CN105299133A - 一种正负刚度并联机构 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供一种正负刚度并联机构，包括固定于底座的正刚度弹簧，所述正刚度弹簧另一端固定连接有主支撑块；所述正刚度弹簧两侧对称设置有分别与所述主支撑块连接的负刚度调节组块；所述负刚度调节组块包括导向杆、转向轴承、行程调节件、负刚度第一弹簧和负刚度第二弹簧，所述导向杆能够在竖直平面内转动；所述导向杆上穿套有所述行程调节件、负刚度第一弹簧和负刚度第二弹簧，所述负刚度第一弹簧和负刚度第二弹簧处于压缩状态且位于所述行程调节件一端的位置可调；所述行程调节件的第一外表面和第二外表面之间在水平方向的距离自中央分别向上下两侧递增。本发明创造具有大行程和高精度零刚度特性。

Description

一种正负刚度并联机构

技术领域

本发明创造属于重力卸载及超低频隔振技术领域，尤其涉及一种具有高精度行程的正负刚度并联机构。

背景技术

零刚度设备在重力卸载、精密制造和精密测量领域具有广泛的应用，正负刚度并联机构作为一种被动式零刚度设备，相比其它类型的零刚度设备，具有结构简单、可靠性高、附加质量小等优点。但目前国内外发表的专利及论文中描述的正负刚度并联机构都存在行程精度较小的问题，导致正负刚度并联机构的应用范围受到限制。

典型的正负刚度并联机构的原理图如图1所示。一般正负刚度并联机构由一个负刚度机构、一个正刚度机构并联构成。负刚度机构由在水平方向作用有预压力的等刚度弹簧铰接而成，与负刚度机构并联有由垂向主支撑弹簧为主要构成要件的正刚度机构，取负刚度机构弹簧处于水平位置为平衡点，整个系统刚度在平衡点附近实现零刚度。但随着运动行程的增大，由于负刚度机构与正刚度机构受力产生不匹配，正刚度机构与负刚度机构的刚度差迅速增加，整个系统不再具有零刚度特性。

发明内容

本发明创造为解决现有技术中的问题，提供了一种正负刚度并联机构，能够解决现有技术中正刚度特性与负刚度特性不匹配的问题，保证正负刚度并联机构的大行程和高精度零刚度特性。

本发明创造提供的正负刚度并联机构，包括固定于底座的正刚度弹簧，所述正刚度弹簧另一端固定连接有主支撑块；所述正刚度弹簧两侧对称设置有分别与所述主支撑块连接的负刚度调节组块；所述负刚度调节组块包括导向杆、转向轴承、行程调节件、负刚度第一弹簧和负刚度第二弹簧，所述导向杆一端与所述主支撑块铰接并能够绕铰接部位在竖直平面内转动，所述导向杆另一端穿过一与底座位置相对固定的所述转向轴承并能够绕所述转向轴承在竖直平面内转动，所述导向杆能够在绕所述转向轴承转动的同时，在转向轴承上于供其穿过的通道内往复运动；所述导向杆上穿套有所述行程调节件，所述行程调节件上设有供导向杆通过并在竖直平面内转动的调节通孔，所述导向杆上还分别套装有所述负刚度第一弹簧和负刚度第二弹簧，所述负刚度第一弹簧压缩于所述铰接部位(即上文所述的导向杆与主支撑块的铰接部位)和行程调节件上的第一外表面之间，所述负刚度第一弹簧的位于所述行程调节件的一端与所述第一外表面的相对位置可随所述导向杆在竖直平面内的运动而发生改变，所述负刚度第二弹簧压缩于所述转向轴承和行程调节件上的第二外表面之间，所述负刚度第二弹簧的位于所述行程调节件的一端与所述第二外表面的相对位置可随所述导向杆在竖直平面内的运动而发生改变；所述第一外表面和第二外表面之间在水平方向的距离自中央分别向上下两侧递增。

进一步，所述负刚度调节组块还包括固定于底座的支撑座，所述行程调节件与所述支撑座铰接连接，在对行程调节件进行有效支撑的同时，使压缩于其两侧的负刚度第一弹簧和负刚度第二弹簧能够自由传力。

进一步，所述行程调节件上的第一外表面为一竖直平面，第二外表面为一弧形曲面，所述调节通孔开设于所述第一外表面和第二外表面之间。

进一步，所述负刚度调节组块还包括第一滑块和第二滑块，所述负刚度第一弹簧和负刚度第二弹簧分别通过所述第一滑块和第二滑块分别与所述行程调节件上的第一外表面和第二外表面产生相互作用力。所述第一滑块一面与所述负刚度第一弹簧固定连接，其相对的一面与所述行程调节件上的第一外表面接触并具有与第一外表面相匹配的弧度，所述第一滑块两侧连接有第一滑轮，方便在所述导向杆运动时，第一滑块能够在第一外表面上滑动，从而迅速改变负刚度第一弹簧的压缩量，调节系统刚度。所述第二滑块一面与所述负刚度第二弹簧固定连接，其相对的一面与所述行程调节件上的第二外表面接触并具有与第二外表面相匹配的弧度，所述第二滑块两侧连接有第二滑轮，方便在所述导向杆运动时，第二滑块能够在第二外表面上滑动，从而迅速改变负刚度第二弹簧的压缩量，调节系统刚度。

进一步，所述负刚度调节组块还包括导向块，所述导向杆端部固定有与杆体垂直并延水平面设置的转向杆，所述主支撑块固定连接有所述导向块，所述导向块一面开口并设有供所述导向杆的转向杆通过的转向通孔，所述导向杆与所述主支撑块通过所述转向杆和导向块匹配连接实现二者的铰接连接。

进一步，所述负刚度调节组块还包括耳座，所述转向轴承通过所述耳座固定在侧壁上，并能够在耳座内转动，侧壁上还设有供所述导向杆通过并自由旋转的过孔。

本发明创造能够通过调整行程调节件上第一外表面和第二外表面之间在水平方向的距离，来消除正负刚度并联机构在行程过程中正刚度特性与负刚度特性不匹配的问题，使正负刚度并联机构高精度零刚度的行程得到明显增加，增大正负刚度并联机构的应用领域。

附图说明

图1典型的正负刚度并联机构的原理图。

图2是本发明创造一种优选实施方式的结构示意图。

其中，01-底座；02-侧壁；021-过孔；03-正刚度弹簧；04-主支撑块；05-导向杆；051-转向杆；06-转向轴承；07-行程调节件；071-调节通孔；072-第一外表面；073-第二外表面；08-负刚度第一弹簧；09-负刚度第二弹簧；10-第一滑块；101-第一滑轮；11-第二滑块；111-第二滑轮；12-导向块；121-转向通孔；13-耳座；14-支撑座。

具体实施方式

下面通过结合附图对本发明创造进行进一步说明。

本发明创造结构一种优选实施方案如图1所示，包括固定于底座01的正刚度弹簧03，所述正刚度弹簧03另一端固定连接有主支撑块04；所述正刚度弹簧03两侧对称设置有分别与所述主支撑块04连接的负刚度调节组块；所述负刚度调节组块包括导向杆05、转向轴承06、行程调节件07、负刚度第一弹簧08和负刚度第二弹簧09，所述导向杆05一端与所述主支撑块04铰接并能够绕铰接部位在竖直平面内转动，所述导向杆05另一端穿过一与底座01位置相对固定的所述转向轴承06并能够绕所述转向轴承06在竖直平面内转动，所述导向杆05能够在绕所述转向轴承06转动的同时，在转向轴承06上于供其穿过的通道内往复运动；所述导向杆05上穿套有所述行程调节件07，所述行程调节件07上设有供导向杆05通过并在竖直平面内转动的调节通孔071，所述导向杆05上还分别套装有所述负刚度第一弹簧08和负刚度第二弹簧09，所述负刚度第一弹簧08压缩于所述铰接部位(即上文所述的导向杆05与主支撑块04的铰接部位)和行程调节件07上的第一外表面072之间，所述负刚度第一弹簧08的位于所述行程调节件07的一端与所述第一外表面072之间的相对位置可随所述导向杆05在竖直平面内的运动而发生改变，所述负刚度第二弹簧09压缩于所述转向轴承06和行程调节件07上的第二外表面073之间，所述负刚度第二弹簧09的位于所述行程调节件07的一端与所述第二外表面073之间的相对位置可随所述导向杆05在竖直平面内的运动而发生改变；所述第一外表面072和第二外表面073之间在水平方向的距离自中央分别向上下两侧递增。

进一步，所述负刚度调节组块还包括固定于底座01的支撑座14，所述行程调节件07与所述支撑座14铰接连接，在对行程调节件07进行有效支撑的同时，使压缩于其两侧的负刚度第一弹簧08和负刚度第二弹簧09能够自由传力。

进一步，所述行程调节件07上的第一外表面072为一竖直平面，第二外表面073为一弧形曲面，所述调节通孔071开设于所述第一外表面072和第二外表面073之间。

进一步，所述负刚度调节组块还包括第一滑块10和第二滑块11，所述负刚度第一弹簧08和负刚度第二弹簧09分别通过所述第一滑块10和第二滑块11分别与所述行程调节件07上的第一外表面072和第二外表面073产生相互作用力。所述第一滑块10一面与所述负刚度第一弹簧08固定连接，其相对的一面与所述行程调节件07上的第一外表面072接触并具有与第一外表面072相匹配的弧度，使其能够在第一外表面072上方便地滑动，所述第一滑块10两侧连接有第一滑轮101，方便在所述导向杆05运动时，第一滑块10能够在第一外表面072上迅速滑动，从而迅速改变负刚度第一弹簧08的压缩量，调节系统刚度。所述第二滑块11一面与所述负刚度第二弹簧09固定连接，其相对的一面与所述行程调节件07上的第二外表面073接触并具有与第二外表面073相匹配的弧度，使其能够在第二外表面073上方便地滑动，所述第二滑块11两侧连接有第二滑轮111，方便在所述导向杆05运动时，第二滑块11能够在第二外表面073上迅速滑动，从而迅速改变负刚度第二弹簧09的压缩量，调节系统刚度。

进一步，所述负刚度调节组块还包括导向块12，所述导向杆05端部固定有与杆体垂直并延水平面设置的转向杆051，所述主支撑块04固定连接有所述导向块12，所述导向块12一面开口并设有供所述导向杆05的转向杆051通过的转向通孔121，所述导向杆05与所述主支撑块04通过所述转向杆051和导向块12匹配连接实现二者的铰接连接。

进一步，所述负刚度调节组块还包括耳座13，所述转向轴承06通过所述耳座13固定在侧壁02上，并能够在耳座13内转动，侧壁02上还设有供所述导向杆05通过并自由旋转的过孔021。

本发明创造使用时，将目标载荷安装到主支撑块04正上方，使正刚度弹簧03竖直承载目标载荷，负刚度调节组块完全对称设置且导向杆05完全水平，负刚度第一弹簧08和负刚度第二弹簧09保持合理的压缩状态，行程调节件07也位于竖直状态位置。当目标载荷受到外力作用时，上述平衡被瞬间打破，目标载荷带动主支撑块04发生位移，此时负刚度调节组块的导向杆05分别在竖直平面内发生转动，由于行程调节件07上第一外表面072和第二外表面073之间特殊的距离关系设置，使两个负刚度调节组块内负刚度第一弹簧08和负刚度第二弹簧09分别在不同的位移作用下产生不同的弹簧压缩量变化，使得主支撑块04在竖直分量和水平分量方向上受到的回复力相匹配，即正刚度特性与负刚度特性匹配，并迅速回复至原始状态，从而实现整个系统的高精度零刚度特性。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种正负刚度并联机构，包括固定于底座的正刚度弹簧，所述正刚度弹簧另一端固定连接有主支撑块；所述正刚度弹簧两侧对称设置有分别与所述主支撑块连接的负刚度调节组块；所述负刚度调节组块包括导向杆、转向轴承、行程调节件、负刚度第一弹簧和负刚度第二弹簧，所述导向杆一端与所述主支撑块铰接并能够绕铰接部位在竖直平面内转动，所述导向杆另一端穿过一与底座位置相对固定的所述转向轴承并能够绕所述转向轴承在竖直平面内转动，所述导向杆能够在绕所述转向轴承转动的同时，在转向轴承上于供其穿过的通道内往复运动；所述导向杆上穿套有所述行程调节件，所述行程调节件上设有供导向杆通过并在竖直平面内转动的调节通孔，所述导向杆上还分别套装有所述负刚度第一弹簧和负刚度第二弹簧，所述负刚度第一弹簧压缩于所述铰接部位和行程调节件上的第一外表面之间，所述负刚度第一弹簧的位于所述行程调节件的一端与所述第一外表面的相对位置可随所述导向杆在竖直平面内的运动而发生改变，所述负刚度第二弹簧压缩于所述转向轴承和行程调节件上的第二外表面之间，所述负刚度第二弹簧的位于所述行程调节件的一端与所述第二外表面的相对位置可随所述导向杆在竖直平面内的运动而发生改变；所述第一外表面和第二外表面之间在水平方向的距离自中央分别向上下两侧递增。

2.根据权利要求1所述的一种正负刚度并联机构，其特征在于，所述负刚度调节组块还包括固定于底座的支撑座，所述行程调节件与所述支撑座铰接连接。

3.根据权利要求1所述的一种正负刚度并联机构，其特征在于，所述行程调节件上的第一外表面为一竖直平面，第二外表面为一弧形曲面，所述调节通孔开设于所述第一外表面和第二外表面之间。

4.根据权利要求1所述的一种正负刚度并联机构，其特征在于，所述负刚度调节组块还包括第一滑块和第二滑块，所述负刚度第一弹簧和负刚度第二弹簧分别通过所述第一滑块和第二滑块分别与所述行程调节件上的第一外表面和第二外表面产生相互作用力。

5.根据权利要求4所述的一种正负刚度并联机构，其特征在于，所述第一滑块一面与所述负刚度第一弹簧固定连接，其相对的一面与所述行程调节件上的第一外表面接触并具有与第一外表面相匹配的弧度，第一滑块能够在第一外表面上滑动。

6.根据权利要求5所述的一种正负刚度并联机构，其特征在于，所述第一滑块两侧连接有第一滑轮。

7.根据权利要求4所述的一种正负刚度并联机构，其特征在于，所述第二滑块一面与所述负刚度第二弹簧固定连接，其相对的一面与所述行程调节件上的第二外表面接触并具有与第二外表面相匹配的弧度，第二滑块能够在第二外表面上滑动。

8.根据权利要求7所述的一种正负刚度并联机构，其特征在于，所述第二滑块两侧连接有第二滑轮。

9.根据权利要求1所述的一种正负刚度并联机构，其特征在于，所述负刚度调节组块还包括导向块，所述导向杆端部固定有与杆体垂直并延水平面设置的转向杆，所述主支撑块固定连接有所述导向块，所述导向块一面开口并设有供所述导向杆的转向杆通过的转向通孔，所述导向杆与所述主支撑块通过所述转向杆和导向块匹配连接实现二者的铰接连接。

10.根据权利要求1所述的一种正负刚度并联机构，其特征在于，所述负刚度调节组块还包括耳座，所述转向轴承通过所述耳座固定在侧壁上，并能够在耳座内转动，侧壁上还设有供所述导向杆通过并自由旋转的过孔。