CN105257778A - 多自由度低频隔振衬垫 - Google Patents

Abstract

本发明一种多自由度低频隔振衬垫，包括顶板、底板以及设置在所述的顶板和底板之间的弹性隔振结构，弹性隔振结构包括基座、隔振平台、竖直弹簧、叉形结构，隔振平台与基座下部之间通过竖直弹簧连接，隔振平台与基座两侧之间通过叉形结构支座连接对称布置的两个叉形结构；叉形结构包括长、短连杆、轴承、导杆，两根长连杆中点活动铰接，长连杆两端分别活动铰接短连杆，两根短连杆之间通过导杆和轴承活动铰接组成交叉伸缩机构，靠近基座内侧的两根短连杆与两根长连杆的活动铰接处之间连接有预拉弹簧，导杆与叉形结构支座中的轴承连接。与现有技术相比，本发明能够实现三点支撑和多自由度振动隔离特性，能够为精密加工提供高效良好的加工环境。

Description

多自由度低频隔振衬垫

技术领域

本发明涉及一种隔振器，尤其是一种用于高精机床的隔振的具有三点支撑的多自由度低频隔振衬垫。

背景技术

隔振衬垫的作用主要是为机床提供良好的隔振环境以保证加工精度不受外界振动和噪声的影响。应用在机床加工领域中的隔振衬垫需要满足多自由度、承载能力和超低共振频率的隔振需求。目前，针对高精机床的隔振保护通常使用大面积的衬垫，共振频率、共振峰值和隔振效率是衡量隔振效果的标准，而隔振衬垫的使用成本、静态承载能力和隔振频带的设计优化一般作为设计和优化具有矛盾性。而减小固有频率来扩大有效隔振频带的方法对振动结构来说，会使得结构丧失足够的承载能力和稳定性。因此，基于对于高精机床衬垫需要足够的静态承载能力和足够的有效隔振频带的需求，需要提出一种的具有较低的固有频率的三点支撑多自由度隔振平台。

随着科技进步，近年来高精机床得到迅猛的发展，对于保护机床和地基、消除振动的相互影响来说，经济有效的三点支撑多自由度隔振衬垫得到了广泛的关注。通过不同的弹性元件的几何拓扑组合及或主动控制装置的合理应用形成多自由度隔振平台，连接隔振对象和振动源，通过弹性元件或主动控制装置对振动能量吸收或耗散实现振动的消减从而起到振动隔离的效果，由此来保护机床以保证加工的有效性和高精度。对于多自由度隔振衬垫的设计、装配和搭建来说，前人的研究一般利用多根主动控制作动装置来实现，会导致隔振衬垫的设计较复杂并且重量较重；并且，由于主动控制作动装置需要控制器和信号输入装置，也会引起装配复杂、耗能较高等缺点。一旦隔振器的材料和作动装置(例如，伺服驱动，气动驱动等方式)确定，隔振装置的有效隔振范围和承载能力也相应地确定，如果需要改进隔振效果，那么更换作动装置或控制方式会带来麻烦和经济上的浪费。

而从另一方面来说，如果只利用被动的弹性元件，很难达到针对高精机床的较好的多方向隔振需求。所以，从结构出发设计具有可调节刚度特性的多自由度被动隔振器，通过动力学特性优化结构参数，并根据实际应用情况获取具体物理参数的设计原则，可以减少隔振装置的成本和难度，使其能够适用于机床隔振需求是具有重要意义的。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种三点支撑机床的多自由度低频隔振衬垫，旨在解决现有技术中，高精机床的隔振衬垫的成本较高和无法达到多自由度有效隔振的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种多自由度低频隔振衬垫，包括顶板、底板以及设置在所述的顶板和底板之间的弹性隔振结构，所述弹性隔振结构包括基座、隔振平台、竖直弹簧、叉形结构，所述隔振平台与基座下部之间通过竖直弹簧连接，所述隔振平台与基座两侧之间通过叉形结构支座连接对称布置的两个叉形结构；所述叉形结构包括长、短连杆、轴承、导杆，两根长连杆中点活动铰接，长连杆两端分别活动铰接短连杆，两根短连杆之间通过导杆和轴承活动铰接组成交叉伸缩机构，其中，靠近基座内侧的两根短连杆与两根长连杆的活动铰接处之间连接有预拉弹簧，导杆与叉形结构支座中的轴承连接。

所述隔振平台与顶板固定连接；所述基座与底板固定连接。所述短连杆长度为长连杆长度的一半。所述竖直弹簧的顶端与隔振平台接触连接、底端与基座接触连接，且竖直弹簧套接在固定于基座上的竖直导杆上。顶板的重量大于弹性隔振结构的重量。

本发明的有益效果是：

本发明与现有技术相对比，本发明提供的多自由度低频隔振平台，通过顶板受压、侧向或转动变形时，三个弹性隔振结构通过其弹性性质隔离振动；对于每一个弹性隔振结构来说，当其隔振平台受到竖直方向和水平方向的振动时，该结构通过叉形结构的反向收缩或伸长来产生相反方向的恢复力，以保证平台的平稳。这样，机床低频隔振平台的的受压收缩、受拉伸长、侧向变形和转动变形时基于各个弹性隔振结构在其放置点上的振动隔离效果来实现的，该结构的变形特征具有可调节的刚度和阻尼的特性，因此组成的多自由度低频隔振平台具有较好的承载能力、可调节性和隔振性能，可以在高精机床、高精加工背景下针对不同的外部激励保护仪器、设备并降低噪音，得到有效的应用。

附图说明

图1为三点支撑机床低频隔振衬垫简图。

图2为隔振弹性装结构简图；

图3为左叉形结构示意图；

图4为转动轴承的剖视图；

图5为叉形结构支座示意图。

具体实施方式

以下结合具体与附图对本发明的实现进行详细的描述。

如图1至图5所示，一种多自由度低频隔振衬垫，包括顶板1、底板2、弹性隔振结构3、左叉形结构31、右叉形结构32、第一连杆321、第二连杆322、第三连杆323、第四连杆324、竖直弹簧33、竖直导杆34、隔振平台35、基座36、转动轴承37、导杆38、叉形结构支座39、支座底座391、支座转动轴承392、预拉弹簧4。

顶板1与底板2之间设有弹性隔振结构3。弹性隔振结构3由基座36、隔振平台35、竖直弹簧33、竖直导杆34、左、右叉形结构31，32、叉形结构支座39和预拉弹簧4等构件组成。左、右叉形结构31，32通过叉形结构支座39安装述隔振平台35和基座36上；左叉形结构31或右叉形结构32由多排连杆架组成，最外层相邻的导杆上连接预拉弹簧4并于受压时收缩；每组连杆架的左端部和右端部与隔振平台35上和基座36上的叉形结构支座39连接；每组连杆连接处有对应的铰接位，左叉形结构31或右叉形结构32还包括用于连接不同连杆的导杆38，导杆38之间通过预拉弹簧4连接。

左叉形结构31或右叉形结构32包括一组连杆排架，每组连杆排架包括自左而右连接的连杆，左叉形结构的最左端与叉形结构支座39连接，叉形结构支座39固定于基座36上；左叉型结构31的最右端与叉形结构支座39连接，叉形结构支座39固定于隔振平台35上，右叉形结构32也以同样的方法连接在基座36和隔振平台35上。如图3所示，叉形结构连杆排架包括能够相对转动的第一连杆321和第二连杆322与第三连杆323和第四连杆324，第一连杆321和第二连杆322的长度是第三连杆323和第四连杆324的一半；第一连杆321和第二连杆322在顶端通过轴承和导杆38铰接；第一连杆321的端部与第四连杆324的顶部铰接，而第二连杆322的端部与第三连杆铰接323，第三连杆323与第四连杆324的中点铰接；在连杆机构的最底端层，第三连杆323的端部与第二连杆322的顶部铰接，第四连杆324的端部与第一连杆321铰接，第一连杆321与第二连杆322在端部的形成铰接位；第一连杆321、第二连杆322、第三连杆323与第四连杆324的铰接处接有导杆38。

每一组叉形结构支座39与一个叉形结构的左右两端一一对应连接：对于左叉形结构31来说，其最左端端点与叉形结构支座39连接，固定在基座36上；其最右端端点与叉形结构支座39连接，固定在隔振平台35上。左、右叉形结构31，32水平对称放置。

左叉形结构31中，每组连杆排架中位于最左端的第一连杆321和第二连杆322的顶端部的铰接部位通过导杆38铰接与最左端固定在基座36上的叉形结构支座铰接39；每组连杆排架中位于最右端的第一连杆321和第二连杆322的顶端部的铰接部位通过导杆38铰接与最右端固定在隔振平台35上的叉形结构支座39铰接；右叉形结构32也是同样的装配方式。每组连杆排架中于最外排的第一连杆321的顶端部和连接在最下方的第二连杆322的顶端部的导杆38之间设置有预拉弹簧4。第一连杆321的宽度大于第二连杆322。隔振平台35的尺寸小于基座36。左、右叉形结构31，32还包括连接在相邻的导杆38之间的线性阻尼装置。弹性隔振结构3还包括连接在基座36和隔振平台35之间的线性阻尼装置。如图5所示，叉形结构支座39由支座底座391和支座转动轴承392组成。

实施例：

如图1至5所示，为本发明提供的一较佳实施例。

在本实施例中，提供一种机床多自由度低频隔振衬垫，包括用于接触机床的顶板1、位于该顶板1下方且与地面固定的底板2以及设置在顶板1和底板2之间的弹性隔振结构3。弹性隔振结构3包括安装在隔振平台35和基座36之间的左叉形结构31和右叉形结构32、用以提供支撑力的竖直弹簧33、用以固定竖直弹簧方向的固定在基座36上的竖直导柱34、用以连接叉形结构31和32的叉形结构支座39。左叉型结构31和右叉形结构32由自左向右的连杆排架组成，每组叉形连杆排架的一端与固定在基座上的叉形结构支座连接，另一端与固定在隔振平台上的叉形结构支座连接；每组叉形连杆排架还包括对应的铰接位上的若干导杆38，导杆38能在叉形连杆排架变形时保持各组连杆排架之间的相对位置。在其中两个导杆38之间连接有预拉弹簧4，在隔振平台35产生位移时，连杆排架折叠收缩或伸长变形，此时处于同一平面内的两个导杆38的间距增大或减小，预拉弹簧4受到与其两端部导杆38拉力或压力产生弹性形变，不仅能吸收一定的振动冲击，使各组叉形连杆排架保证平稳，还能在不受到外部激励时使叉形连杆排架复位。

上述的多自由度低频隔振衬垫，通过隔振平台3产生位移时左、右叉形结构31，32折叠收缩或伸长变形，同时连接在对应导杆上的预拉弹簧4产生形变，在连杆和预拉弹簧4的作用下左、右叉形结构31、32和整个隔振平台保持平稳和振动隔离效果，这样，多自由度低频隔振衬垫中的叉形结构的受压折叠收缩和受拉伸长变形所需要的恢复力与弹性元件所提供的力之间的关系为非线性关系，因此该衬垫具有较好的承载能力和多方向振动隔离效果，可以较好的应用在高精机床、加工领域等方面。

在本实施例中，底板2，参见图1，在激励的作用下作为底座放置在底面上，通过螺钉等现有技术中的一切的固定连接方法与底面固定，并保证其位置不会移动。其上方顺序放置有弹性隔振结构3和顶板1，并能够在顶板2受力发生位移时，对弹性隔振结构3和顶板1起到支撑作用。

顶板1，参见图1，用于直接与机床接触，具有一定的硬度，为了防止结构倾覆，顶板1的尺寸不能大于底板2，但顶板1的重量应大于弹性隔振结构3的重量。

弹性隔振结构3，参见图2，包括固定安装在顶板1上的隔振平台35，固定安装在底板2上的基座36，隔振平台35与基座36通过安装在基座36上的竖直弹簧33和安装在叉形结构支座39上的左叉形结构31及右叉形结构32连接。

弹性隔振结构3，参见图2，固定在基座36上的竖直导杆34确定了竖直弹簧33的运动方向，使得隔振平台35不会倾覆。

在本实施例中，左、右叉形结构31，32包括相互交叉铰接的连杆组成连杆排架(也可以根据需要对叉形结构的层数进行增加或减少)。每组左、右叉形结构31，32包括自左而右顺序连接的连杆，左、右叉形结构31，32的一端与固定在基座36上的叉形结构支座39相连，另一端与固定在隔振平台35上的叉形结构支座39相连。左、右叉形结构31，32包括能够相对转动的第一连杆321、和第二连杆322与第三连杆323和第四连杆324，第一连杆321和第二连杆322的长度是第三连杆323和第四连杆324的一半；第一连杆321和第二连杆322在顶端通过转动轴承37和导杆38形成铰接位；第一连杆321的端部与第四连杆324的顶部铰接，并通过导杆38固定，而第二连杆322的端部与第三连杆323铰接，第三连杆323与第四连杆324的中点形成铰接位铰接；在第三连杆323和第四连杆324的另一端处，第三连杆323的端部与第二连杆322的顶部铰接，第四连杆324的端部与第一连杆321的顶部形成铰接位铰接，第一连杆321与第二连杆322在端部的形成铰接位与叉形结构支座39铰接。导杆38，选用的导杆38的直径与转动轴承37的内径d相等，每根导杆38的长度必须大于第一连杆321和第二连杆322的厚度总和(或第三连杆323和第四连杆324的厚度总和)及铰接后的前后空隙的总和。选用的导杆38质量分布均匀。其中，第一连杆321和第三连杆323为宽边连杆，第二连杆322和第四连杆324为窄边连杆(即其宽度较第一连杆321和第三连杆323要小)。对于左、右叉形结构31、32，第一连杆321的左端部和右端部需要开设有直径为该转动轴承37外径D的开孔；对于第二连杆322的左端部和右端部开孔的直径为转动轴承37的内径d(或导杆38的直径)；对于第三连杆323的左端部、右端部和中部开孔的直径为转动轴承37的外径D；对于第四连杆324的左端部、右端部和中部开孔的直径为转动轴承37的内径d(或导杆38的直径)。转动轴承37通过粘合剂或紧配方式固定在第一连杆321的左端部和右端部(即内径较大的开孔)以及第三连杆323的左端部、右端部和中部(即内径较大的开孔)，将两个导杆38分别固定在与第一连杆321连接的轴承中和第二连杆322的左端部和右端部开孔中，用粘合剂或紧配方式固定导杆38和第二连杆322，从而使得第一连杆321和第二连杆322可以互相转动。

预拉弹簧4通过挂钩或粘合剂，其数量为左叉形结构31配备一条，右叉形结构32在对称位置上配备一条，预拉弹簧4固定安装在左、右叉形结构31，32中于连接在外侧的第一连杆321的上方端点的导杆38和连接在外侧的第二连杆322的下方端点的导杆38之间，且预拉弹簧4与基座36垂直设置。

通过以上的机床多自由度低频隔振平台中弹性隔振结构3的设计和装配，在多种形式的激励下，平台能够在具有较好的承载能力时实现多自由度低频隔振，从而针对不同的重力环境和振动激励，都可以实现高精机床装备所需要的良好的稳定性和隔振效果。左、右叉形结构31，32的结构参数影响了弹性隔振结构3的刚度和阻尼特性，隔振平台35的稳定性和隔振效果依赖于每组左、右叉形结构31，32中连杆的装配角度，连杆长度和层数等可调节参数，又由于针对多个方向的激励弹性隔振结构都可以将顶板的位移转化成竖直方向和水平方向的位移，并通过竖直弹簧和叉形结构中弹性元件的变形耗散能量，所以在顶板1发生位移时，弹性元件的变形和顶板1的位移的关系为非线性映射关系，所以可以达到通过改变结构参数来调节平台的非线性刚度和阻尼特性，从而达到高静低动的隔振效果。

通过利用能量法对弹性隔振结构进行数学模型的建立，可以得到弹性隔振结构的动力学方程为

$\begin{array}{c}M\stackrel{\·\·}{\hat{y}}+(k_1-\frac{k_2{\mathrm{\λ}}_s\sec \mathrm{\θ}}{{\ln }^2})\hat{y}+k_2\frac{(2l\cos \mathrm{\θ}-{\mathrm{\λ}}_s){\sec }^3\mathrm{\θ}}{8l^3{n}^4}{\hat{y}}^3+\frac{k_1{\hat{x}}^2}{2l_1}\\ +\[\frac{k_2(2l\cos \mathrm{\θ}-{\mathrm{\λ}}_s)(2-2\cos 2\mathrm{\θ}){\sec }^5\mathrm{\θ}}{8l^3{n}^4}-\frac{k_1}{l_1^2}\]{\hat{x}}^2\hat{y}+c_1\frac{(l_1-\hat{y})\hat{x}\stackrel{\·}{\hat{x}}}{l_1^2}+c_1\frac{(l_1^2-{\hat{x}}^2)\stackrel{\·}{\hat{y}}}{l_1^2}\\ +c_2\frac{(2{\sec }^2\mathrm{\θ}-1){\sec }^2\mathrm{\θ}}{2l^2{n}^4}\hat{x}\hat{y}\stackrel{\·}{\hat{x}}+c_2\frac{{\sec }^2\mathrm{\θ}}{2l^2{n}^4}{\hat{y}}^2\stackrel{\·}{\hat{y}}=-M{\stackrel{\·\·}{z}}_y\end{array}---\left(1\right)$

和

$\begin{array}{c}M\stackrel{\·\·}{\hat{x}}+k_2\frac{2{\mathrm{ltan}}^2\mathrm{\θ}-{\mathrm{\λ}}_s{\sec }^3\mathrm{\θ}}{{\ln }^2}\hat{x}+\[\frac{k_1}{2l_1^2}+\frac{k_2(2l\cos \mathrm{\θ}-{\mathrm{\λ}}_s)(3-2\cos 2\mathrm{\θ}){\sec }^7\mathrm{\θ}}{8l^3{n}^4}\]{\hat{x}}^3+\frac{k_1\hat{x}\hat{y}}{l_1}\\ +\[\frac{k_2(2l\cos \mathrm{\θ}-{\mathrm{\λ}}_s)(2-2\cos 2\mathrm{\θ}){\sec }^5\mathrm{\θ}}{8l^3{n}^4}-\frac{k_1}{l_1^2}\]\hat{x}{\hat{y}}^2+c_1\frac{(l_1-\hat{y})\hat{x}\stackrel{\·}{\hat{y}}}{l_1^2}+c_1\frac{{\hat{x}}^2\stackrel{\·}{\hat{x}}}{l_1^2}\\ +c_2(\frac{2{\tan }^2\mathrm{\θ}}{n^2}+\frac{{\tan }^2{\mathrm{\θsec}}^2\mathrm{\θ}}{2l^2{n}^4}{\hat{y}}^2+\frac{4{\sec }^2\mathrm{\θ}-3}{2l^2{n}^4}{\sec }^4\mathrm{\θ}{\hat{x}}^2)\stackrel{\·}{\hat{x}}+c_2\frac{(2{\sec }^2\mathrm{\θ}-1){\sec }^2\mathrm{\θ}}{2l^2{n}^4}\hat{x}\hat{y}\stackrel{\·}{\hat{y}}=-M{\stackrel{\·\·}{z}}_z\end{array}---\left(2\right)$

其中和为基座和隔振平台在竖直方向和水平方向的相对位移；和为分配在基座上的竖直方向和水平方向的激励信号；M为隔振平台、三分之一顶板和隔振机床的质量总和；k1为竖直弹簧的刚度k2为预拉弹簧的刚度；n为叉形结构31、32的层数；l为第一连杆和第二连杆的长度；l还为第三连杆和第四连杆的一半的长度；θ为第一连杆、第二连杆与竖直方向的夹角；l1为预拉弹簧的原长；为预拉弹簧的预拉长度；为转动轴承的阻尼系数；为竖直弹簧的阻尼系数。

本发明的机床多自由度低频衬垫，基于叉形结构在预拉弹簧的作用下处于预压状态，因此当隔振平台产生竖直位移时，叉形结构产生与竖直弹簧相反方向的弹性力，因此能够减小竖直方向的等效刚度从而扩大有效隔振频带；当隔振平台产生水平位移时，叉形结构通过连杆的作用将水平位移转化成预拉弹簧的变形，因此水平方向的等效刚度依赖于叉形结构的结构参数。根据动力学方程，叉形结构的参数设计依据为：1)、当预拉弹簧的预拉长度增加时，弹性隔振结构的竖直方向和水平方向固有频率都减小，隔振效果可以改进；2)、当叉形结构的层数增加时，结构的竖直方向和水平方向固有频率都减小，隔振效果可以改进；3)、当叉形结构中的连杆与竖直方向所成的角度减小，隔振效果可以改进。另一方面来说，由于叉形结构所产生的刚度特性为非线性刚度，弹性隔振结构的稳定性优于一般的直接利用弹性元件组成的线性被动隔振装置。并且底板所受的转动方向的振动被分配到每个弹性隔振结构上，所以利用弹性隔振结构3作为隔振器，使得多自由度隔振平台在多个方向上的隔振效果得到改进，也使得平台具有一定的承载能力，从而使得隔振衬垫充分利用了弹性隔振结构自身的优势，实现了多方向低频率的隔振理念。

根据以上的分析，可以看出提出的多自由度低频隔振衬垫一种新颖的结构，在只利用线性弹簧和阻尼装置的情况下，通过构件的几何拓扑组合可以实现等效的多方向可调节的刚度和阻尼特性，并且，由于叉形结构中的杆件的角度和结构层数都可以很方便的调节，所以弹性隔振结构的等效刚度和阻尼特性是可以方便的调节的。故利用弹性隔振结构的多自由度低频隔振衬垫可以实现具有可调节特性的多方向振动隔离效果，并能够在不同的重力下达到较好的稳定平衡，所以其可以广泛地应用在高精机床的隔振领域。

Claims (5)

1.一种多自由度低频隔振衬垫，包括顶板(1)、底板(2)以及设置在所述的顶板(1)和底板(2)之间的弹性隔振结构(3)，其特征在于：所述弹性隔振结构(3)包括基座(36)、隔振平台(35)、竖直弹簧(33)、叉形结构，所述隔振平台(35)与基座(36)下部之间通过竖直弹簧(33)连接，所述隔振平台(35)与基座(36)两侧之间通过叉形结构支座(39)连接对称布置的两个叉形结构；所述叉形结构包括长、短连杆、轴承、导杆，两根长连杆中点活动铰接，长连杆两端分别活动铰接短连杆，两根短连杆之间通过导杆(38)和轴承活动铰接组成交叉伸缩机构，其中，靠近基座(36)内侧的两根短连杆与两根长连杆的活动铰接处之间连接有预拉弹簧(4)，导杆(38)与叉形结构支座(39)中的轴承连接。

2.根据权利要求1所述的多自由度低频隔振衬垫，其特征在于：所述隔振平台(35)与顶板(1)固定连接；所述基座(36)与底板(2)固定连接。

3.根据权利要求1所述的多自由度低频隔振衬垫，其特征在于：所述短连杆长度为长连杆长度的一半。

4.根据权利要求1所述的多自由度低频隔振衬垫，其特征在于：所述竖直弹簧(33)的顶端与隔振平台(35)接触连接、底端与基座(36)接触连接，且竖直弹簧(33)套接在固定于基座(36)上的竖直导杆(34)上。

5.根据权利要求1所述的多自由度低频隔振衬垫，其特征在于：所述顶板(1)的重量大于弹性隔振结构(3)的重量。