CN106402233A - 一种六自由度主被动复合定位与隔振平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种六自由度主被动复合定位与隔振平台，该平台包括基础平台(3)和负载平台(1)，其特征在于：该平台还包括执行器单元(2)，其通过上柔性铰链(213)与所述负载平台(1)连接，通过下柔性铰链(201)与所述基础平台(3)连接，所述执行器单元(2)为六个，其轴线相互垂直，各执行器单元包括初级被动隔振机构和次级隔振机构。本发明的六自由度主被动复合定位与隔振平台，六个执行器单元在空间呈现立方体构型，每个执行器具有相同的结构特性和控制特性，可实现六自由度精确定位和精密隔振，可广泛引用于航空航天、光学仪器仪表及精密制造测量等领域。
Description
技术领域
本发明属于精密定位与振动隔离领域，更具体地，涉及一种六自由度主被动复合定位与隔振平台。
背景技术
工作环境中存在的振动干扰是影响设备加工和测量精度的关键因素，随着对设备加工和测量精度要求的提高，对振动隔离和平台定位精度提出了严格的要求，保证精密设备能够正常工作。隔振可以分为被动隔振、主动隔振与主被动一体化隔振。传统的被动隔振器由质量-弹簧-阻尼元件构成以达到降低振动的效果，其结构简单、易于实现、工作可靠、不需要额外消耗外界能量，主要适用于高频隔振，但其固有频率附近的振动不仅不被衰减，反而被放大，无法有效隔离低频段振动信号。主动隔振技术通过电机或智能材料作为系统主动执行器，运用主动控制的方法，实现振动抑制，可有效隔离系统振动峰值处和低频段的振动，在主动执行器的运动行程内，通过执行器单元的伸缩行为，可完成对平台的位置补偿，实现平台精确定位的效果。但主动隔振结构较复杂、需要大量的外界能量输入，限制了其在某些特殊场合中的应用。主被动复合控制方法，既降低了主动隔振对外界能量输入的要求，也提高了被动隔振的低频隔振性能，有效克服了主、被动隔振的缺点。
目前用于定位与隔振单元的被动执行元件主要包括金属弹簧(包括螺旋弹簧、弯曲片弹簧、膜片弹簧)及空气弹簧等。金属弹簧具有可隔离高频振动，使用寿命长，便于加工，价格低廉等特点，但其阻尼比小，共振幅值高，容易放大共振峰处幅值；空气弹簧隔振器具有大负载、隔振带宽大及刚度随载荷变化而保持系统固有频率大致不变的特点，但空气弹簧需要定期维护，补偿气压的变化。
主动执行元件包括气阀、电机及智能材料致动器等，广泛的应用于振动隔离和平台精确定位的领域中。由气阀与空气弹簧构成的主动隔振器继承了空气弹簧的大负载、隔振带宽大及变刚度特性，通过气阀控制流量输入，可以调节空气弹簧高度，但其结构复杂，空气弹簧需要持续供气的特点，制约了其在某些特殊环境下的应用。采用智能材料，如压电陶瓷作为主动执行器的隔振单元，具有频率响应高，定位精度高，使用寿命长的特点，但其运动行程处于微米级别，限制了对工作平台精密定位的功能，且压电陶瓷的结构刚度大，导致系统的固有频率高，难以有效的隔离系统的低频振动，需要设计相应的控制算法，降低系统的固有频率，提高隔振带宽。音圈电机作为隔振单元的主动执行器，具有结构简单，隔振带宽大，可衰减系统低频段振动，运动行程可达毫米级别的优点，但其能耗较大，持续出力的过程容易发热，降低了其使用寿命。
本发明采用音圈电机和金属弹簧串联的连接方式，增加了系统的隔振带宽，提高了系统的低频隔振性能，特别是限制了共振峰值处的幅值；减小音圈电机在高频处的出力，降低了音圈电机的能耗。
专利文献CN103438142B一种六自由度主动隔振装置，其由6个音圈电机作为主动执行器，空气弹簧作为被动隔振单元，对超过固有频率的振动能进行有效隔离，能够实现六自由度的精确定位，但空气弹簧工作过程中需要外界环境充气和放气，限制了其工作环境，需要进一步改进。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种六自由度主被动复合定位与隔振平台，其通过六个执行器单元在空间呈现立方体构型，每个执行器具有相同的结构特性和控制特性，可实现六自由度精确定位和精密隔振。
为了实现上述目的，本发明提供了一种六自由度主被动复合定位与隔振平台，该平台包括基础平台和负载平台，其中，所述基础平台下端与外部平台连接，负载平台上端与需要隔振的设备连接，用于承载需要隔振的设备，其特征在于：
该平台还包括执行器单元，其通过上柔性铰链与所述负载平台连接，通过下柔性铰链与所述基础平台连接，所述执行器单元为六个，各执行器单元包括初级被动隔振机构和次级隔振机构，所述执行器单元轴线相互垂直，使得任何轴线上的运动均可以由相邻的两个执行器单元的运动决定，从而能够在六个自由度上实现隔振与定位的功能。
进一步地，所述初级被动隔振机构包括弹簧支撑架、螺旋弹簧和弹簧导向架，所述弹簧支撑架与所述下柔性铰链连接，弹簧支撑架与弹簧导向架相配合，所述螺旋弹簧置于弹簧支撑架和弹簧导向架之间，用于实现高频振动衰减，从而实现初级隔振。
进一步地，所述次级隔振机构包括主动隔振器和被动隔振器，所述主动隔振器和被动隔振器组成并联结构，用于实现低频振动衰减，降低系统固有频率附近的振动幅值，从而实现次级隔振。
进一步地，所述主动隔振器包括音圈电机支撑架、音圈电机和音圈电机背板，所述音圈电机支撑架与弹簧导向架相连，音圈电机一端与音圈电机支撑架相连，另一端与音圈电机背板相连，所述音圈电机可根据所述负载平台的振动情况，调整施力大小，从而实现低频振动衰减。
进一步地，所述被动隔振器包括膜片保持架、第一膜片弹簧、第二膜片弹簧、第一膜片支撑及第二膜片支撑，所述第一膜片支撑用于将所述第一膜片弹簧与所述膜片保持架压紧，所述第二膜片支撑用于将所述第二膜片弹簧与所述膜片保持架压紧，所述第一膜片弹簧和第二膜片弹簧用于调整所述负载平台的振动情况，从而实现振动衰减。
进一步地，所述执行器单元还包括中心杆、限位杆和盖板，所述中心杆与第一膜片支撑相连，中心杆穿过盖板与限位杆相连，限位杆下端与盖板共同限制了执行器单元的运动行程，并对所述音圈电机起到过载保护的作用。
进一步地，所述执行器单元还包括加速度传感器，其固定于限位杆与上柔性铰链之间，用于将加速度信号传递给所述音圈电机，控制音圈电机的施力大小，从而提高系统的隔振性能。
进一步地，所述执行器单元还包括电涡流位置传感器，其固定在所述盖板上，用于监测所述限位杆的位移变化，计算执行器单元的位置变化量，从而确定六自由度定位。
进一步地，所述由音圈电机用于根据所述六自由度定位调整其运动量，实现负载平台的六自由度精确定位。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明的平台，六个执行器单元在空间呈现立方体构型，每个执行器具有相同的结构特性和控制特性，可实现六自由度精确定位和精密隔振；
(2)采用柔性铰链作为执行器单元与上、下平台的连接件，其具有无摩擦、无间隙的优点，提高了柔性铰链的使用寿命，提高了系统的隔振性能和定位精度；
(3)采用膜片弹簧具有高径向刚度及低轴向刚度的特性，其与音圈电机并联，可以兼顾弹性元件与导向的功能，使音圈电机只能沿着执行器单元的长度方向运动；
(4)采用音圈电机作为平台的主动执行器，其具有大隔振带宽，高振动衰减率的特点，极大的降低了固有频率附近的振动幅值，可实现精密隔振。
(5)采用音圈电机作为平台的主动执行器，其具有毫米级别定位行程、微米级别定位精度，可实现精确定位。
(6)采用音圈电机与金属弹簧串联的连接方式，可以获得较低的系统固有频率，拓展了系统的隔振带宽，利用金属弹簧的高频隔振特性，可减小音圈电机对高频振动隔离的能量消耗。
附图说明
图1为本发明实施例的一种六自由度主被动复合定位与隔振平台的轴测图；
图2为本发明实施例的一种六自由度主被动复合定位与隔振平台涉及的执行器单元的结构示意图；
图3为本发明实施例的一种六自由度主被动复合定位与隔振平台涉及的执行器单元布置方式；
图4为本发明实施例的一种六自由度主被动复合定位与隔振平台涉及的膜片弹簧的构型图；
图5为本发明实施例的一种六自由度主被动复合定位与隔振平台涉及的柔性铰链的构型图。
所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-负载平台，2-执行器单元，3-基础平台，201-下柔性铰链，202-弹簧支撑架，203-螺旋弹簧，204-弹簧导向架，205-音圈电机支撑架，206-音圈电机，207-音圈电机背板，208-膜片保持架，209a-第一膜片弹簧、209b-第二膜片弹簧，210a-第一膜片支撑、210b-第二膜片支撑，211-套筒，212-盖板，213-上柔性铰链，214-加速度传感器，215-限位杆，216-电涡流位置传感器，217-中心杆。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明实施例的一种六自由度主被动复合定位与隔振平台的轴测图。如图1所示，在本发明的实施例中，六自由度定位与隔振平台由负载平台1、执行器单元2和基础平台3组成。六个执行器单元2通过上柔性铰链213与下柔性铰链201与负载平台1和基础平台3连接，共同组成立方体型并联机构。
相邻两个上柔性铰链213中心位置在负载平台1上形成等边三角形，相邻两个下柔性铰链201中心位置在基础平台上形成等边三角形，六个执行器单元相互垂直，可以实现如图3中x、y、z轴方向上的解耦，任何线性轴上的运动可以由两个支腿上的运动决定，且这种分布方式使整个装置具有很好的对称性和稳定性，当负载放置于负载平台中心位置时，六个执行器单元具有相同的支撑力。
图2为本发明实施例的一种六自由度主被动复合定位与隔振平台涉及的执行器单元的结构示意图。如图2所示，在本发明的实施中，执行器单元包括下柔性铰链201，弹簧支撑架202，螺旋弹簧203，弹簧导向架204，音圈电机支撑架205，音圈电机206，音圈电机背板207，膜片保持架208，第一膜片弹簧209a和第二膜片弹簧209b，第一膜片支撑210a和第二膜片支撑210b，套筒211，盖板212，上柔性铰链213，加速度传感器214，限位杆215，电涡流位置传感器216，中心杆217。
如图2所示，下柔性铰链201位于执行器单元下端，与基础平台3固连；上柔性铰链213位于执行器单元上端，与负载平台1固连。柔性铰链沿着执行器单元长度方向具有很大的刚度，弯曲方向上具有较低的刚度。柔性铰链与传统的铰链相比，具有无摩擦、无间隙、体积小等优点，消除了传动过程中的空程和机械磨损，提高了系统的运动精度。
如图2所示，弹簧支撑架202与下柔性铰链201连接，弹簧支撑架202与弹簧导向架204相配合，可以沿着弹簧导向架204孔深方向自由运动，螺旋弹簧203置于弹簧支撑架202和弹簧导向架204之间。弹簧支撑架202、螺旋弹簧203和弹簧导向架204组成执行器单元的初级被动隔振机构。
如图2所示，弹簧导向架204与音圈电机支撑架205相连，音圈电机206一端与音圈电机支撑架205相连，另一端与音圈电机背板207相连，为次级隔振机构的主动执行器。
如图2所示，膜片支撑210a、膜片保持架208与膜片支撑210b将膜片弹簧209a与209b压紧，组成次级隔振机构的被动隔振器。膜片弹簧209a与209b为弹性元件和导向元件，具有轴向低刚度和径向高刚度的特性。膜片支撑210a与中心杆217相连，中心杆217穿过盖板212与限位杆215相连，限位杆215下端与盖板212共同限制了执行器单元的运动行程，对音圈电机206起到过载保护的作用。音圈电机支撑架205、套筒211与盖板212将次级隔振单元(包括206～210b及217)包覆，隔离外界环境与音圈电机之间的相互干扰。
电涡流位置传感器216固定在盖板212上，检测限位杆的位移变化，计算执行器单元的位置变化量，确定六自由度定位与隔振平台的位姿。加速度传感器214固定于限位杆215与柔性铰链213之间，将采集到的加速度信号传递给控制器，控制音圈电机出力情况，提高系统的隔振性能。
本发明中，采用两级隔振单元串联的方式，有效的降低了执行器单元的固有频率，拓展了系统的隔振带宽。初级隔振机构为被动隔振、次级隔振机构为主动隔振和被动隔振的构型，有效改善了音圈电机对高频段振动的实力情况，降低了音圈电机的能耗。
电涡流位置传感器216检测限位杆215在执行器单元长度方向上的位置变化，六个执行器单元在长度方向上的位置变化为[q1，q2，q3，q4，q5，q6]，通过传感器转换矩阵将执行器单元的伸缩量表现为负载平台六自由度的位置[x，y，z，θx，θy，θz]变化，执行器单元杆长为L，传感器转换矩阵如下，
若确定负载平台在六个自由度上的位姿，需要知道各个执行器单元的伸长量时，通过上述传感器转换矩阵的逆矩阵，可得，
加速度传感器214检测每个执行器单元上的加速度，通过传感器转换矩阵，转换为负载平台六个自由度上的加速度，反馈给控制器得到负载平台上各个自由度所需的控制力与力矩[Fx，Fy，Fz，Mx，My，Mz]大小，通过力转换矩阵，得到执行器单元上音圈电机的出力情况，力转换矩阵如下，
通过负载平台上各个自由度上所需控制力和力矩的大小，得到六个执行器单元的音圈电机产生的控制力[f1，f2，f3，f4，f5，f6]，降低了负载平台上的振动幅值，提高了负载的隔振性能和运动精度。
本发明具有极低的系统固有频率，高隔振带宽的特点，可以实现六个自由度的精密定位和隔振；采用主被动隔振串联的连接方式，进一步降低了系统的固有频率和拓展了隔振带宽，且改善了音圈电机在高频段隔振的施力情况，降低了音圈电机的能耗。本发明可广泛引用于航空航天、光学仪器仪表及精密制造测量等领域。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种六自由度主被动复合定位与隔振平台，该平台包括基础平台(3)和负载平台(1)，其中，所述基础平台(3)下端与外部平台连接，负载平台(1)上端与需要隔振的设备连接，用于承载需要隔振的设备，其特征在于：
该平台还包括执行器单元(2)，其通过上柔性铰链(213)与所述负载平台(1)连接，通过下柔性铰链(201)与所述基础平台(3)连接，所述执行器单元(2)为六个，各执行器单元包括初级被动隔振机构和次级隔振机构，所述执行器单元(2)轴线相互垂直，使得任何轴线上的运动均可以由相邻的两个执行器单元的运动决定，从而能够在六个自由度上实现隔振与定位的功能。
2.根据权利要求1所述的一种六自由度主被动复合定位与隔振平台，其特征在于：所述初级被动隔振机构包括弹簧支撑架(202)、螺旋弹簧(203)和弹簧导向架(204)，所述弹簧支撑架(202)与所述下柔性铰链(201)连接，弹簧支撑架(202)与弹簧导向架(204)相配合，所述螺旋弹簧(203)置于弹簧支撑架(202)和弹簧导向架(204)之间，用于实现高频振动衰减，从而实现初级隔振。
3.根据权利要求1或2所述的一种六自由度主被动复合定位与隔振平台，其特征在于：所述次级隔振机构包括主动隔振器和被动隔振器，所述主动隔振器和被动隔振器组成并联结构，用于实现低频振动衰减，降低系统固有频率附近的振动幅值，从而实现次级隔振。
4.根据权利要求3所述的一种六自由度主被动复合定位与隔振平台，其特征在于：所述主动隔振器包括音圈电机支撑架(205)、音圈电机(206)和音圈电机背板(207)，所述音圈电机支撑架(205)与弹簧导向架(204)相连，音圈电机(206)一端与音圈电机支撑架(205)相连，另一端与音圈电机背板(207)相连，所述音圈电机可根据所述负载平台的振动情况，调整施力大小，从而实现低频振动衰减。
5.根据权利要求3所述的一种六自由度主被动复合定位与隔振平台，其特征在于：所述被动隔振器包括膜片保持架(208)、第一膜片弹簧(209a)、第二膜片弹簧(209b)、第一膜片支撑(210a)及第二膜片支撑(210b)，所述第一膜片支撑(210a)用于将所述第一膜片弹簧(209a)与所述膜片保持架(208)压紧，所述第二膜片支撑(210b)用于将所述第二膜片弹簧(209b)与所述膜片保持架(208)压紧，所述第一膜片弹簧(209a)和第二膜片弹簧(209b)用于调整所述负载平台的振动情况，从而实现振动衰减。
6.根据权利要求1或5所述的一种六自由度主被动复合定位与隔振平台，其特征在于：所述执行器单元(2)还包括中心杆(217)、限位杆(215)和盖板(212)，所述中心杆(217)与第一膜片支撑(210a)相连，中心杆(217)穿过盖板(212)与限位杆(215)相连，限位杆(215)下端与盖板(212)共同限制了执行器单元的运动行程，并对所述音圈电机(206)起到过载保护的作用。
7.根据权利要求1、4或6所述的一种六自由度主被动复合定位与隔振平台，其特征在于：所述执行器单元(2)还包括加速度传感器(214)，其固定于限位杆(215)与上柔性铰链(213)之间，用于将加速度信号传递给所述音圈电机，控制音圈电机的施力大小，从而提高系统的隔振性能。
8.根据权利要求1或6所述的一种六自由度主被动复合定位与隔振平台，其特征在于：所述执行器单元(2)还包括电涡流位置传感器(216)，其固定在所述盖板(212)上，用于监测所述限位杆(215)的位移变化，计算执行器单元(2)的位置变化量，从而确定六自由度定位。
9.根据权利要求1、4或8所述的一种六自由度主被动复合定位与隔振平台，其特征在于：所述由音圈电机(206)用于根据所述六自由度定位调整其运动量，实现负载平台(1)的六自由度精确定位。
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