CN104613285A - 一种大动态立方Stewart主动振动控制平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大动态立方Stewart主动振动控制平台，包括上平台、下平台、作动器组、传感器组以及连接件。其中，上平台与下平台的周向上分别设置有三个安装座，每个安装座上安装有一个连接件，通过连接件实现作动器组与上平台和下平台间的安装；使作动器副间采用首尾连接方式进行连接，通过连接件的设计，以及各作动器副与连接件间的连接方式，使作动器副之间形成夹角相同安装的位置关系。传感器组安装在上平台上表面，用来检测上平台的六个自由度方向的振动加速度信号。本发明的优点为：平台使用范围可以在微幅低频的环境下工作，平台转动空间可达到±0.15°，其减振效果在98％左右。基于平台的减振控制系统，该平台操作方便、可控。

Description

一种大动态立方Stewart主动振动控制平台

技术领域

本发明涉及一种减振装置，具体地说，是指一种适用于高精度低频环境下较大动态范围的主动振动减振用六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台。

背景技术

随着工业技术的发展，在一些精密仪器的使用中，如现代飞机、水下潜艇、空间站等，发动机的振动和空气动力严重影响精密仪器性能的精度和可靠性，这对安装发动机的基座稳定性的要求也十分高。常规采用增加刚度和添加阻尼材料减振降噪，这不仅增加了重量、降低了性能、并且减振降噪效果也十分有限。采用添加阻尼材料减振中，目前用到的智能型材料有：形状记忆材料、压电材料、超磁致伸缩材料、电磁流变变流体等，对于高精度微幅隔振和自适应结构来说，形状记忆材料响应速度慢，压电材料驱动动作小，而且工作电压高、安全性较差，变流体稳定性不够且机械响应较差。

超磁致伸缩材料在磁场作用下会沿磁化方向产生伸缩变化，并且在正负磁场下都会随磁场的增减而伸长或缩短，在低磁场下具有良好的线性段。在主动振动控制领域，超磁致伸缩材料具有广泛的应用前景。与常用的压电材料和形状记忆合金相比，超磁致伸缩材料应变大，承载能力强，驱动电压低，不存在时效引起的性能老化现象，温度超过居里点仍可以恢复使用。但是由于超磁致伸缩材料具有的磁滞特性，作动器的输出也表现出滞后的特性。这种非线性因素对控制精度和控制的稳定性将产生影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种借助自动控制技术和超磁致伸缩材料对主动振动控制平台进行控制的减振装置。该六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台可以实现对低频(100Hz以下)、较大幅度振动(平动百微米级，转动±0.15°)的有效控制，能够得到具有高精度和理想动态特性的减振性能。

本发明大动态立方Stewart主动振动控制平台，包括上平台、下平台、作动器组、传感器组以及连接件。

其中，上平台与下平台周向上分别设置有三个安装座，每个安装座上安装有一个连接件，实现作动器组与上平台和下平台间的安装。所述作动器组包括六个作动器副，每个作动器副包括超磁致伸缩作动器、上柔性铰链、下柔性铰链以及第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆；其中，超磁致伸缩作动器的输出轴与上柔性铰链的固定端同 轴固连，上柔性铰链的连接端与第一连接杆的固定端同轴固连；超磁致伸缩作动器底部的螺纹孔与下连接杆的固定端螺纹连接，第二连接杆的连接端与下柔性铰链的固定端同轴连接，下柔性铰链的连接端与第三连接杆的固定端同轴固连。

所述连接件底部具有水平安装面，上部具有两个相交的连接面；安装面的中心位置开设有垂直于安装面的螺纹孔，用来与安装座上设计的螺纹连接件配合连接；而两个连接面中心位置同样开设有垂直于连接面的螺纹孔，用来连接作动器副。

上述结构的六个作动器副周向设置在上平台与下平台间，令顺时针六个作动器副分别为第一作动器副、第二作动器副、第三作动器副、第四作动器副、第五作动器副与第六作动器副；第一作动器副与第二作动器副、第三作动器副与第四作动器副、第五作动器副与第六作动器副中的第一连接杆的连接端分别与上平台下表面的一个连接件中两矩形侧面上的螺纹孔螺纹配合固定；第二作动器与第三作动器副、第四作动器副、第五作动器副、第六作动器副、第一作动器副中第三连接杆的连接端分别与下平台上表面的一个连接件中两矩形侧面上的螺纹孔螺纹配合固定。

所述传感器组为三套，分别安装于上平台1下表面三个连接件所对应的上平台上表面位置；传感器组包括传感器安装座、外罩与两个加速度传感器；其中，传感器安装座具有水平底面与周向上相交的两个侧面。两个侧面中心位置开有传感器安装螺纹孔；两个加速度传感器分别与传感器安装座的两个侧面上的螺纹孔配合安装，且使两个加速度传感器的轴向分别与传感器组所对应的连接件相连的两个作动器副的轴向同向；所述外罩用来罩住传感器安装座与两个加速度传感器，对加速度传感器进行保护；两个加速度传感器的输出端分别通过外罩上开设的两个穿线孔伸出与控制部分的连线相接。

通过上述机构，由平台控制系统对本发明六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台的控制信号从超磁致伸缩作动器上的引线插头中输入，并从传感器组4输出加速度信号(单位是米每秒的平方)，经过对加速度信号进行识别处理，得到加速度对应的电压信号，最终在计算机中以电压表示加速度，反映在曲线上。

本发明的优点在于：

1、本发明大动态立方Stewart主动振动控制平台，采用智能材料的六自由度平台，具备低频大载荷下的致稳能力，可在微幅低频10～100Hz范围内控制减振；

2、本发明大动态立方Stewart主动振动控制平台，上台面与下台面平行、对称结构的设计有利于与其它设备的安装；

3、本发明大动态立方Stewart主动振动控制平台，独特的空间结构设计，使得上台面具备±0.15°的转动空间；

4、本发明大动态立方Stewart主动振动控制平台，优化的传感器安装方法和柔性铰链结构设计方案提高了平台的性能和减振效果；

5、大动态立方Stewart主动振动控制平台，可以在各类精密仪器仪表的致稳领域及精密加工领域有着广阔的应用前景，其减振效果在98％。

附图说明

图1是本发明大动态立方Stewart主动振动控制平台结构示意图；

图2是本发明中作动器副结构分解示意图；

图3是本发明中作动器副的柔性铰链结构示意图；

图4是本发明中连接件结构示意图；

图5是本发明中连接件具体实施结构示意图；

图6为本发明中传感器组结构示意图；

图7为本发明大动态立方Stewart主动振动控制平台减振效果测试方式示意图；

图8是本发明大动态立方Stewart主动振动控制平台减振控制曲线图。

图中：

1-上平台           2-下平台             3-作动器组

4-传感器组         5-引线插头           6-支撑平台

7-激振器           301-第一作动器副     302-第二做作动器副

303-第三作动器副   304-第四作动器副     305-第五作动器副

306-第六作动器副   3a-超磁致伸缩作动器  3b-上柔性铰链

3c-下柔性铰链      3d-第一连接杆        3e-第二连接杆

3f-第三连接杆      3g-铰链块            3h-橡胶铰链环

401-传感器安装座   402-外罩             403-加速度传感器

404-穿线孔         501-安装面           502-连接面

503-螺纹孔

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明的六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台，包括上平台1、下平台2、作动器组3、传感器组4以及连接件5。其中，上平台1与下平台2上下对称水平设置，均为采用40#钢加工成形的圆盘结构。上平台1与下平台2的周向上分别设置有三个安装座，每个安装座上安装有一个连接件5，通过连接件5实现作动器组3与上平台1和下平台2间的安装。传感器组4安装在上平台1上表面，用来检测上平台1的六个自由度方向的振动加速度信号。

所述作动器组3包括六个作动器副，令顺时针6个作动器副分别为第一作动器副301、第二作动器副302、第三作动器副303、第四作动器副304、第五作动器副306与第六作动器副307，每个作动器副包括超磁致伸缩作动器3a、上柔性铰链3b、下柔性铰链3c以及第一连接杆3d、第二连接杆3e、第三连接杆3f，如图2所示。其中，超磁致伸缩作动器3a的磁致伸缩材料选取Tb0.27～0.3Dy0.7～0.73Fe1.9～2.0，其性能曲线线性段的磁致伸缩系数达1000ppm以上。超磁致伸缩作动器3a的输出轴与上柔性铰链3b的固定端同轴固连，上柔性铰链3b的连接端与第一连接杆3d的固定端同轴固连。超磁致伸缩作动器3a底部的螺纹孔与下连接杆的固定端螺纹连接，第二连接杆3e的连接端与下柔性铰链3c的固定端同轴连接，下柔性铰链3c的连接端与第三连接杆3f的固定端同轴固连。每个作动起副中的超磁致伸缩作动器3a上均安装有引线插头5，用于连接平台控制系统输出的控制信号，从而控制作动器组3来调整上平台1的姿态和振动状态。本发明中上柔性铰链3b和下柔性铰链3c结构相同，均由铰链块3g与橡胶铰链环3h构成，如图3所示。铰链块3g为金属骨架，中部周向上具有环形凹槽，形成圆柱段，且圆柱段两端的连接处为大倒角。橡胶铰链环3h位于环形凹槽处，套在圆柱段上，将圆柱段包覆。铰链块3g采用40#钢加工成形，橡胶铰链环3h为橡胶材料。铰链块3g两端中心位置设计有连接用螺纹孔。

所述连接件5具有底面，作为安装面501，且具有由两个相交平面构成的顶面，作为连接面502，如图4所示。本发明中采用将四棱柱体削去一个角的方式，具体如图5所示，为：令一四棱柱体顶面四个顶点分别为A、B、C、D，底面对应顶点分别为E、F、G、H，则以ACH所在平面对四棱柱体切削去角，形成连接件5。平面ACH作为连接件5的安装面501，而连接件5的两个矩形侧面(平面ABFE与平面BCGF)作为连接面502。上述安装面501的中心位置开设有垂直于安装面501的螺纹孔503，用来与安装座上设计的螺纹连接件5配合连接；而两个连接面502中心位置同样开设有垂直于连接面502的螺纹孔503，用来连接作动器副301。

上述结构的六个作动器副301周向设置在上平台1与下平台2间，如图1所示，第一作动器副301与第二作动器副302、第三作动器副303与第四作动器副304、第五作动器副305与第六作动器副306中的第一连接杆301d的连接端分别与上平台1下表面的一个连接件5中两矩形侧面上的螺纹孔螺纹配合固定；第二作动器302与第三作动器副303、第四作动器副304、第五作动器副305、第六作动器副306、第一作动器副301中第三连接杆3f的连接端分别与下平台2上表面的一个连接件5中两矩形侧面上的螺纹孔螺纹配合固定；由此使6个作动器副301间采用相同的首 尾连接方式进行连接，实现作动器组3与上平台1和下平台2间的连接，构成六自由度的运动平台，可以在低频10～100Hz范围内对微幅振动进行控制。本发明中连接件5的设计，以及各作动器副301与连接件5间的连接方式，可使作动器副301之间形成夹角相同安装的位置关系，保证相邻作动器副301的轴线夹角相等，实现各个作动器副301间的等角度排列关系；且通过更换两矩形侧面角度不同的连接件5，可改变各作动器副301之间的角度，该角度决定了上平台1的摆动角度范围。

所述传感器组4为三套，每个连接件5对应一套传感器组4，则三套传感器组4分别安装于上平台1下表面三个连接件5所对应的上平台1上表面位置。传感器组4包括传感器安装座401、外罩402与两个加速度传感器403，如图6所示。其中，传感器安装座401具有水平底面与周向上相交的两个侧面，本发明中采用三棱锥结构，相邻的两个侧面中心位置开有传感器安装螺纹孔；两个加速度传感器403分别与传感器安装座401相邻侧面上的螺纹孔配合安装，且使两个加速度传感器403的轴向分别与传感器组4所对应的连接件5相连的两个作动器副301的轴向同向；由此通过三套传感器组4中的加速度传感器403实现对上平台1六个自由度方向的振动加速度信号的实时检测。所述外罩402用来罩住传感器安装座401与两个加速度传感器403，对加速度传感器403进行保护。两个加速度传感器403的输出端分别通过外罩402上开设的两个穿线孔伸出与控制部分的连线相接，输出两个加速度传感器403采集到的电信号。上述每套传感器组4中，外罩上的两个穿线孔404的轴线分别与两个加速度传感器403输出方向同向，便于两个加速度传感器的安装定位。

通过上述机构，由平台控制系统对本发明六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台的控制信号从超磁致伸缩作动器3a上的引线插头中输入，并从传感器组4输出加速度信号(单位是米每秒的平方)，经过对加速度信号进行识别处理，得到加速度对应的电压信号，最终在计算机中以电压表示加速度，反映在曲线上。通过传感器组4测得的上平台1的六个自由度方向振动消减98％左右。如图7所示，为了测试本发明六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台的减振效果，用激振器7提供振源，并将激振器7安装在一平台支撑6的底板上，下台面4安装在平台支撑6的左支撑板和右支撑板上。通过平台控制系统的工控机输出控制信号至各超磁致伸缩作动器3a对本发明六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台进行减振控制，由加速度传感器回传的信号减振达98％以上，传感器组4中6个加速度传感器403在频率50Hz条件下输出的电荷量，如图8所示，六个曲线分别代表本发明六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台六个自由度的振动响应，也就是振幅随时间的变化；每个响应曲线，在前1秒(曲线横轴是时间，单位是毫秒)是主动控制没有加入的情形，也就是未控制时的 上平台振动状态，1秒之后主动控制启动，上平台1的振幅开始快速衰减，最终在5秒内均只剩下1％～2％左右，也就是衰减了98％的振动。

Claims (7)

1.一种大动态立方Stewart主动振动控制平台，其特征在于：包括上平台、下平台、作动器组、传感器组以及连接件；

其中，上平台与下平台周向上分别设置有三个安装座，每个安装座上安装有一个连接件，实现作动器组与上平台和下平台间的安装。所述作动器组包括六个作动器副，每个作动器副包括超磁致伸缩作动器、上柔性铰链、下柔性铰链以及第一连接杆、第二连接杆、第三连接杆；其中，超磁致伸缩作动器的输出轴与上柔性铰链的固定端同轴固连，上柔性铰链的连接端与第一连接杆的固定端同轴固连；超磁致伸缩作动器底部的螺纹孔与下连接杆的固定端螺纹连接，第二连接杆的连接端与下柔性铰链的固定端同轴连接，下柔性铰链的连接端与第三连接杆的固定端同轴固连；

所述连接件底部具有水平安装面，上部具有两个相交的连接面；安装面的中心位置开设有垂直于安装面的螺纹孔，用来与安装座上设计的螺纹连接件配合连接；而两个连接面中心位置同样开设有垂直于连接面的螺纹孔，用来连接作动器副；

上述结构的六个作动器副周向设置在上平台与下平台间，令顺时针六个作动器副分别为第一作动器副、第二作动器副、第三作动器副、第四作动器副、第五作动器副与第六作动器副；第一作动器副与第二作动器副、第三作动器副与第四作动器副、第五作动器副与第六作动器副中的第一连接杆的连接端分别与上平台下表面的一个连接件中两矩形侧面上的螺纹孔螺纹配合固定；第二作动器与第三作动器副、第四作动器副、第五作动器副、第六作动器副、第一作动器副中第三连接杆的连接端分别与下平台上表面的一个连接件中两矩形侧面上的螺纹孔螺纹配合固定；

所述传感器组为三套，分别安装于上平台下表面三个连接件所对应的上平台上表面位置；传感器组包括传感器安装座、外罩与两个加速度传感器；其中，传感器安装座具有水平底面与周向上相交的两个侧面。两个侧面中心位置开有传感器安装螺纹孔；两个加速度传感器分别与传感器安装座的两个侧面上的螺纹孔配合安装，且使两个加速度传感器的轴向分别与传感器组所对应的连接件相连的两个作动器副的轴向同向；所述外罩用来罩住传感器安装座与两个加速度传感器，对加速度传感器进行保护；两个加速度传感器的输出端分别通过外罩上开设的两个穿线孔伸出与控制部分的连线相接。

2.根据权利要求1所述的一种大动态立方Stewart主动振动控制平台，其特征在于：所述上柔性铰链和下柔性铰链结构相同，均由铰链块与橡胶铰链环构成；铰链块中部周向上具有环形凹槽，形成圆柱段，且圆柱段两端的连接处为大倒角；橡胶铰 链环位于环形凹槽处，套在圆柱段上，将圆柱段包覆；铰链块两端中心位置设计有连接用螺纹孔。

3.根据权利要求1所述的一种大动态立方Stewart主动振动控制平台，其特征在于：所述连接件采用将四棱柱体削去一个角的方式，具体为：令四棱柱体顶面四个顶点分别为A、B、C、D，底面对应顶点分别为E、F、G、H，则以ACH所在平面对四棱柱体切削去角，形成连接件。

4.根据权利要求1所述的一种大动态立方Stewart主动振动控制平台，其特征在于：所述各作动器副间，相邻的2个作动器副轴线夹角相同。

5.根据权利要求1所述的一种大动态立方Stewart主动振动控制平台，其特征在于：所述每套传感器组中，外罩上的两个穿线孔的轴线分别与两个加速度传感器输出方向同向。

6.根据权利要求1所述的一种大动态立方Stewart主动振动控制平台，其特征在于：所述每个作动起副中的超磁致伸缩作动器上均安装有引线插头，用于连接平台控制系统输出的控制信号，从而控制作动器组3来调整上平台1的姿态和振动状态。

7.根据权利要求1所述的一种大动态立方Stewart主动振动控制平台，其特征在于：所述超磁致伸缩作动器的磁致伸缩材料选取Tb_0.27～0.3Dy_0.7～0.73Fe_1.9～2.0。