CN103244601B - 一种高精度微位移主被动复合压电隔振杆 - Google Patents

Abstract

一种高精度微位移主被动复合压电隔振杆，包括壳体，固定在壳体一端的端盖，固定在壳体内、和端盖依次连接的压电薄膜、压电堆、质量块、传力杆以及预压装置，质量块和压电堆接触的一端开有半圆形槽用来放置球形传力接头，使压电堆和质量块通过球形传力接头连接，质量块的另一端开有盲孔，传力杆插入盲孔中与质量块相对运动，两条导轨平行的固定在壳体上下内壁面，四个滑块对称的分布在两条导轨上，并分别置于质量块和传力杆的上下，将固定质量块和传力杆固定在壳体内，组合碟簧一将质量块和传力杆弹性连接起来，组合碟簧二将传力杆和预压装置弹性连接起来，预压装置和壳体通过螺纹连接；本发明能够实现毫米乃至微米级别的振动。

Description

一种高精度微位移主被动复合压电隔振杆

技术领域

本发明涉及压电隔振杆技术领域，具体涉及一种高精度微位移主被动复合压电隔振杆。

背景技术

六自由度的超静平台结构被广泛应用于精密光学元器件的隔振系统中，六自由度的超静平台结构包括上平台，下平台，可伸缩的支撑杆，两自由度虎克铰链，三自由度球铰链。其中可伸缩支撑杆的性能对超静平台的隔振性能起着关键的作用。传统的主动伸缩杆采用液压伺服控制，此类驱动杆行程大，输出力大，但精度不高，无法用于毫米乃至微米级别的振动。现设计一种基于压电元件的主被动隔振杆，用来进行微振动控制。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种高精度微位移主被动复合压电隔振杆，能够隔离毫米乃至微米级别的振动。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种高精度微位移主被动复合压电隔振杆，包括壳体11，固定在壳体11一端的端盖1，固定在壳体11内、和端盖1依次连接的压电薄膜2、压电堆3、质量块7、传力杆9以及预压装置12，所述质量块7和压电堆3接触的一端开有半圆形槽用来放置球形传力接头4，使压电堆3和质量块7通过球形传力接头4连接，所述质量块7的另一端开有盲孔，传力杆9运动时插入盲孔中与质量块7相对运动，两条导轨6通过螺栓平行的固定在壳体11上下内壁面，四个滑块5对称的分布在两条导轨上，并分别置于质量块7和传力杆9的上下，将固定质量块7和传力杆9固定在壳体11内，组合碟簧一8将质量块7和传力杆9弹性连接起来，组合碟簧二10将传力杆9和预压装置12弹性连接起来，所述预压装置12和壳体11通过螺纹连接。

所述质量块7为空心结构，在中间空心处用螺栓于两边和滑块5连接起来。

所述传力杆9中间部分为空心结构，在中间空心处用螺栓于两边和滑块5连接起来。

所述端盖1、壳体11、质量块7、传力杆9和预压装置12采用硬铝合金材料。

所述导轨6为滚珠直线导轨。

所述组合碟簧一8和组合碟簧二10采用碟簧组合而成。

一种六自由度超静平台，包括上述所述的高精度微位移主被动复合压电隔振杆，所述高精度微位移主被动复合压电隔振杆固定在上平台13和下平台14间。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1）能够隔离毫米乃至微米级别的振动，压电堆的刚度为微米量级，组合碟簧的刚度为微米量级，压电堆的做动位移为微米量级。在受力杆9受到微扰动时，碟簧和压电堆的变形都在微米至毫米级别，在对压电堆实施控制输出时，压电堆的输出位移也在微米级别。加入被动隔振环节，压电堆并不是直接和受力杆接触，而是中间通过了质量块来传递受力杆所受到的外力，质量块和受力杆就构成了弹簧质量阻尼系统，此系统就构成一被动隔振环节，具体为质量块7和传力杆9通过组合碟簧一8构成的弹簧质量阻尼系统，降低系统刚度，组成主被动复合隔振结构；

2）采用组合碟簧结构来设计连接弹簧，使叠合在一起的碟簧在压缩过程中会产生摩擦，消耗能量，从而相当于一套弹簧阻尼系统；

3）针对压电杆在伸缩做动时会出现摩擦导致力传递率上升，影响隔振效果，采用微型滚珠直线导轨来实现高精度低摩擦做动。

附图说明

图1为本发明隔振杆内部结构图。

图2为本发明隔振杆的等效力学模型。

图3为应用本发明隔振杆的六自由度超静平台的构型。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明一种高精度微位移主被动复合压电隔振杆，端盖1用螺栓和壳体11固定在一起，并且压住压电薄膜2，当有动态力产生时压电薄膜2就会产生电信号，从而可以得到此动态力的具体信息，此处的压电薄膜2相当于一个反馈传感器。压电堆3一边顶住压电薄膜2，一边顶住球形传力接头4，当给压电堆3加一个电压时，压电堆3可以产生一个力与位移的耦合量，此处压电堆3相当于一个反馈作动器。球形传力接头4用来与压电堆3传递轴向力，防止出现横向分力。两根导轨6通过螺栓平行的固定在壳体11内部，通过四块滑块5将质量块7与传力杆9通过螺栓固定在壳体11内部，并使它们高精确低摩擦的做轴向运动，从而降低了它们于壳体11的力传递率。质量块7，组合碟簧一8，组合碟簧二10主要是用来降低系统的刚度，从而便于控制。可以通过单片碟簧的各种组合来得各种组合碟簧的刚度，使质量块7和传力杆9，传力杆9和壳体11弹性连接在一起。组合碟簧在受压时簧片之间的摩擦可以消耗能量，相当于阻尼的作用，从而可以起到被动隔振的效果。预压装置12通过螺纹与壳体11连接在一起，通过调节螺纹的深度可以调节系统的压紧力。预压时用微位移计对隔振杆进行标定，然后再用材料试验机得到隔振杆的力位移曲线。

当一个微小扰动作用在受力杆9上时，受力杆9将力通过组合碟簧8和10传给质量块7和壳体11，质量块7再通过球形传力接头4将轴向力传给压电堆3，压电堆3再传给压电薄膜2。此时压电薄膜2就会输出一个电信号，通过此电信号可以得到一个力，用作反馈信号。此信号通过放大器，滤波器，然后进入控制器，经过计算后向压电堆3输入一个电压，从而产生做动，来平衡壳体11受到的力，进而减小振动幅值。

作为本发明的优选实施方式，所述端盖1、壳体11、质量块7、传力杆9和预压装置12采用硬铝合金材料。

作为本发明的优选实施方式，所述导轨6为滚珠直线导轨。

作为本发明的优选实施方式，所述组合碟簧一8和组合碟簧二10采用碟簧组合而成。

作为本发明的优选实施方式，压电堆3为PI的P-885.90。结构尺寸为5×5×36，单位mm。最大输出位移为38微米，最大输出力为950牛。

具体的力学模型如图2所示，k1,c1,m1,x1依次为受力杆的刚度，阻尼，质量和位移；k2,c2,m2,x2依次为质量块的刚度，阻尼，质量和位移；k3,c3,m3,x3依次为隔振杆壳体的刚度，阻尼，质量和位移；f为压电堆产生的控制力。如图所示，受力杆的位移x1为输入量，隔振杆壳体的位移x3为输出量。当受力杆受到扰动时会产生一个位移x1，要对其进行消除使受力杆受到的扰动到隔振杆壳体时的位移x3相对于输入x1减小，起到隔振的效果。通过压电堆产生力f，来平衡隔振杆壳体的受力，使隔振杆壳体的位移x3降低。

如图3所示，本发明一种六自由度超静平台，包括高精度微位移主被动复合压电隔振杆，所述高精度微位移主被动复合压电隔振杆固定在上平台13和下平台14间。

Claims (7)

1.一种高精度微位移主被动复合压电隔振杆，其特征在于：包括壳体（11），固定在壳体（11）一端的端盖（1），固定在壳体（11）内、和端盖（1）依次连接的压电薄膜（2）、压电堆（3）、质量块（7）、传力杆（9）以及预压装置（12），所述质量块（7）和压电堆（3）接触的一端开有半圆形槽用来放置球形传力接头（4），使压电堆（3）和质量块（7）通过球形传力接头（4）连接，所述质量块（7）的另一端开有盲孔，传力杆（9）受力时插入盲孔中与质量块（7）相对运动，两条导轨（6）平行的固定在壳体（11）上下内壁面，四个滑块（5）对称的分布在两条导轨上，并分别置于质量块（7）和传力杆（9）的上下，将固定质量块（7）和传力杆（9）固定在壳体（11）内，组合碟簧一（8）将质量块（7）和传力杆（9）弹性连接起来，组合碟簧二（10）将传力杆（9）和预压装置（12）弹性连接起来，所述预压装置（12）和壳体（11）通过螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的一种高精度微位移主被动复合压电隔振杆，其特征在于：所述质量块（7）为空心结构，在中间空心处用螺栓于两边和滑块（5）连接起来。

3.根据权利要求1所述的一种高精度微位移主被动复合压电隔振杆，其特征在于：所述传力杆（9）中间部分为空心结构，在中间空心处用螺栓于两边和滑块（5）连接起来。

4.根据权利要求1所述的一种高精度微位移主被动复合压电隔振杆，其特征在于：所述端盖（1）、壳体（11）、质量块（7）、传力杆（9）和预压装置（12）采用硬铝合金材料。

5.根据权利要求1所述的一种高精度微位移主被动复合压电隔振杆，其特征在于：所述导轨（6）为滚珠直线导轨。

6.根据权利要求1所述的一种高精度微位移主被动复合压电隔振杆，其特征在于：所述组合碟簧一（8）和组合碟簧二（10）采用碟簧组合而成。

7.一种六自由度的超静平台，其特征在于：包括权利要求1至6任一项所述的高精度微位移主被动复合压电隔振杆，所述高精度微位移主被动复合压电隔振杆固定在上平台（13）和下平台（14）间。

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