CN104033535B - 一种适用于低频振动的三维隔振装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种适用于低频振动的三维隔振装置，在水平面上，解耦支架、钢制的轴和铝制的滑动块实现了振动位移在X，Y方向的解耦，大、小两个圆形永久磁铁作为负刚度元件，弹簧作为正刚度元件，构成了水平面的低频隔振系统；在竖直方向上，利用斜弹簧的几何特性作为负刚度元件，支撑弹簧为正刚度元件，构成了Z方向的低频隔振系统；把两个系统结合起来形成了三维低频隔振系统。本发明使用永久磁铁、弹簧作为负刚度或正刚度元件，实现更低频率的隔振；实现了X，Y，Z方向的位移解耦，可以在Z方向和XY平面上获得更低动刚度的同时可以保证较大的承载能力；不需要输入能量，并且可调整静平衡位置，以保证振动发生在零刚度附近。

Description

一种适用于低频振动的三维隔振装置

技术领域

本发明涉及的是一种隔振装置。

背景技术

随着工业化的不断发展，人们对振动隔离的要求越来越高，例如精密测量和加工领域对环境的安静性要求越来越严格。机械设备内部和外部的振动干扰都是降低加工精度和表面质量的重要因素。传统的被动隔振系统对外界的干扰频率大于振动系统的固有频率的倍起减振作用，可以较好地隔离中、高频振动，但是隔离低频振动的能力差。然而对超精密加工设备产生不良影响的振动频率是在0.5-70Hz范围内，为了提高隔振器低频的隔振效率，要求隔振器必须具有足够低的刚度，但是为了保证一定的承载能力和稳定性，又需要较大的静态刚度。因此传统的被动隔振技术始终存在着动态刚度和静态变形间权衡的问题，无法较好的满足超精密加工的要求。一些新型的隔振技术如主动控制虽然能够满足上述要求，但是结构复杂，成本较高，需要输入能量以及需要计算机强大的计算能力。

中国专利库中的一种基于负刚度原理的永磁低频多自由度隔振度机构，专利号码：CN102410337A，包括下永磁体、上永磁体、橡胶片、下永磁体固定板、橡胶固定座、上永磁体固定板、橡胶压块和橡胶片外缘固定压环。但是该方法存在的问题有：1、橡胶片长期被拉伸容易发生老化断裂；2、结构的静平衡位置不能够调整，不能确保振动发生在平衡位置附近；3、竖直方向上采用磁铁作为正刚度系统，静态的线性承载能力较差，水平方向上的橡胶片静承载能力较差，容易发生较大变形。

发明内容

本发明的目的在于提供可以满足三维空间上高静态低动态刚度的要求，能够保证较小的静位移和低频隔振性能的一种适用于低频振动的三维隔振装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种适用于低频振动的三维隔振装置，其特征是：包括外壳、振动台、XY面解耦支架、滑动块、隔振台，外壳包括相连的侧壁和底面，外壳的底面上设置凸起的导向孔，振动台包括相连的上平面和圆柱，振动台的圆柱下部位于导向孔里，圆柱上部与外壳之间安装斜弹簧，振动台的圆柱中部设置凸台，凸台与导向孔壁之间安装支撑弹簧，导向孔壁设置有外螺纹，升降齿轮与导向孔壁的外螺纹配合安装在导向孔壁外，升降齿轮与支撑弹簧间安装推力轴承，外壳侧壁上固定齿轮挡圈，齿轮挡圈下方设置传动齿轮，齿轮挡圈和传动齿轮里安装调整手柄，传动齿轮和调整手柄之间通过键配合，传动齿轮和升降齿轮相啮合，XY面解耦支架为中空的环形结构，XY面解耦支架固定在振动台的上平面上，在XY面解耦支架中空部分的第一对对立面旁设置一对轴承槽，支撑轴的端部通过支撑轴承分别安装在轴承槽里，滑动块套于支撑轴上，滑动块两侧的支撑轴上分别安装X向弹簧，XY面解耦支架中空部分的第二对对立面的第一面里侧设置控制块，支撑轴与控制块间安装第一Y向弹簧，支撑轴与XY面解耦支架中空部分的第二对对立面的第二面间安装第二Y向弹簧，XY面解耦支架上设置大圆形永久磁铁，滑动块上设置小圆形永久磁铁，小圆形永久磁铁位于大圆形永久磁铁里，隔振台穿过小圆形永久磁铁并通过螺纹与滑动块相连。

本发明还可以包括：

1、XY面解耦支架中空部分的第一对对立面的一个面上安装X方向调整螺钉，支撑轴上套有X方向调整块，X方向调整块与支撑轴上的X向弹簧相连，X方向调整螺钉与X方向调整块配合从而调整滑动块的X向位置。

2、XY面解耦支架中空部分的第二对对立面的第一面里侧设置滑动槽，控制块设置在滑动槽里，XY面解耦支架上安装Y向调整螺钉，Y向调整螺钉通过螺纹与XY面解耦支架相配合并顶在控制块上。

3、齿轮挡圈处的外壳侧壁上设置开口，开口处安装挡片。

本发明的优势在于：本发明与现有的三维隔振器相比，结构上采用永久磁铁、弹簧作为负刚度或正刚度元件，实现更低频率的隔振，避免橡胶片在使用过程中发生老化断裂的现象；采用自主设计的三维位移解耦装置，实现了X，Y，Z方向的位移解耦，防止三维运动形式使弹簧产生耦合作用，冲分利用了静态时弹簧正刚度的承载能力和动态时系统正负刚度相互抵消的作用，在Z方向和XY平面上获得了更低动刚度的同时可以保证较大的承载能力，不需要外接入能量；本结构在水平方向上采用螺栓和螺母的，竖直方向上采用齿轮传动的方式可以实现调整静平衡位置，以保证高静态低动态刚度。

附图说明

图1为本发明的俯视图；

图2a为沿A1-A1截面(XZ平面)的半剖图，图2b为I处放大图；

图3为XY平面上隔振机构的解耦图；

图4a为一维隔振的原理图，图4b为二维隔振的原理图；

图5a为本发明的Z方向隔振主视图，图5b为为本发明的Z方向隔振俯视图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～5，一种适用于低频振动三维隔振器包括：铝制的隔振台1，铝制的磁铁固定盖2，小圆形永久磁铁3a，大圆形永久磁铁3b，线轴承4，支撑轴承5，X方向的铝制固定调整块7a，X方向的铝制移动调整块7a，Y方向的铝制调整块21，铝制的XY面解耦支架9，Z方向的振动台10，铝制的外壳13，齿轮挡圈17，调整手柄19，钢制的轴22，铝制的滑动块24；滑动块24在两个支撑轴22上可以沿X方向滑动，如图2，支撑轴22由支撑轴承5支撑可以在Y方向运动，支撑轴承位于XY面解耦支架9的轴承槽里，如图2中支撑轴承5所处的位置，可以沿槽在Y方向滚动；解耦支架9被螺钉固定到Z方向的振动台10上，振动台10在外壳13底部中心凸起的导向孔内振动，如图2中振动台10的圆柱结构处于外壳13底部中心凸起的导向孔；两个斜弹簧11被铰接到外壳13和振动台10，处于压缩状态，如图2所示；带有键槽的传动齿轮18位于外壳13底部的圆弧突起的槽里，如图2及图5b的俯视图中传动齿轮18的安装，调整手柄19a的圆柱端位于外壳13底部圆弧凸起中心的凹槽里，如图2中19a所处的位置，通过调整手柄的键19b带动传动齿轮18，齿轮挡圈17被螺钉固定到外壳13底部的圆弧突起，限制传动齿轮18上下移动，升降齿轮16与外壳13底部中心凸起的导向孔的连接方式是螺纹连接，如图2中升降齿轮16所处的位置，通过旋转可以实现上下运动；推力轴承15置于升降齿轮上，套在外壳13底部中心凸起的导向孔上。

本发明所述的小、大永久磁铁3a、3b为圆形，小永久磁铁3a处于大永久磁铁3b中间，并位于同于平面上，且同极相对，大圆形永久磁铁3b被磁铁固定盖2用螺钉固定到铝制的水平面解耦支架9上，小圆形磁铁3a套在隔振台1并黏贴在一起。

本发明所述的XY平面上二维隔振装置的负刚度机构为永久磁铁3a和3b，正刚度元件为弹簧8、23，可以通过X、Y方向的螺钉6、20实现静平衡位置的调节。

本发明所述的Z方向隔振装置的负刚度元件为斜弹簧11，正刚度元件为弹簧14，可以通过调整手柄19、推力轴承15、升降齿轮16、传动齿轮18实现Z方向的静平衡位置调节。

图1,2为本发明提供的一种适用于低频振动的三维隔振器的结构示意图。铝制的隔振台1和铝制的滑动块24通过螺纹进行连接，滑动块24和X，Y方向的弹簧8、23铰接在一起，滑动块24在两个支撑轴22上可以沿X方向滑动，支撑轴22由支撑轴承5支撑可以在Y方向运动，支撑轴承位于XY面解耦支架9的轴承槽里，可以沿槽在Y方向滚动，从而实现了隔振台1在XY平面上的二维振动位移的解耦，避免了X和Y方向的弹簧8、23之间的耦合，合力为减小隔振台1振动的线性恢复力，把弹簧的刚度作为正刚度；在XY平面上利用的大圆形磁铁3b对圆心附近振动的小圆形磁铁3a产生的非线性吸引作用，作为负刚度机构。为了保证XY平面上有较大的承载能力，因此在X，Y方向上各布置四个弹簧。X，Y方向的调整螺钉和螺帽6、20和调整块7、21用于调节XY方向的静平衡位置处于大圆形磁铁的中心。当隔振台1的静平衡位置偏离圆心时通过旋进或旋出螺钉，改变调整块7、21对弹簧的压缩量，使小圆形永久磁铁3a回到圆心，然后用螺母锁死。振动台10在外壳13中心凸起的导向孔里沿Z方向上振动，实现Z方向的解耦。支撑弹簧14作为Z方向振动的正刚度元件，斜弹簧11作为Z方向的负刚度元件。当隔振器静载时，若斜弹簧11没有处于与XY平面平行的状态，则需要打开外壳13上的调节窗口的挡片12，如图2中挡片12所处的位置，用扳手调节手柄19a，在调节手柄键19b的带动下可以转动，使传动齿轮18转动，带动升降齿轮16转动，升降齿轮16与外壳13底部中心凸起的导向孔使用螺纹连接，进而实现Z方向的振动台10上升或下降，使斜弹簧11处于与XY平面平行的状态。

图3为本发明的XY面上隔振机构的解耦示意图。8个弹簧的刚度相同，当隔振台1受到XY平面上的二维外力干扰时，滑动块24的运动可分解为X、Y方向的位移，不会相互产生耦合，受到的恢复力仍然服从胡可定律。其中两个钢制的轴22需要淬火，防止弯曲变形。把被隔振的物体固定到隔振台1上，若平衡位置不在圆心，则需要松开调节螺母，先调节Y方向的螺钉，旋动Y方向上的调节螺钉使铝制的隔振台1逐渐靠近X轴，并处于X轴上，然后从铝制的解耦9支架侧面中间位置的圆孔内沿X轴的正方向可以看到处于X轴上的调整螺钉6，用螺丝刀从孔内插入，转动螺钉6，可使隔振台逐渐靠近并Y轴并处于Y轴上，这样隔振台1就处于大圆形磁铁的圆心，然后再拧紧调节螺母。

图4为XY平面隔振的原理图。对于一维的水平方向隔振原理图如图4a，中间磁铁在导轨的限制下沿Y方向振动，两侧磁铁对中间磁铁的非线性力近似遵循库伦定律，与距离的平方成反比为F＝C_m/d²,其对位移导数的泰勒展开一次项系数为-2C_m/(kd³)，其中C_m为磁铁磁极强度常数，k为弹簧的刚度，d为中间磁铁处于两侧磁铁中心的初始距离，因此在Y方向引入了负刚度。若在X方向也加上一对磁铁如图4b，导轨可以对二维的振动位移解耦，防止弹簧间产生耦合，把中间方形磁铁换成圆形磁铁，让它们同极相对，则在XY面上引入了负刚度，因此可以使二维空间上振动的动刚度减小。用大的圆形磁铁如图4b中的虚线部分代替四个小的方形磁铁，使大磁铁的内圈磁性与中间的小圆形磁铁的外圈磁性相同，可以实现同样的作用，方便布置和安装。

图5为本发明的Z方向隔振图。其中两个斜弹簧11的刚度相同，由于Z方向需要承受被隔振物体的所有重量，因此支撑弹簧14的刚度较大，可以保证较小的静位移，满足隔振器的稳定性。若斜弹簧11与XY平面不平行，则需要打开挡片12，用套筒扳手转动调整手柄19a，调节升降齿轮的高度，使斜弹簧11处于与XY平面平行的状态，然后重新装上挡片12。

Claims (5)

1.一种适用于低频振动的三维隔振装置，其特征是：包括外壳、振动台、XY面解耦支架、滑动块、隔振台，外壳包括相连的侧壁和底面，外壳的底面上设置凸起的导向孔，振动台包括相连的上平面和圆柱，振动台的圆柱下部位于导向孔里，圆柱上部与外壳之间安装斜弹簧，振动台的圆柱中部设置凸台，凸台与导向孔壁之间安装支撑弹簧，导向孔壁设置有外螺纹，升降齿轮与导向孔壁的外螺纹配合安装在导向孔壁外，升降齿轮与支撑弹簧间安装推力轴承，外壳侧壁上固定齿轮挡圈，齿轮挡圈下方设置传动齿轮，齿轮挡圈和传动齿轮里安装调整手柄，传动齿轮和调整手柄之间通过键配合，传动齿轮和升降齿轮相啮合，XY面解耦支架为中空的环形结构，XY面解耦支架固定在振动台的上平面上，在XY面解耦支架中空部分的第一对对立面旁设置一对轴承槽，支撑轴的端部通过支撑轴承分别安装在轴承槽里，滑动块套于支撑轴上，滑动块两侧的支撑轴上分别安装X向弹簧，XY面解耦支架中空部分的第二对对立面的第一面里侧设置控制块，支撑轴与控制块间安装第一Y向弹簧，支撑轴与XY面解耦支架中空部分的第二对对立面的第二面间安装第二Y向弹簧，XY面解耦支架上设置大圆形永久磁铁，滑动块上设置小圆形永久磁铁，小圆形永久磁铁位于大圆形永久磁铁里，隔振台穿过小圆形永久磁铁并通过螺纹与滑动块相连。

2.根据权利要求1所述的一种适用于低频振动的三维隔振装置，其特征是：XY面解耦支架中空部分的第一对对立面的一个面上安装X方向调整螺钉，支撑轴上套有X方向调整块，X方向调整块与支撑轴上的X向弹簧相连，X方向调整螺钉与X方向调整块配合从而调整滑动块的X向位置。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于低频振动的三维隔振装置，其特征是：XY面解耦支架中空部分的第二对对立面的第一面里侧设置滑动槽，控制块设置在滑动槽里，XY面解耦支架上安装Y向调整螺钉，Y向调整螺钉通过螺纹与XY面解耦支架相配合并顶在控制块上。

4.根据权利要求1或2所述的一种适用于低频振动的三维隔振装置，其特征是：齿轮挡圈处的外壳侧壁上设置开口，开口处安装挡片。

5.根据权利要求3所述的一种适用于低频振动的三维隔振装置，其特征是：齿轮挡圈处的外壳侧壁上设置开口，开口处安装挡片。