CN104653692B - 一种空间三自由度主动执行机构 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种空间三自由度主动执行机构，包括壳体、X方向结构、Y方向结构、Z方向结构，X方向结构包括第一电磁执行器、第一推力杆、第一支撑板、第二支撑板、过渡块、第一弹簧、第一传动架，Y方向结构包括第二电磁执行器、第二推力杆、第二弹簧、第二传动架，Z方向结构包括第三电磁执行器、第三推力杆、第三弹簧，壳体包括顶板、底板以及上板和底板之间的侧板，第一电磁执行器和第二电磁执行器分别固定在壳体相邻的侧板上，第三电磁执行器固定在壳体的顶板上，第一支撑板和第二支撑板固定在第二传动架上。本发明能够实现空间任意方向激振力的输出，很大程度上降低了工作量，也使得振动控制更为方便有效。

Description

一种空间三自由度主动执行机构

技术领域

本发明涉及的是一种振动主动控制装置。

背景技术

执行器是振动主动控制的关键部件，借助于系统实时产生的与振源大小相等方向相反的激振力，使得相关设备的振动得到大幅度降低。

中国专利公开号CN102629814A的专利文件中公开的共振协调式大输出力电磁式主动执行器通过滑动系统的设定以及永磁铁等部件合理的位置安排，使得整个系统刚度可由弹簧位置进行调节，进而使得所设计电磁执行器能够在较宽频率范围内都可起到增大控制力的效果。

在振源的振动情况很复杂状况下，由于现有的执行器仅能输出单一方向激振力，不能实时转换输出力方向以应对多变的振动情况，导致实际控制效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于提供可实现空间任意方向的控制力输出的一种空间三自由度主动执行机构。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种空间三自由度主动执行机构，其特征是：包括壳体、X方向结构、Y方向结构、Z方向结构，X方向结构包括第一电磁执行器、第一推力杆、第一支撑板、第二支撑板、过渡块、第一弹簧、第一传动架，第一电磁执行器和第一推力杆之间通过第一连接片相连，第一推力杆穿过第一支撑板和第二支撑板与过渡块相连，第一弹簧的两端分别与过渡块和第一传动架相连，Y方向结构包括第二电磁执行器、第二推力杆、第二弹簧、第二传动架，第二电磁执行器与第二推力杆之间通过第二连接片相连，第一传动架位于第二传动架里，第二推力杆穿过第二传动架与第一传动架的连接面相连，第一传动架连接面的对向面和与其相对的第二传动架之间安装第二弹簧，Z方向结构包括第三电磁执行器、第三推力杆、第三弹簧，第三电磁执行器和第三推力杆之间通过第三连接片相连，第三推力杆与第二传动架相固定，第二传动架与底板之间安装第三弹簧，壳体包括顶板、底板以及上板和底板之间的侧板，第一电磁执行器和第二电磁执行器分别固定在壳体相邻的侧板上，第三电磁执行器固定在壳体的顶板上，第一支撑板和第二支撑板固定在第二传动架上。

本发明还可以包括：

1、第一连接片中部留有用以缓冲第一电磁执行器与第一推力杆径向运动的圆形活动空间，第二连接片中部留有用以缓冲第二电磁执行器与第二推力杆径向运动的圆形活动空间，第三连接片中部留有用以缓冲第三电磁执行器与第三推力杆径向运动的圆形活动空间。

2、第一推力杆、第二推力杆和第三推力杆之间两两垂直。

本发明的优势在于：本发明能够实现空间任意方向激振力的输出，因此在振源振动方向改变时，可以仅通过调整三个执行器的输出力大小而不需调整执行器方向来解决振动问题，这在很大程度上降低了工作量，也使得振动控制更为方便有效。

附图说明

图1为本发明的的结构示意图；

图2为A-A视图；

图3为B-B视图；

图4a为第一传动架示意图a，图4b为第一传动架示意图b，图4c为第二传动架示意图a，图4d为第二传动架示意图b；

图5a为连接片示意图a，图5b为连接片示意图b；

图6a为推力杆示意图a，图6b为推力杆示意图b；

图7a为过渡块示意图a，图7b为过渡块示意图b，图7c为支撑板示意图；

图8a为壳体示意图a，图8b为壳体示意图b，图8c为壳体示意图c，图8d为壳体示意图d。

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1～8，本发明三自由度主动执行机构，包括X方向结构、Y方向结构以及Z方向结构，具体如下所示：

X方向结构包括电磁执行器1、连接片4、推力杆7、支撑板10、支撑板11、过渡块13、弹簧14和传动架15。电磁执行器1为X方向激振力输入构件，其通过连接片4与推力杆7相连接；推力杆7穿过支撑板10、支撑板11后与过渡块13相连接；弹簧14一端与过渡块13连接，另一端与传动架15固连。

Y方向结构包括电磁执行器2、连接片5、推力杆8、传动架16、弹簧17和传动架18。电磁执行器2为Y方向激振力输入构件，其通过连接片5与推力杆8相连接；推力杆8通过螺钉与传动架16相连接；弹簧17固连于传动架16与传动架18之间。

Z方向结构包括电磁执行器3、连接片6、推力杆9、传动架18、弹簧20和底座。电磁执行器3为Z方向激振力输入构件，其通过连接片6与推力杆9相连接；推力杆9与传动架18之间通过螺纹连接；弹簧20一端连接传动架18，另一端固定于底板之上。

各个方向的力的传递过程详述如下：X方向电磁执行器1提供的激振力F_x经连接片4、推力杆7、过渡块13以及弹簧14后到达传动架15；Y方向电磁执行器2提供的激振力F_y经过连接片5和推力杆8后到达传动架15并与来自X方向的力F′_x合成力F_xy，而后F_xy经过弹簧17按照一定比例传递给传动架18；Z方向电磁执行器3提供的激振力F_z先后经过连接片6、推力杆9和传动架18，并在传动架18处与来自X、Y方向的力F′_xy合成力F_xyz，力F_xyz经弹簧20传递后变为F′_xyz(即系统输出激振力F)并通过底板传递至振源，达到控制振动的目的。

本发明是基于中国专利公开号CN102629814A中的电磁执行器所设计的一款三自由度主动执行机构，可用于工程中复杂的振动控制。

本发明主要由电磁执行结构以及力传递结构两部分组成。前者为激振力输入机构，提供三个相互正交方向上激振力，由于发明中所使用的执行器输出力可调(控制执行器弹簧自由端的位置或者调整电流大小)，经过力的合成便可实现空间任意方向力的输出，此为从源头控制力的输出。

力传递结构为本发明的核心结构，用以接收输入激振力并将其按照一定比例传递并合成单个激振力输出。力传递机构可以认为是三个传递结构的叠加，X方向依次为连接片4、推力杆7、过渡块13、弹簧14、传动架15以及传动架18；Y方向为连接片5、推力杆8、传动架15、弹簧17以及传动架18；Z方向为连接片6、推力杆9以及传动架18。本发明中，三个执行器分别经过上述结构传递至传动架18，后经弹簧20传递至底板以解决振动问题。本发明中，弹簧可将作用力按照一定比例从一端传递至另一端，比例大小视激振力频率与弹簧振动系统固有频率之比而定。由于随着弹簧参数的改变，力传递比也会发生变化，故在实际应用时可通过更换弹簧(在情况允许的情况下，建议更换弹簧20)来调节三自由度主动执行机构的输出力，此为从传递路径控制力的输出。

由于本发明能够实现空间任意方向激振力的输出，因此在振源振动方向改变时，可以仅通过调整三个执行器的输出力大小而不需调整执行器方向来解决振动问题，这在很大程度上降低了工作量，也使得振动控制更为方便有效。

技术方案：本发明的输入力机构为三个位于相互正交方向上的执行器，综合考虑后，将其选定为中国专利公开号CN102629814A中的电磁执行器，其输出力大、响应快、灵敏度高以及适应频带宽。

系统整体结构如图1～3所示，可以看出，所设计三自由度主动执行机构由X、Y、Z三个相互正交方向的弹簧振动系统组成。

X方向，其弹簧振子由连接片4、推力杆7和过渡块13组成，其固有频率为：

${\mathrm{\ω}}_{nX}=\sqrt{k_X/m_X}=266.5730Hz$

式中：弹簧振子质量，m_X＝0.0456kg；

弹簧设计刚度，k_X＝3.2402kN/m。

Y方向，其弹簧振子由连接片4、推力杆7、过渡块13、连接片5、推力杆8、支撑板10、支撑板11以及传动架15组成，其固有频率为：

${\mathrm{\ω}}_{nY}=\sqrt{k_Y/m_Y}=266.5730Hz$

式中：弹簧振子质量，m_Y＝0.2484kg；

弹簧设计刚度，k_Y＝17.6550kN/m。

Z方向，其弹簧振子由连接片4、推力杆7、过渡块13、连接片5、推力杆8、支撑板10、支撑板11以及传动架15、连接片6、推力杆9以及传动架18组成，其固有频率为：

${\mathrm{\ω}}_{nZ}=\sqrt{k_Z/m_Z}=266.5730Hz$

式中：弹簧振子质量，m_Z＝0.3881kg；

弹簧设计刚度，k_Z＝27.5799kN/m。

对上述X、Y、Z三个方向参数进行比较后可以看出：

1.X、Y、Z方向各系统的固有频率在设计的相等，这便于以后控制；

2.m_X＜m_Y＜m_Z，且后者是在前者的基础上额外增加一部分质量；

3.弹簧20的质量刚度被设计的很大，这样可以确保整个系统的稳定性。

弹簧刚度设计方法如下：

装有弹簧的周期性激振系统，激振力传递的多少视激振频率和固有频率之比而定，在无阻尼的情况下，则：

$J\left(\%\right)=\left|\frac{1}{1-{\mathrm{\η}}^2}\right|\×100$

分析力传递效率公式，若想实现传递率为100％，则η＝0或前者明显不符合实际情况，不予考虑。为此，可得如下关系式：

$\mathrm{\η}=\frac{{\mathrm{\ω}}_m}{{\mathrm{\ω}}_n}=\frac{2\mathrm{\π}f}{\sqrt{k/m}}=\sqrt{2}$

式中：ω_m—激振频率；

ω_n—固有频率；

m—弹簧振子质量；

f—激振力频率；

k—弹簧刚度。

于是可得弹簧刚度设计公式：

k＝2m(πf)²

上述公式可为弹簧刚度确定提供依据，本发明设计时所选用的激振力频率为60Hz，实际应用时激振力频率与之不同时，其力传递率会发生变化，这时只需要根据实时激振力频率算出传递率后对振动进行控制即可。

图4～8为本发明的力传递结构示意图(注：相似结构只选取其中一个画出)。力传递结构主要起力传递作用，其在一定程度上相当于单自由度振动系统中的弹簧振子。考虑传递构件质量如果过大，其重力及惯性力会对整个三自由度主动执行机构的稳定性造成很大的影响，故本发明通过合理的结构设计以及材料和加工工艺的选取，降低其设计质量。下面对其结构进行详细介绍：

图4为本发明的传动架15(图4a、图4b)、传动架18(图4c、图4d)示意图。传动架15用于接收并整合来自X、Y方向的两个激振力，并将合力传递给传动架18，其通过螺钉16和弹簧17分别与推力杆8和传动架18刚性连接；传动架18用于接收并整合来自Z方向以及传动架15的激振力，并将该合力通过竖直方向弹簧传递给底板，其通过螺钉19与推力杆9刚性连接，并通过弹簧17和弹簧20分别与传动架15和底板连接。

图5a-图5b为本发明的连接片4示意图。连接片4用于连接电磁执行器1与推力杆7，用以限制两者之间的轴向相对位移，避免由于两者运动不一致所造成的构件撞击甚至执行器损坏。连接片4中部所留圆形活动空间用以缓冲电磁执行器1与推力杆的径向运动，可大幅降低电磁执行器1所受到的径向力。

图6a-图6b为本发明的推力杆7示意图。推力杆端部设计成交叉结构，在保证轴向连接强度的同时限制其径向位移，降低螺纹连接所受剪切力。此外，由于推力杆7与支撑板10、11之间存在摩擦，故对其加工时需严格注意接触面上的表面光洁度，并在工作工程中采用润滑油润滑，避免其摩擦力过大而造成系统性能降低。

图7a-图7c为本发明的过渡块13(图7a、图7b)及支撑板10(图7c)示意图。过渡块13用以连接推力杆7与弹簧14，保证弹簧14尺寸更换时亦能与推力杆7很好的连接。过渡块13与推力杆7之间通过螺钉12连接，使得其能够很好的保证其连接强度。支撑板10设有条形结构，用以方便安装。

图8a-图8d为本发明的壳体示意图。为便于内部构件安装调试，本发明壳体被设计为两部分，壳体25和壳体26，分别如图8a、8b和图8c、8d所示。安装举例：壳体1采用螺栓23固连电磁执行器2，其与底板21之间分别通过螺钉26固连。

Claims (3)

1.一种空间三自由度主动执行机构，其特征是：包括壳体、X方向结构、Y方向结构、Z方向结构，X方向结构包括第一电磁执行器、第一推力杆、第一支撑板、第二支撑板、过渡块、第一弹簧、第一传动架，第一电磁执行器和第一推力杆之间通过第一连接片相连，第一推力杆穿过第一支撑板和第二支撑板与过渡块相连，第一弹簧的两端分别与过渡块和第一传动架相连，Y方向结构包括第二电磁执行器、第二推力杆、第二弹簧、第二传动架，第二电磁执行器与第二推力杆之间通过第二连接片相连，第一传动架位于第二传动架里，第二推力杆穿过第二传动架与第一传动架的连接面相连，第一传动架连接面的对向面和与其相对的第二传动架之间安装第二弹簧，Z方向结构包括第三电磁执行器、第三推力杆、第三弹簧，第三电磁执行器和第三推力杆之间通过第三连接片相连，第三推力杆与第二传动架相固定，第二传动架与底板之间安装第三弹簧，壳体包括顶板、底板以及上板和底板之间的侧板，第一电磁执行器和第二电磁执行器分别固定在壳体相邻的侧板上，第三电磁执行器固定在壳体的顶板上，第一支撑板和第二支撑板固定在第二传动架上。

2.根据权利要求1所述的一种空间三自由度主动执行机构，其特征是：第一连接片中部留有用以缓冲第一电磁执行器与第一推力杆径向运动的圆形活动空间，第二连接片中部留有用以缓冲第二电磁执行器与第二推力杆径向运动的圆形活动空间，第三连接片中部留有用以缓冲第三电磁执行器与第三推力杆径向运动的圆形活动空间。

3.根据权利要求1或2所述的一种空间三自由度主动执行机构，其特征是：第一推力杆、第二推力杆和第三推力杆之间两两垂直。