CN105299114B - 一种四自由度并联晶振减振装置及减振方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四自由度并联晶振减振装置及减振方法，装置包括静平台、动平台、联接动静平台的4个相同的运动支链和弹簧。晶振固定安装在四自由度并联减振装置的动平台上，静平台固接在振动基体上。每个运动支链由上虎克铰、第二连接杆、磁正刚度机构、第一连接杆和下虎克铰依次组成；上虎克铰安装在动平台上，下虎克铰安装在静平台上；上下虎克铰的横轴则分别通过第二、第一连接杆与磁正刚度机构的两端相连；动平台和静平台之间还连接有若干根支撑弹簧。本发明结构简单，布置对称，所占空间小，可实现三维平动减振和一维转动减振；具有非线性的刚度特性，能够有效隔离低频振动；无需更换零部件，简单易行，操作简单。

Description

一种四自由度并联晶振减振装置及减振方法

技术领域

本发明属于机械领域，涉及一种减振装置及方法，具体涉及一种用于晶振减振的四自由度并联减振装置及减振方法。

背景技术

机载电子设备中的频率综合器需要晶振为其提供基准信号，然而外界环境对晶振的工作性能有较大的影响，主要表现在外界环境的振动和冲击会使晶振输出电信号特性变差，相位噪声增大，从而无法满足作为高稳基频信号的要求。晶振减振系统的设计，应该在满足承载能力的条件下最大限度的降低系统的固有频率，以有效地隔离低频振动。但是降低系统固有频率的同时会减弱系统的抗冲击能力；而外界冲击会严重影响机载电子设备的性能，甚至造成设备的破坏。因此需要减振系统具有非线性的刚度特性以兼顾低频减振和抗冲击能力：即小振幅振动时系统刚度低，能够低频减振；在冲击作用下振幅较大时，系统刚度急剧增大，能够抗冲击。另外，随着电子设备的复杂程度越来越高，同一电子设备往往会有多个不同的工作状况，且在不同工况下工作时所受到的振动激励的频率特性差别很大，因此减振装置需要具有减振频率可调的能力。然而传统的减振装置往往是根据某一单一频率设计的，且减振装置的固有频率是不能调节的，因此在其它频率下工作时减振效果大大下降。

近年来，并联机构的相关研究发展迅速，出现了多种并联机构，将这类机构学中的设计方法应用于晶振减振系统的设计中是一个新的发展方向。设计合理的并联减振装置，将电子设备载体对晶振的振动影响降低到正常的工作水平，是一项很重要的研究内容。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的是提供一种四自由度并联晶振减振装置及方法，利用本发明能够有效地实现3个平动自由度和绕Z轴转动自由度的减振，且兼具抗冲击能力和刚度可调的功能。

本发明所采用的技术方案是：

一种四自由度并联晶振减振装置，包括固接在振动基体上的静平台、以及在静平台上方用于安装晶振的动平台，所述静平台和动平台之间通过4个相同的运动支链连接，在所述静平台和动平台之间还连接有若干根用于支撑动平台的弹簧；

其中，4个相同的运动支链中，每个运动支链由上虎克铰、第二连接杆、磁正刚度机构、第一连接杆和下虎克铰依次连接构成；上虎克铰安装在动平台上，下虎克铰安装在静平台上；上、下虎克铰分别通过第二连接杆、第一连接杆与磁正刚度机构的两端相连。

进一步地，所述下虎克铰与上虎克铰包括分别连接在静平台和动平台上的纵轴，和与纵轴垂直固接在一起的横轴，其中，每个运动支链的下虎克铰横轴与上虎克铰横轴平行，以确保Z向减振时装置不被卡死；且每个运动支链的下虎克铰纵轴与上虎克铰纵轴不平行，以确保运动支链不会绕自身轴线转动；磁正刚度机构的轴线与对应上、下虎克铰的横轴垂直。

进一步地，每个运动支链中的磁正刚度机构包括圆筒，及自圆筒内底部自下而上依次设置的第一磁铁、第三磁铁和第二磁铁；其中，第一磁铁连接第一连接杆，第二磁铁固定连接在磁铁安装座上，磁铁安装座通过销头卡装在圆筒的档位孔内；第三磁铁连接在贯穿进第二磁铁中心孔的第二连接杆端部，且其能够沿圆筒内壁上下滑动。

进一步地，所述第一磁铁、第二磁铁、第三磁铁共轴线。

进一步地，所述磁铁安装座为开有中心孔的圆环状结构，在圆环的外周上设有3个销头；与其相配合的圆筒周壁上均布有3个轴向的滑动槽，沿每个滑动槽一侧的圆筒壁径向开有若干个上下分布的档位孔。

进一步地，若干个档位孔沿圆筒壁径向水平分布，其根端为圆弧形，圆弧直径大于其与滑动槽连接端的开孔孔径。

进一步地，所述第二磁铁和磁铁安装座均为环形结构，且两者的内径都大于第二连接杆的直径。

进一步地，所述圆筒、第一连接杆、第二连接杆和磁铁安装座均为采用非磁性材料。

相应地，本发明还给出了一种利用四自由度并联晶振减振装置减振方法，包括下述步骤：

1)将第一连接杆固接在圆筒闭合的一端，形成第一组合体Ⅰ；将第三磁铁固定安装在第二连接杆一端，形成第二组合体Ⅱ；将第二磁铁固定安装在磁铁安装座上，形成第三组合体Ⅲ；

2)将第一磁铁固定安装在第一组合体Ⅰ中圆筒的内底部；将第二组合体Ⅱ放入第一组合体Ⅰ中的圆筒内，且第二组合体Ⅱ中的第二连接杆伸出圆筒外；

3)将第三组合体Ⅲ中的磁铁安装座套在第二连接杆上，使磁铁安装座的3个销头相配合地装在第一组合体Ⅰ中圆筒的3个滑动槽内，使之能够自由移动；当磁铁安装座移动到圆筒的档位孔处时，转动磁铁安装座，使销头卡进档位孔圆形孔内；

4)组装后的第一组合体Ⅰ、第二组合体Ⅱ、第三组Ⅲ合体全都共轴线；

5)调整弹簧的长度和刚度使第三磁铁位于第一磁铁和第二磁铁正中位置，其受到两个排斥力F₂₃＝F₁₃；其中，F₂₃为第二磁铁对第三磁铁的排斥力；F₁₃为第一磁铁对第三磁铁的排斥力；

6)当第三磁铁向上或向下振动时，则F₂₃＞F₁₃或F₂₃＜F₁₃，当第三磁铁接近第一磁铁或接近第二磁铁时，合力F₁₃-F₂₃或F₂₃-F₁₃迅速增大，从而使支链迅速获得能使减振装置抵抗冲击的刚度。

本发明的有益效果是：

(1)本减振装置结构简单，布置对称，所占空间小，可实现三维平动减振和一维转动减振；

(2)本减振装置具有非线性的刚度特性，对于低频振动能够有效隔离，对于冲击振动能够有效保护电子设备不被破坏；

(3)本减振装置具有传统减振装置无法实现的隔振频率可调节的这一功能，且在实现频率调节功能时无需更换零部件，简单易行，操作简单。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体结构进一步说明。

图1是本发明所提供四自由度并联晶振减振装置的结构原理图。

图2是本发明所提供减振装置支链的结构原理图。

图3是本发明支链中磁正刚度机构的原理图。

图4是本发明所提供减振装置支链刚度调节原理图。

图中：1、静平台；2、动平台；3、下虎克铰；4、上虎克铰；5、磁正刚度机构；6、第一连接杆；7、第二连接杆；8、第一磁铁；9、第二磁铁；10、第三磁铁；11、圆筒；12、磁铁安装座；13、弹簧；14、销头；15、滑动槽；16、档位孔。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，四自由度并联晶振减振装置为4—UPU(其中磁正刚度机构记为P，虎克铰记为U)结构，由作为机架的静平台1、被保护的动平台2、联接动静平台的4个相同的运动支链以及若干根用于支撑动平台2的、联接动静平台的弹簧13组成。晶振固定安装在减振装置的动平台2上，静平台1固接在振动基体上。每个运动支链由上虎克铰4、第二连接杆7、磁正刚度机构5、第一连接杆6和下虎克铰3依次组成；上虎克铰4安装在动平台2上；下虎克铰3安装在静平台1上；上虎克铰4、下虎克铰3的横轴则分别通过第二连接杆7、第一连接杆6与磁正刚度机构5的两端相连；动平台2和静平台1之间还连接有若干根支撑弹簧13。弹簧安装于静平台1和动平台2之间；调整弹簧13的长度和刚度使第三磁铁10位于第一磁铁8和第二磁铁9中间时具有一定的受力状态。

其中，上虎克铰4与下虎克铰3结构相同，各具有两个绕十字轴的转动自由度，包括分别连接在静平台1和动平台2上的纵轴，和与纵轴垂直固接在一起的横轴。其中，4—UPU结构的安装要求：安装时应保证，每个运动支链的下虎克铰3横轴与上虎克铰4横轴平行，以确保Z向减振时装置不被卡死；且每个运动支链的下虎克铰3纵轴与上虎克铰4纵轴不平行，以确保运动支链不会绕自身轴线转动；磁正刚度机构5的轴线与对应上、下虎克铰的横轴垂直，以保证运动过程中磁正刚度机构5的受力尽可能沿轴线方向且Z向减振时动平台2绕上下虎克铰横轴的转动灵活。

磁正刚度机构具有一个移动自由度，根据螺旋理论可知动平台2有X、Y、Z三个平动自由度和一个绕Z轴的转动自由度。4条运动支链中磁正刚度机构5的刚度呈现非线性特性，使支链具有一定的承载能力和抗冲击能力。4条支链按照一定的倾斜角度对称布置，使得四自由度并联晶振减振装置具有X、Y、Z平动和Z轴转动四个方向的减振功能。

如图2所示，支链中的磁正刚度机构5包括圆筒11，及自圆筒11内底部自下而上依次设置第一磁铁8、第二磁铁9和第三磁铁10，以及第一连接杆6、第二连接杆7和磁铁安装座12。第一磁铁8固定安装在圆筒11内底部；第二磁铁9固定安装在磁铁安装座12上，磁铁安装座12为开有中心孔的圆环状结构，在圆环的外周上设有3个销头14；与其相配合的圆筒11周壁上均布有3个轴向的滑动槽15，沿每个滑动槽15一侧的圆筒壁径向开有若干个上下分布的档位孔16。若干个档位孔16沿圆筒壁径向水平分布，其根端为圆弧形，圆弧直径大于其与滑动槽15连接端的开孔孔径。

磁铁安装座12通过销头14卡装在圆筒11的档位孔内；第三磁铁10位于第一磁铁8和第二磁铁9之间且与第二连接杆7一端固连，可与圆筒11产生相对滑动；第一磁铁8、第二磁铁9、第三磁铁10共轴线；第一连接杆6通过下虎克铰3联接圆筒11和静平台1；第二连接杆7通过上虎克铰4联接第三磁铁10和动平台2。外界干扰使静平台1运动时，静平台1通过下虎克铰3和第一连接杆6带动圆筒11运动，圆筒11同时带动第一磁铁8和第二磁铁9运动，此时第三磁铁10便在第一磁铁8、第二磁铁9之间产生相对运动。

如图4所示，说明磁正刚度机构5的具体安装步骤：

首先将第一连接杆6固接在圆筒11闭合的一端，形成组合体Ⅰ，保证两者共轴线；将第三磁铁10固定安装在第二连接杆7一端，形成组合体Ⅱ，保证两者共轴线；将第二磁铁9固定安装在磁铁安装座12上，形成组合体Ⅲ，保证两者共轴线。其次，将第一磁铁8固定安装在组合体Ⅰ中圆筒11的内底部；将组合体Ⅱ放入组合体Ⅰ中圆筒11内，保证两者共轴线且组合体Ⅱ中的第二连接杆7伸出圆筒11外。最后，安装组合体Ⅲ，先将组合体Ⅲ中的磁铁安装座12套在第二连接杆7上，使磁铁安装座12的3个销头14相配合地装在组合体Ⅰ中圆筒11的3个滑动槽内，使之能够自由移动，当磁铁安装座12移动到圆筒11的档位孔处时，转动磁铁安装座12，使销头14卡进档位孔内。组装完成后，组合体Ⅰ、组合体Ⅱ、组合体Ⅲ全都共轴线。

下面说明减振装置是如何实现频率调节功能的：

第一磁铁8固定安装在圆筒11内底部，第二磁铁9固定安装在磁铁安装座12上；磁铁安装座12带有3个销头，圆筒11上相应地开有3个滑动槽，每个滑动槽一侧开有若干个档位孔；调整磁铁安装座12位于不同的档位孔时，第一磁铁8和第二磁铁9之间的距离不同，两者之间的磁场强度发生改变，第三磁铁10在第一磁铁8、第二磁9形成的磁场中偏离平衡位置相同距离处受到的排斥力的合力大小不同，具体来说：第一、第二磁铁8、9之间的距离越小，第三磁铁10偏离平衡位置相同距离处受到的排斥力越大，表现为磁正刚度机构5的刚度越大；第一、第二磁铁8、9之间的距离越大，第三磁铁10偏离平衡位置相同距离处受到的排斥力越小，表现为磁正刚度机构5的刚度越小。故通过调整磁铁安装座12的位置，可改变磁正刚度机构5的刚度，进而改变减振装置的固有频率，使得减振装置具有调节频率的功能。

如图3所示，说明减振装置防冲击的原理：

弹簧13安装于静平台1和动平台2之间；调整弹簧13的长度和刚度使第三磁铁10恰好位于第一磁铁8和第二磁铁9中间位置。当第三磁铁10位于第一磁铁8和第二磁铁9的正中间时，其受到的两个排斥力F₂₃＝F₁₃,其中，F₂₃为第二磁铁9对第三磁铁10的排斥力；F₁₃为第一磁铁8对第三磁铁10的排斥力；此时，第三磁铁10稳定于正中间位置。当第三磁铁10向上或向下振动时，会有F₂₃＞F₁₃或F₂₃＜F₁₃，并随着偏移量的增大第三磁铁10受到更大的合力。当第三磁铁10越接近第一磁铁8或越接近第二磁铁9时，合力F₁₃-F₂₃或F₂₃-F₁₃增大越快，从而使支链刚度迅速增大，保证支链具有足够的刚度能使减振装置抵抗冲击。

需要说明的是：圆筒11、第一连接杆8、第二连接杆9、磁铁安装座12均为采用非磁性材料，以防止对磁铁产生干扰。

以上是方便本发明阐述所采用的实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种四自由度并联晶振减振装置，其特征在于，包括固接在振动基体上的静平台、以及在静平台上方用于安装晶振的动平台，所述静平台和动平台之间通过4个相同的运动支链连接，在所述静平台和动平台之间还连接有若干根用于支撑动平台的弹簧；

其中，4个相同的运动支链中，每个运动支链由上虎克铰、第二连接杆、磁正刚度机构、第一连接杆和下虎克铰依次连接构成；上虎克铰安装在动平台上，下虎克铰安装在静平台上；上、下虎克铰分别通过第二连接杆、第一连接杆与磁正刚度机构的两端相连；

每个运动支链中的磁正刚度机构包括圆筒，及自圆筒内底部自下而上依次设置的第一磁铁、第三磁铁和第二磁铁；其中，第一磁铁连接第一连接杆，第二磁铁固定连接在磁铁安装座上，磁铁安装座通过销头卡装在圆筒的档位孔内；第三磁铁连接在贯穿进第二磁铁中心孔的第二连接杆端部，且其能够沿圆筒内壁上下滑动；所述磁铁安装座为开有中心孔的圆环状结构，在圆环的外周上设有3个销头；与其相配合的圆筒周壁上均布有3个轴向的滑动槽，沿每个滑动槽一侧的圆筒壁径向开有若干个上下分布的档位孔。

2.根据权利要求1所述的四自由度并联晶振减振装置，其特征在于：所述下虎克铰与上虎克铰包括分别连接在静平台和动平台上的纵轴，和与纵轴上垂直固接在一起的横轴，其中，每个运动支链的下虎克铰横轴与上虎克铰横轴平行，以确保Z向减振时装置不被卡死；且每个运动支链的下虎克铰纵轴与上虎克铰纵轴不平行，以确保运动支链不会绕自身轴线转动；磁正刚度机构的轴线与对应上、下虎克铰的横轴垂直。

3.根据权利要求1所述的四自由度并联晶振减振装置，其特征在于：所述第一磁铁、第二磁铁、第三磁铁共轴线。

4.根据权利要求1所述的四自由度并联晶振减振装置，其特征在于：若干个档位孔沿圆筒壁径向水平分布，其根端为圆弧形，圆弧直径大于其与滑动槽连接端的开孔孔径。

5.根据权利要求1所述的四自由度并联晶振减振装置，其特征在于：所述第二磁铁和磁铁安装座均为环形结构，且两者的内径都大于第二连接杆的直径。

6.根据权利要求1所述的四自由度并联晶振减振装置，其特征在于：所述圆筒、第一连接杆、第二连接杆和磁铁安装座均为采用非磁性材料。

7.一种利用权利要求1所述四自由度并联晶振减振装置的减振方法，其特征在于：包括下述步骤：

1)将第一连接杆固接在圆筒闭合的一端，形成第一组合体Ⅰ；将第三磁铁固定安装在第二连接杆一端，形成第二组合体Ⅱ；将第二磁铁固定安装在磁铁安装座上，形成第三组合体Ⅲ；

2)将第一磁铁固定安装在第一组合体Ⅰ中圆筒的内底部；将第二组合体Ⅱ放入第一组合体Ⅰ中的圆筒内，且第二组合体Ⅱ中的第二连接杆伸出圆筒外；

3)将第三组合体Ⅲ中的磁铁安装座套在第二连接杆上，使磁铁安装座的3个销头相配合地装在第一组合体Ⅰ中圆筒的3个滑动槽内，使之能够自由移动；当磁铁安装座移动到圆筒的档位孔处时，转动磁铁安装座，使销头卡进档位孔圆形孔内；

4)组装后的第一组合体Ⅰ、第二组合体Ⅱ、第三组合体Ⅲ全都共轴线；

5)调整弹簧的长度和刚度使第三磁铁位于第一磁铁和第二磁铁正中位置，其受到两个排斥力F₂₃＝F₁₃；其中，F₂₃为第二磁铁对第三磁铁的排斥力；F₁₃为第一磁铁对第三磁铁的排斥力；

6)当第三磁铁向上或向下振动时，则F₂₃＞F₁₃或F₂₃＜F₁₃，当第三磁铁接近第一磁铁或接近第二磁铁时，合力F₁₃-F₂₃或F₂₃-F₁₃迅速增大，从而使支链迅速获得能使减振装置抵抗冲击的刚度。