CN103398138A - 一种阻尼刚度可控的双自由度振动主动控制平台 - Google Patents

Abstract

一种阻尼刚度可控的双自由度振动主动控制平台，包括通过柔性铰链连接的十字梁骨架和正方形底座，十字梁骨架的十字梁分布在正方形底座的对角线方向，在十字梁骨架正中安装有结构柱，在十字梁骨架对角顶端下部和正方形底座间分别连接有传感器和作动器，四个限位柱分别置于十字梁骨架的十字梁和正方形底座间，限位柱与十字梁骨架间留有预设间隙，四个配重块分别固定在传感器或作动器与限位柱间的十字梁骨架下部，在限位柱和柔性铰链间十字梁骨架下部对称位置设置有限扭弹簧片；采用电磁式传感器，电阻尼和电刚度作动器，实现对角速度检测和作动，结合柔性铰链和厚度可变的弹簧片，来实现阻尼和刚度可量控，实现结构在x和y方向的双自由度振动主动控制。

Description

一种阻尼刚度可控的双自由度振动主动控制平台

技术领域

本发明涉及一种振动控制平台，具体涉及一种阻尼刚度可控的双自由度振动主动控制平台。

背景技术

振动控制平台广泛的应用在航天航空、土木结构等领域，实现振动的控制，消除对结构的危害。目前振动控制平台主要有被动控制平台和主动控制平台，但被动控制灵活性差，对突发环境的适应性差。主动控制平台由于其适应性强且控制效果好，而成为振动控制研究的重点。以往振动控制主要应用到一些耗能材料和压电材料，而且大多数情况下阻尼材料用的是油阻尼和橡胶阻尼，系统阻尼和刚度调控不方便，且控制方向单一。由于航空航天技术的发展，对实现小范围内偏转的支撑结构，不仅提出了高分辨率的要求，还要求结构具有微小型化的要求。柔性铰链具有体积小、无机械摩擦、无间隙、运动灵活等优点，柔性铰链机构利用了弹性材料微小变形及其自回复的特性，消除了传动过程中的空程和机械摩擦，能获得超高的位移分辨率。而且柔性铰链的运动精度高，线性度好。

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阻尼刚度可控的双自由度振动主动控制平台，采用电磁式传感器，电阻尼和电刚度作动器，实现对角速度检测和作动，结合柔性铰链以及厚度可变的弹簧片，来实现阻尼和刚度可量控，实现结构在x和y方向的双自由度振动主动控制。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种阻尼刚度可控的双自由度振动主动控制平台，包括通过柔性铰链10连接的十字梁骨架2和正方形底座11，所述十字梁骨架2的十字梁分布在正方形底座11的对角线方向，在十字梁骨架2正中位置安装有结构柱1，在十字梁骨架2对角顶端下部和正方形底座11间分别连接有传感器3和作动器5，四个限位柱6分别置于十字梁骨架2的十字梁和正方形底座11间且靠近传感器3或作动器5的对称位置，所述限位柱6与十字梁骨架2的十字梁间留有预设间隙，四个配重块4分别固定在传感器3或作动器5与限位柱6间的十字梁骨架2的十字梁下部，在限位柱6和柔性铰链10间十字梁骨架2的十字梁下部对称位置设置有限扭弹簧片9。

所述限扭弹簧片9通过其两端的挂钩7分别和与十字梁骨架2的十字梁或正方形底座11连接的连接件8相连。

所述传感器3包括镀锌铁槽18，置于镀锌铁槽18底部的永磁铁15，置于永磁铁15上的镀锌铁芯17，薄壁圆筒16插入镀锌铁槽18和镀锌铁芯17之间的间隙中，在薄壁圆筒16的外壁上缠绕传感线圈14，传感线圈14处于镀锌铁槽18和镀锌铁芯17之间的磁场中，传感线圈14的引出线通过贴附于其上部的薄壁圆筒16表面的接线端子13和外部的控制及放大器部分相连，在薄壁圆筒16的顶部设置有连接台12，所述传感器3通过连接台12与十字梁骨架2相连接，通过镀锌铁槽18固定在正方形底座11上。

所述作动器5的其他结构同传感器3，区别仅在于：在薄壁圆筒16的外壁上从里到外分别缠绕有阻尼线圈19和刚度线圈20，所述阻尼线圈19和刚度线圈20的引出线通过贴附于其上部的薄壁圆筒16表面的接线端子13和外部的控制及功率放大器部分相连。

所述结构柱1、十字梁骨架2、配重块4、限位柱6、挂钩7、连接件8、限扭弹簧片9、柔性铰链10、正方形底座11和连接台12的材料均为经过防腐处理的金属。

所述薄壁圆筒16为塑料薄壁圆筒。

所述塑料薄壁圆筒为PVC薄壁圆筒。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1、由于十字梁骨架2和正方形底座11之间是通过柔性铰链10连接，从而实现了平台在x和y两个自由度上能够发生微小的振动，由于柔性铰链10线性度好，平台的振动范围小，所以可以认为这种振动是完全线性的。结构柱1的振动带动十字梁骨架2振动，正方形底座11上固定有限位柱6，限位柱6与十字梁骨架2之间有一个小的间隙，可以防止振动过程中十字梁骨架2振动幅度太大而损坏柔性铰连10。在十字梁骨架2的对角上分别对称安装传感器3和作动器5，传感器3检测相应自由度方向的振动信号，经过控制软件计算后得到控制信号作用在作动器5上，由于底座上两对角线方向分别对称安装了传感器3和作动器5，从而实现了x和y两个自由度的振动控制。

2、柔性铰链10可以允许十字梁骨架2产生微小转动，限位柱6可以防止十字梁骨架2的大幅振动，通过弹簧片9可以限制十字梁骨架2绕中心轴的转动，同时更换不同的弹簧片9可以改变平台的初始刚度。通过配重块4可以调节十字梁骨架的平衡，并且改变不同的配重块4可以在保证十字梁骨架2平衡的前提下改变平台转动惯量，从而改变其固有频率。

3、所述十字梁骨架2的四个端部都安装了配重块4，可以用来调节由于传感器3和作动器5的线圈骨架上缠绕的线圈质量不同而产生的十字梁骨架2的不平衡，同时由于可以使用不同重量的配重块4来调节平衡，所以可以改变平台的固有频率。弹簧片9通过挂钩7与连接件8和底座11以及十字梁骨架2相连接，由于其横向刚度很强，所以可以限制柔性铰链10绕中心轴的转动，具有限扭的功能。同时可以更换不同质量和刚度的弹簧片9来改变平台的初始刚度，以达到对平台刚度的粗调，然后通过给作动器5的刚度线圈20施加适当的电流，对平台刚度进行细调，使得平台刚度可在大范围内进行调节。

4、所述传感器3和作动器5中，由于镀锌铁芯17和镀锌铁槽18之间的间隙比较小，所以认为此间隙中的磁场为均匀磁场。所述传感器3中的薄壁圆筒16的外表面上缠绕传感线圈14，薄壁圆筒16在十字梁骨架2的带动下产生振动，传感线圈14切割磁感线产生与系统振动速度相关的电动势，电动势经放大后进入控制软件得到平台在相应自由度上的速度信号。速度信号经过一定的处理后经过功率放大器在作动器5的阻尼线圈19上输出一定的与速度成正比例关系的电流，线圈受到和电流成正比例关系的安培力作用，主动产生和速度成正比例关系的安培力，从而抑制十字梁骨架2在相应自由度上的振动，此阻尼力相当于改变了平台的阻尼，实现了阻尼可控。速度信号经过一次积分得到位移信号，经过功率放大器放大得到的与位移信号成正比的电流输出到作动器5的刚度线圈20上，刚度线圈20受到和位移成正比例关系的安培力，作动器就可以产生和位移成正比例关系的弹性力，从而抑制十字梁骨架2在相应自由度上的振动，此弹性力相当于改变了平台的刚度，从而实现刚度可控。本发明振动控制平台，通过传感器3中的传感线圈14切割磁感线产生与速度相关的反馈信号，通过计算对作动器5中的两组线圈施加一定的电流，主动产生了两组分别和位移、速度正比的安培力，从而实现了对弹性力，阻尼力的控制，从而改变平台的阻尼和刚度，并且作动器3和传感器5对称安装在两个对角线，从而实现具有速度检测功能的阻尼刚度可控的双自由度振动主动控制平台，结构紧凑，安装方便，操作简单，适用范围很广。

5、可以将作动器5中的永磁铁15换为电磁铁，而给阻尼线圈和刚度线圈通恒定电流，通过改变电磁铁中的电流来改变磁场强度，从而实现阻尼力和弹性力的改变，实现阻尼刚度可控。

附图说明

图1为本发明阻尼刚度可控的双自由度振动主动控制平台的结构示意图。

图2为本发明传感器的结构示意图。

图3为本发明作动器的结构示意图。

图4为本发明限扭弹簧片的结构示意图。

图5为本发明中用来固定弹簧片的挂钩的结构示意图。

图6为本发明中用来固定弹簧片挂钩的连接件结构示意图。

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，本发明一种阻尼刚度可控的双自由度振动主动控制平台，包括通过柔性铰链10连接的十字梁骨架2和正方形底座11，所述十字梁骨架2的十字梁分布在正方形底座11的对角线方向，在十字梁骨架2正中位置安装有结构柱1，在十字梁骨架2对角顶端下部和正方形底座11间分别连接有传感器3和作动器5，四个限位柱6分别置于十字梁骨架2的十字梁和正方形底座11间且靠近传感器3或作动器5的对称位置，所述限位柱6与十字梁骨架2的十字梁间留有预设间隙，四个配重块4分别固定在传感器3或作动器5与限位柱6间的十字梁骨架2的十字梁下部，在限位柱6和柔性铰链10间十字梁骨架2的十字梁下部对称位置设置有限扭弹簧片9。所述限扭弹簧片9通过其两端的挂钩7分别和与十字梁骨架2的十字梁或正方形底座11连接的连接件8相连。

如图2所示，所述传感器3包括镀锌铁槽18，置于镀锌铁槽18底部的永磁铁15，置于永磁铁15上的镀锌铁芯17，薄壁圆筒16插入镀锌铁槽18和镀锌铁芯17之间的间隙中，在薄壁圆筒16的外壁上缠绕传感线圈14，传感线圈14处于镀锌铁槽18和镀锌铁芯17之间的磁场中，传感线圈14的引出线通过贴附于其上部的薄壁圆筒16表面的接线端子13和外部的控制及放大器部分相连，在薄壁圆筒16的顶部设置有连接台12，所述传感器3通过连接台12与十字梁骨架2相连接，通过镀锌铁槽18固定在正方形底座11上。

如图3所示，所述作动器5的其他结构同传感器3，区别仅在于：在薄壁圆筒16的外壁上从里到外分别缠绕有阻尼线圈19和刚度线圈20，所述阻尼线圈19和刚度线圈20的引出线通过贴附于其上部的薄壁圆筒16表面的接线端子13和外部的控制及功率放大器部分相连。

作为本发明的优选实施方式，所述结构柱1、十字梁骨架2、配重块4、限位柱6、挂钩7、连接件8、限扭弹簧片9、柔性铰链10、正方形底座11和连接台12的材料均为经过防腐处理的金属。

作为本发明的优选实施方式，所述薄壁圆筒16为塑料薄壁圆筒。进一步，所述塑料薄壁圆筒为PVC薄壁圆筒。这种材料在磁场中运动时不会产生涡流，不会产生附加的电磁阻力，从而不会影响作动器的作动。

如图4所示，为本发明限扭弹簧片9的结构示意图，此限扭弹簧片9有不同的厚度，可以进行更换，以改变平台的初始刚度，实现刚度的粗调，后面再通过作动器5进行刚度细调。

如图5所示，为本发明中用来固定限扭弹簧片9的挂钩7的结构示意图，本实施例为L型，一端形状和限扭弹簧片9端部的形状相适配，另一端带有螺纹，能够旋入连接件8内。

如图6所示，为本发明中用来固定挂钩7的连接件8结构示意图，连接件8中间突出的圆柱形带有内螺纹，使挂钩7能够旋入，两端有通孔，便于与十字梁骨架2的十字梁或正方形底座11连接。

本发明的工作原理为：结构柱1产生振动，带动十字梁骨架2振动，位于十字梁骨架2一端的传感器3的薄壁圆筒16一起振动，从而使传感线圈14切割磁感线产生与振动速度相关的电动势，此信号经过放大后进入控制软件经过计算，得到与速度成正比关系的电流施加到作动器5的阻尼线圈19上，产生与速度信号成正比的阻尼力，从而控制平台在相应自由度上的振动，此控制相当于改变了平台的阻尼，实现阻尼可控。速度信号经过一次积分得到位移信号，经过计算产生与位移信号成正比的电流施加到刚度线圈20上，产生与位移成正比的弹性力对相应自由度上的振动进行控制，相当于改变了平台刚度，从而实现刚度可控。每条对角线上都分布一个传感器3和一个作动器5，通过传感器的线圈切割磁感线产生反馈信号，然后给作动器的两组线圈施加电流，产生与速度和位移信号成正比的安培力，从而实现具有速度检测功能的阻尼刚度可控的双自由度振动主动控制的目的。

Claims (7)

1.一种阻尼刚度可控的双自由度振动主动控制平台，其特征在于：包括通过柔性铰链（10）连接的十字梁骨架（2）和正方形底座（11），所述十字梁骨架（2）的十字梁分布在正方形底座（11）的对角线方向，在十字梁骨架（2）正中位置安装有结构柱（1），在十字梁骨架（2）对角顶端下部和正方形底座（11）间分别连接有传感器（3）和作动器（5），四个限位柱（6）分别置于十字梁骨架（2）的十字梁和正方形底座（11）间且靠近传感器（3）或作动器（5）的对称位置，所述限位柱（6）与十字梁骨架（2）的十字梁间留有预设间隙，四个配重块（4）分别固定在传感器（3）或作动器（5）与限位柱（6）间的十字梁骨架（2）的十字梁下部，在限位柱（6）和柔性铰链（10）间十字梁骨架（2）的十字梁下部对称位置设置有限扭弹簧片（9）。

2.根据权利要求1所述的一种阻尼刚度可控的双自由度振动主动控制平台，其特征在于：所述限扭弹簧片（9）通过其两端的挂钩（7）分别和与十字梁骨架（2）的十字梁或正方形底座（11）连接的连接件（8）相连。

3.根据权利要求1所述的一种阻尼刚度可控的双自由度振动主动控制平台，其特征在于：所述传感器（3）包括镀锌铁槽（18），置于镀锌铁槽（18）底部的永磁铁（15），置于永磁铁（15）上的镀锌铁芯（17），薄壁圆筒（16）插入镀锌铁槽（18）和镀锌铁芯（17）之间的间隙中，在薄壁圆筒（16）的外壁上缠绕传感线圈（14），传感线圈（14）处于镀锌铁槽（18）和镀锌铁芯（17）之间的磁场中，传感线圈（14）的引出线通过贴附于其上部的薄壁圆筒（16）表面的接线端子（13）和外部的控制及放大器部分相连，在薄壁圆筒（16）的顶部设置有连接台（12），所述传感器（3）通过连接台（12）与十字梁骨架（2）相连接，通过镀锌铁槽（18）固定在正方形底座（11）上。

4.根据权利要求3所述的一种阻尼刚度可控的双自由度振动主动控制平台，其特征在于：所述作动器（5）的其他结构同传感器（3），区别仅在于：在薄壁圆筒（16）的外壁上从里到外分别缠绕有阻尼线圈（19）和刚度线圈（20），所述阻尼线圈（19）和刚度线圈（20）的引出线通过贴附于其上部的薄壁圆筒（16）表面的接线端子（13）和外部的控制及功率放大器部分相连。

5.根据权利要求1所述的一种阻尼刚度可控的双自由度振动主动控制平台，其特征在于：所述结构柱（1）、十字梁骨架（2）、配重块（4）、限位柱（6）、挂钩（7）、连接件（8）、限扭弹簧片（9）、柔性铰链（10）、正方形底座（11）和连接台（12）的材料均为经过防腐处理的金属。

6.根据权利要求1所述的一种阻尼刚度可控的双自由度振动主动控制平台，其特征在于：所述薄壁圆筒（16）为塑料薄壁圆筒。

7.根据权利要求6所述的一种阻尼刚度可控的双自由度振动主动控制平台，其特征在于：所述塑料薄壁圆筒为PVC薄壁圆筒。

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