钉固定在中间平台202的外边缘。
所述的上音圈电机101和下音圈电机102均采用型号为LA34-37-000A的音圈电机，是市购产品，主要由磁体和线圈两部分组成。两者通过嵌套配合使用，可以进行相对直线运动。其中线圈部分可以外接电路，对其提供合适的电流来实现期望的运动。
所述的上支撑弹簧204、下支撑弹簧205除了连接和支撑安装平台201和中间平台201与基座203之外，也为整体隔振结构提供刚度。
所述的中间平台202和基座203均为45号钢材料制造的圆形平台，其中安装平台201用来安装设备，中间平台202用来连接两根支撑弹簧和安装传感器，基座203用来支撑整个结构。
所述的光轴206的型号为LM-16，直线滚珠导套207型号为LMF-16，均为市购产品，两者通过配合使用，滚动摩擦力很小，可以忽略不计。三根光轴206和六个直线滚珠导套207在空间中分别成120°角均匀分布，在不影响安装平台201和中间平台202轴向位移的同时，可以很好地限制结构的径向位移。
所述的测量部分3的相对位移传感器301为电涡流式位移传感器，型号为CWY-DO-502，由探头和前置器两部分构成。其中探头部分布有螺纹，通过两个螺母与安装平台外边缘的通孔相连，用来测量安装平台201与中间平台202之间的相对位移。速度传感器302为单轴压电式速度传感器，型号为CS-YD-004，其上布有内螺纹，通过螺钉安装中间平台202的下表面外边缘。测量部分3主要为外部电路控制提供参考量和反馈量。
本发明可以同时抑制来自安装平台201的直接干扰和隔离来自基座203的宽带振动，工作过程为：当有直接干扰(例如由设备重量变化引起的向下的力)作用于安装平台201时，两根支撑弹簧会发生变形并产生一个压缩量，此时通过控制外部电路对上音圈电机线圈103提供一个合适的电流，使其与上音圈电机磁体104产生相对运动，上音圈电机101提供的电磁力将克服上支撑弹簧204的压力，使安装平台201和中间平台202之间的距离产生一个伸长量，也就是提供了所谓的负刚度。通过调节外部控制器参数使其等效负刚度的大小刚好等于下支撑弹簧205提供的正刚度，那么安装平台201与中间平台202之间距离的伸长量则正好补偿了中间平台202与基座203之间距离的缩短量，整体串联刚度趋于无穷大。总体效果就是安装平台201的绝对位置不变，中间平台202向下偏移，从而保证了安装在安装平台201的设备不受位置变化干扰。另一方面，当基座203发生振动时，可以通过外部控制器对下音圈电机线圈105提供一个合适的电流，产生一个可变的电磁阻尼力，从而在减弱甚至消除由下支撑弹簧205柔性引起的低频共振的同时，也保证了结构在高频段的振动衰减速率。这样基座203宽带振动传递至中间平台202时就已经大大衰减，对安装平台201的影响更是微乎其微，从而满足了高精密设备对安装结构隔振性能的要求。
一种音圈隔振/抑振结构及其控制方法，包括上音圈电机101的控制方法和下音圈电机102的控制方法。
上音圈电机101的控制方法如图4所示，具体为：
对于上音圈电机101，当安装平台201与中间平台202受到干扰力而发生相对运动时，相对位移传感器301会将其相对位移信号传递给外部控制器，控制器经过电路运算后向上音圈电机线圈103输出电流，使线圈部分和磁体部分发生相对运动，并最终使安装平台201和中间平台202产生稳定的相对位移，也就是提供了对应于干扰力的等效负刚度。可以通过调节控制器传递函数的参数，使负刚度的大小等于下弹簧提供的正刚度，从而使整体刚度趋于无穷大。
下音圈电机102的控制方法如图5所示，具体为：
对于下音圈电机102，当基座203发生振动时，速度传感器302将中间平台202的速度信号传给外部控制器，控制器经过电路运算后向下音圈电机线圈105输出电流，并产生一个与速度成比例的电磁阻尼力。可以通过调节控制器参数来改变阻尼系数的大小，在低频段时适当增加阻尼系数抑制共振，高频段减小阻尼系数增加振动衰减速率，从而获得良好的隔振性能。
Claims (8)
1.一种音圈隔振/抑振结构，其特征在于，包括动力部分、支撑结构部分和测量部分；
动力部分包括上音圈电机和下音圈电机，上音圈电机包括上音圈电机线圈和上音圈电机磁体，上音圈电机线圈与安装平台固定连接，上音圈电机磁体与中间平台固定连接，上音圈电机线圈位于上音圈电机磁体内部的环形凹槽中，上音圈电机磁体外围设有上支撑弹簧；下音圈电机包括下音圈电机线圈和下音圈电机磁体，下音圈电机线圈与基座固定连接，下音圈电机磁体与中间平台固定连接，下音圈电机线圈位于下音圈电机磁体内部的环形凹槽中，下音圈电机磁体外围设有下支撑弹簧；
支撑结构部分包括安装平台、中间平台、基座、上支撑弹簧、下支撑弹簧、光轴和直线滚珠导套；安装平台、中间平台上均设有三个通孔，三个通孔为120°角均匀分布，安装平台、中间平台的通孔中均设有直线滚珠导套，直线滚珠导套固定在通孔中，三根光轴分别穿过安装平台、中间平台上的直线滚珠导套，最后固定在基座上；安装平台与中间平台之间通过上支撑弹簧支撑，中间平台与基座之间通过下支撑弹簧支撑；
测量部分包括相对位移传感器和速度传感器；相对位移传感器固定在安装平台的外边缘；速度传感器固定在中间平台的外边缘。
2.根据权利要求1所述的一种音圈隔振/抑振结构，其特征在于，所述的上音圈电机和下音圈电机均采用型号为LA34-37-000A的音圈电机。
3.根据权利要求1所述的一种音圈隔振/抑振结构，其特征在于，所述的中间平台和基座均采用45号钢材料。
4.根据权利要求1所述的一种音圈隔振/抑振结构，其特征在于，所述的光轴的型号为LM-16。
5.根据权利要求1所述的一种音圈隔振/抑振结构，其特征在于，所述的直线滚珠导套型号为LMF-16。
6.根据权利要求1所述的一种音圈隔振/抑振结构，其特征在于，所述的相对位移传感器为电涡流式位移传感器，型号为CWY-DO-502。
7.根据权利要求1所述的一种音圈隔振/抑振结构，其特征在于，所述的速度传感器为单轴压电式速度传感器，型号为CS-YD-004。
8.一种音圈隔振/抑振结构的控制方法，包括上音圈电机的控制方法和下音圈电机的控制方法；
上音圈电机的控制方法具体为：
对于上音圈电机，当安装平台与中间平台受到干扰力而发生相对运动时，相对位移传感器会将其相对位移信号传递给控制器，控制器经过电路运算后向上音圈电机线圈输出电流，使线圈部分和磁体部分发生相对运动，并最终使安装平台和中间平台产生稳定的相对位移，提供对应于干扰力的等效负刚度；通过调节控制器传递函数的参数，使负刚度的大小等于下弹簧提供的正刚度，从而使整体刚度趋于无穷大；
下音圈电机的控制方法具体为：
对于下音圈电机，当基座发生振动时，速度传感器将中间平台的速度信号传给控制器，控制器经过电路运算后向下音圈电机线圈输出电流，并产生一个与速度成比例的电磁阻尼力；通过调节控制器参数来改变阻尼系数的大小，在低频段时增加阻尼系数抑制共振，高频段减小阻尼系数增加振动衰减速率，获得良好的隔振性能。
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