CN106678241A - 一种单自由度主被动隔振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单自由度主被动隔振装置，包括由下至上依次连接的基础平台、下弯曲片弹簧、波纹屏蔽管、上弯曲片弹簧和负载平台；下弯曲片弹簧和上弯曲片弹簧构成被动隔振单元，波纹屏蔽管内放置主动隔振单元。通过主动控制单元与被动隔振单元的复合使用，本发明不仅对高频振动干扰具有良好的高衰减率隔振效果，还能有效的实现低频共振抑制，隔离低频振动，可有效抑制微振动环境，为遥感卫星高分辨率观测成像等设备提供稳定的工作环境。

Description

一种单自由度主被动隔振装置

技术领域

本发明属于微振动主动隔离与抑制领域，更具体地，涉及一种单自由度主被动隔振装置。

背景技术

传统的被动隔振器由质量-弹簧-阻尼元件构成，由于其在低频振动传递率与高频振动衰减率之间存在的固有矛盾，而无法满足精密微振动的隔振需求，因此迫切需要一些新技术、新手段来改善这一现状。如卫星在轨运行期间，由于搭载设备正常工作会造成卫星整体及局部幅度较小的往复运动，这些微振动是影响高精度遥感卫星指向精度和成像质量等关键性能的主要因素。

结构上，目前主流的微振动隔振器均采用被动隔振元件与主动隔振单元以一定连接方式组合而成。如空气弹簧与音圈电机的主被动混合并联使用、膜片弹簧与音圈电机、弯曲片弹簧与压电致动器的主被动混合串联使用等都极大提高了这类精密减振器的低频减振与高频振动衰减能力。

空气弹簧与音圈电机的主被动并联结构使得隔振器具有工作行程大、负载高和固有频率低的特点，但其结构也较为复杂，空气弹簧需持续供气，需要提供额外的气源支持。膜片弹簧和弯曲片弹簧，结构简单，同时刚度较低。音圈电机具有大行程的优点，但其耗能大，主动控制带宽窄。且其刚度较低，多为软式结构，且空间设备发射时需要额外的锁定装置，以上因素制约了其在太空环境中的应用。压电智能材料的应用为隔振器的设计开拓了新领域，其定位精度高(可达纳米级)且动态响应好，同时具有较高的主动控制带宽。但其作动行程较小，可应用于微定位及微振动抑制平台。采用压电陶瓷为执行器的主动隔振机构多为硬式结构，空间设备发射时不需要锁定装置，也扩大了其使用远景。但压电陶瓷刚度大，会导致结构固有频率较高，难以有效的衰减低频干扰。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种单自由度主被动隔振装置，该装置结构紧凑、安装简便，具有较低的固有频率，能够有效的衰减和抑制微振动信号。

为实现上述目的，本发明提供了一种单自由度主被动隔振装置，包括由下至上依次连接的基础平台、下弯曲片弹簧、波纹屏蔽管、上弯曲片弹簧和负载平台，以及放置于波纹屏蔽管内部的主动隔振单元；下弯曲片弹簧和上弯曲片弹簧构成被动隔振单元；主动隔振单元包括压电致动器、加速度传感器和控制器，所述加速度传感器的输出端连接控制器的输入端，所述控制器的输出端连接压电致动器的输入端。

进一步的，下弯曲片弹簧和上弯曲片弹簧均使用弯曲片弹簧，弯曲片弹簧的刚度k_fsp、弹性模量E、宽度b、厚度h、单边长度L和弯曲半径R之间满足如下约束关系：

进一步的，下弯曲片弹簧和上弯曲片弹簧为65Mn或者不锈钢材料。

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，通过主动控制单元与上、下弯曲片弹簧构成的被动隔振单元的复合使用，不仅对高频振动干扰具有良好的高衰减率隔振效果，还能有效的实现低频共振抑制，隔离低频振动，可有效抑制微振动环境，为遥感卫星高分辨率观测成像等设备提供稳定的工作环境，被动隔振单元采用上、下弯曲片弹簧结构，有效的降低了结构的固有频率，能够有效的抑制精密设备中的微振动低频干扰，可有效降低系统的行程间隙，同时减小工作状态中的摩擦和发热。采用压电致动器，可达到纳米级定位精度，可有效应用于精密微振动抑制及隔离领域；还可降低太空应用的耗能，且为硬式结构，设备发射时不需要额外的锁定装置，相比于音圈电机，能够更为有效的在太空环境中使用，扩大了使用场景。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是图1所示结构的剖视图；

图3是本发明所采用弯曲片弹簧结构及尺寸标注图；

图4(a)是传统被动隔振装置简化示意图；

图4(b)是传统主被动隔振装置示意图；

图4(c)是本发明被动隔振装置示意图

图4(d)是本发明主被动复合隔振装置示意图；

图5是图4(a)传统被动隔振装置、图4(b)传统主被动隔振装置、图4(c)本发明被动隔振装置和图4(d)本发明主被动复合隔振装置的传递率曲线对比图。

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是本发明的三维结构示意图；其中下弯曲片弹簧11a的下端通过沉头螺钉与基础平台10连接，下弯曲片弹簧11a的上端与波纹屏蔽管15的下端相连。上弯曲片弹簧11b下端与波纹屏蔽管15的上端通过双头螺钉连接，上弯曲片弹簧11b上端则与负载平台16通过沉头螺钉连接。其中下弯曲片弹簧11a、上弯曲片弹簧11b构成被动隔振单元，主动隔振单元放置于波纹屏蔽管15内，进行高压屏蔽保护。

图2是图1所示结构的剖视图；波纹屏蔽管15内的主动隔振单元包括带压电致动器13、加速度传感器14、控制器20。加速度传感器14与控制器20连接，压电致动器13与控制器20连接，其中加速度传感器14用于测量负载平台附近的振动加速度信号，然后信号被传输给控制器20，在控制器20中进行主动控制算法运算，运算结果被输出给压电致动器13，压电致动器作为主动隔振单元的执行单元，进行主动力控制。波纹屏蔽管端面盖板12连接起主动隔振单元与下弯曲片弹簧11a。

图3是本发明所采用弯曲片弹簧结构及尺寸标注图，弯曲片弹簧11a、11b采用2n个半圆弯曲成形片弹簧结构组成，图5所示n＝7，按照本发明的一种较佳实施方式，其结构关系满足式(1)，其中字母标识如图3所示。

式中，k_fsp是本发明所采用弯曲片弹簧的刚度，F是弯曲片弹簧所受的载荷，δ是弯曲片弹簧在载荷F下的形变量，E是弯曲片弹簧采用的材料的弹性模量，b是弯曲片弹簧的宽度，h是弯曲片弹簧的厚度，L是弯曲片弹簧的单边长度，R是弯曲片弹簧的弯曲半径。

在上述优化的结构参数下，弯曲片弹簧以其较低的轴向刚度，不仅可以降低行程间隙，而且具有热稳定性。

图4(a)是传统被动隔振装置示意图，传统被动隔振装置通过传统的弹簧-质量-阻尼单元实现，传统被动隔振装置的简易动力学公式如(2)所示，传统被动隔振装置的传递率函数如公式(3)所示。

式中，M_p是负载平台的质量，c是负载平台与基础平台间的等效阻尼，k_ini是负载平台与基础平台间的等效刚度，x_o是负载平台的振动位移量，x_i是基础平台的振动位移量，是x_o的二次导数，是x_o的一次导数，是x_i的一次导数，X_o是x_o的拉普拉斯变换形式，X_i是x_i的拉普拉斯变换形式，s为拉普拉斯变换的复变量。

图4(b)是传统主被动隔振装置示意图，通过传统的弹簧-质量-阻尼单元附加主动隔振单元实现。将加速度传感器安装在负载平台上测量负载平台附近的振动加速度信号，然后输入给控制器进行主动控制运算(本例中采用天棚阻尼控制算法)得到实时控制信号，将实时控制信号输出给压电致动器以完成主动控制。其简易动力学公式如(4)所示，压电致动器控制算法如公式(5)所示，传递率函数如公式(6)所示。

式中，M_p是负载平台的质量，c是负载平台与基础平台间的等效阻尼，k_ini是负载平台与基础平台间的等效刚度，x_o是负载平台的振动位移量，x_i是基础平台的振动位移量，是x_o的二次导数，是x_o的一次导数，是x_i的一次导数，F_fb是由压电致动器的实时控制信号得到的输出力，λ是本例中采用的天棚阻尼控制算法的比例系数，X_o是x_o的拉普拉斯变换形式，X_i是x_i的拉普拉斯变换形式，s为拉普拉斯变换的复变量。

图4(c)是本发明被动隔振装置示意图，通过传统的弹簧-质量-阻尼单元附加被动隔振单元串联实现。被动隔振单元被串联到基础平台与负载平台的连接处。其简易动力学公式如(7)所示，串联被动隔振单元后系统等效刚度如公式(8)所示，传递率函数如公式(9)所示。

式中，M_p是负载平台的质量，c是负载平台与基础平台间的等效阻尼，k_sys是本发明中负载平台与基础平台间的等效刚度，k_add1是本发明中下弯曲片弹簧的刚度，k_add2是本发明中上弯曲片弹簧的刚度，k_ini是原负载平台与基础平台间的等效刚度，x_o是负载平台的振动位移量，x_i是基础平台的振动位移量，是x_o的二次导数，是x_o的一次导数，是x_i的一次导数，X_o是x_o的拉普拉斯变换形式，X_i是x_i的拉普拉斯变换形式，s为拉普拉斯变换的复变量。

图4(d)是本发明主被动复合隔振装置示意图，通过传统的弹簧-质量-阻尼单元附加被动隔振单元和主动隔振单元实现。将加速度传感器安装在负载平台上测量负载平台附近的振动加速度信号，然后输入给控制器进行主动控制运算(本例中采用积分加速度反馈控制算法)，将输出的实时控制信号传递给压电致动器以完成主动控制。本发明简易动力学公式如(10)所示，本发明压电致动器控制算法如公式(11)所示，本发明传递率函数如公式(12)所示。

式中，M_p是负载平台的质量，c是负载平台与基础平台间的等效阻尼，k_sys是本发明中负载平台与基础平台间的等效刚度，k_add1是本发明中下弯曲片弹簧的刚度，k_add2是本发明中上弯曲片弹簧的刚度，k_ini是原负载平台与基础平台间的等效刚度，x_o是负载平台的振动位移量，x_i是基础平台的振动位移量，是x_o的二次导数，是x_o的一次导数，是x_i的一次导数，F_fb是由压电致动器的实时控制信号得到的输出力，t是时间系数，是积分加速度信号，ψ是本例中采用的积分加速度反馈控制算法的积分系数，X_o是x_o的拉普拉斯变换形式，X_i是x_i的拉普拉斯变换形式，s为拉普拉斯变换的复变量。

图5是图4(a)传统被动隔振装置、图4(b)传统主被动隔振装置、图4(c)本发明被动隔振装置和图4(d)本发明主被动复合隔振装置的传递率曲线对比图；即公式(3，6，9，12)的仿真图。从图中实线可以看出采用传统被动隔振时，因为存在阻尼，高频段会保持高衰减率，但低频段的共振峰处具有较高的峰值；而采用传统主动隔振可以有效抑制共振峰处的幅值，但由于主动隔振单元中的压电致动器刚度较大，导致主被动隔振单元固有频率较高；本发明被动隔振装置在传统被动隔振装置的基础上，在与基础平台、负载平台的连接处串联两个被动隔振元件以形成本发明的双被动隔振系统。其能够有效降低系统的固有频率，提高隔振带宽，但仍然存在较高的共振峰峰值。在本发明中双被动隔振系统的基础上，继续添加主动隔振单元以形成本发明所提及的主被动复合隔振装置，不仅保证了高频的高衰减率，同时有效抑制共振峰处的幅值，提高了隔振带宽。

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 (3)

1.一种单自由度主被动隔振装置，其特征在于，包括由下至上依次连接的基础平台(10)、下弯曲片弹簧(11a)、波纹屏蔽管(15)、上弯曲片弹簧(11b)和负载平台(16)，以及放置于波纹屏蔽管(15)内部的主动隔振单元；所述下弯曲片弹簧(11a)和上弯曲片弹簧(11b)构成被动隔振单元；所述主动隔振单元包括压电致动器、加速度传感器和控制器，所述加速度传感器的输出端连接控制器的输入端，所述控制器的输出端连接压电致动器的输入端。

2.如权利要求1所述的单自由度主被动隔振装置，其特征在于，所述下弯曲片弹簧(11a)和上弯曲片弹簧(11b)均使用弯曲片弹簧，弯曲片弹簧的刚度k_fsp、弹性模量E、宽度b、厚度h、单边长度L和弯曲半径R之间满足如下约束关系：

$k_{fsp}=\frac{{\mathrm{Ebh}}^3}{24\[L^3/3+R(\frac{\mathrm{\π}}{2}{L}^2+\frac{\mathrm{\π}}{4}{R}^2+2LR)\]}.$

3.如权利要求1所述的单自由度主被动隔振装置，其特征在于，所述下弯曲片弹簧(11a)和上弯曲片弹簧(11b)为65Mn或者不锈钢材料。