CN106949184A - 惯性执行机构刚柔耦合微振动隔振装置 - Google Patents
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Abstract
一种惯性执行机构刚柔耦合微振动隔振装置，包括：环形结构的连接刚体以及设置于连接刚体内部的两根柔性变刚度梁，其中：两根柔性变刚度梁的两端分别与连接刚体相连且中间垂直相连。本发明克服了现有主动隔振装置结构复杂、体积大、可靠性低的问题，具有更好的隔振性能，而且不影响惯性执行机构输出的转动力矩。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种卫星设备领域的技术，具体是一种惯性执行机构刚柔耦合微振动隔振装置。
背景技术
高品质新型卫星平台的建设是国家重大战略需求，为了保证卫星在轨运行的稳定性以及搭载设备的理想工作环境，需要高精度的姿态控制系统。惯性执行机构是姿态控制系统的重要部件，主要包括陀螺力矩器和动量轮。新型卫星平台所搭载的敏感载荷，例如通信卫星上的抛物面天线、观测卫星上的高精度相机，正常工作时对卫星的稳定性有很高的要求，一般要求振动低于1×10-4g量级。而动量轮作为卫星上重要的微振动源，输出的微振动扰动可达50×10-3g，无法满足敏感载荷的工作要求。
为了降低动量轮输出的微振动扰动，保证敏感载荷的理想工作环境，国内外科研人员开展了大量研究工作，提出了多种控制方法。常用的振动控制策略有被动控制、半主动控制和主动控制。被动隔振平台主要由高性能阻尼器组成，性能稳定、可靠性高，已广泛应用于航天工程。然而，传统的被动隔振器在低频范围(100Hz以下)的隔振性能并不理想。主动控制技术可以有效抑制低频微振动扰动，但目前大多数主动控制装置结构复杂，体积大，耗能大，可靠性低。而且大部分隔振装置对惯性执行机构转动力矩的输出也有一定影响，影响卫星姿态调整的控制精度。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103221308A公开(公告)日
2013.07.24，公开了一种隔振器(100)，其包括挠性体(102)、粘弹性材料约束层联接器(104)及构造成阻碍挠性体的点之间的相对平移和旋转运动的粘弹性材料约束层(106)。该挠性体可以是环形挠性体，并且可以包括多个环，所述环在总体方面上例如可以为椭圆形、圆形、矩形或方形。在多环实施例中，这些环可以共用公共主轴，或者它们的主轴可以彼此形成一定角度。该设备通过提供与可在挠性体表面上获得的相比更多的粘弹性表面积来增强阻尼，并且提供一种在挠性体发生偏转时调节VEM上的应力的方法。但该现有技术与本发明相比，其无法解决的技术问题包括：不能对轴向振动进行有效减振，体积较大，特别是会影响到旋转方向的输出力矩传递，不适用于需要输出较高精度控制力矩的惯性执行机构。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种惯性执行机构刚柔耦合微振动隔振装置，克服了现有主动隔振装置结构复杂、体积大、可靠性低的问题，具有更好的隔振性能，而且不影响惯性执行机构输出的转动力矩。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：环形结构的连接刚体以及设置于连接刚体内部的两根柔性变刚度梁，其中：两根柔性变刚度梁的两端分别与连接刚体相连且中间垂直相连。
所述的柔性变刚度梁采用以下任一一种结构实现：
①弹性基体以及设置于基体上的绝缘安装板和电活性聚合物层，其中：绝缘安装板位于弹性基体中部，电活性聚合物层位于绝缘安装板两侧，或者是
②带有圆柱电活性聚合物的柔性节点分布式基体。
所述的绝缘安装板和电活性聚合物层分别设置于基体的不同侧面，且两根柔性变刚度梁的对应绝缘安装板为相对设置。
所述的电活性聚合物层的材质是：介电弹性体或电流变弹性体。
所述的弹性基体的中部为平板结构，两侧优选采用65Mn弹簧钢矩形梁折弯而成，该折弯包括若干斜波且宽度与厚度的刚度之比以及宽度与长度方向的刚度之比均大于500。
所述的柔性节点分布式基体上包含多个柔性节点，圆柱电活性聚合物设置于柔性节点以实现刚度可调。
所述的柔性节点分布式基体的宽度与厚度的刚度之比以及宽度与长度方向的刚度之比均大于500。
所述的电活性聚合物层和圆柱电活性聚合物采用但不限于介电弹性体、电流变弹性体等。
所述的基体的绝缘安装板位置的相对侧上设有三轴加速度传感器，该三轴加速度传感器与微振动控制器相连，该微振动控制器与电活性聚合物层或圆柱电活性聚合物相连以实现对柔性变刚度梁的动态刚度调节。
本发明涉及上述装置的动态隔振方法，通过三轴加速度传感器采集振动信息并输出至微振动控制器，微振动控制器根据预存的控制策略生成控制电信号并反馈至柔性变刚度梁上的电活性聚合物层或圆柱电活性聚合物，从而改变电活性聚合物层或圆柱电活性聚合物的刚度和阻尼，从而实现半主动减振。
技术效果
与现有技术相比，本发明结构新颖、简单，设计合理，基于惯性执行机构的工作原理和微振动扰动特性，设计了转动力矩输出方向刚性、微振动扰动方向柔性的刚柔耦合的主体结构，结合介电弹性体等智能软材料的电控制变刚度、变阻尼特性，实现微振动的柔性隔离与半主动控制消除，并且不影响惯性执行机构的正常工作输出。可靠性高，即便半主动控制出现故障，也依旧具有较好的隔振性能。尤其体积小、重量轻，可以集成于惯性执行机构，直接与卫星平台连接。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1中A部分的放大图；
图3为本发明中一种柔性变刚度梁示意图；
图4为本发明中刚柔耦合原理示意图；
图5为本发明中微振动控制原理示意图；
图6为本发明中另一种柔性变刚度梁示意图；
图7为本发明中柔性节点分布式基体结构示意图；
图中：1XZ柔性变刚度梁、2YZ柔性变刚度梁、3连接刚体、4第一绝缘安装板、5第二绝缘安装板、6弹性基体、7电活性聚合物层、8三轴加速度传感器、9柔性节点分布式基体、10圆柱电活性聚合物。
具体实施方式
实施例1
如图1和图4所示，本实施例包括：固定设置于连接刚体3上的XZ柔性变刚度梁1、固定设置与连接刚体3上的YZ柔性变刚度梁2，YZ柔性变刚度梁2与XZ柔性变刚度梁1相互垂直。
如图2和图3所示，XZ柔性变刚度梁1和YZ柔性变刚度梁2包括：弹性基体6和设置于弹性基体6上的电活性聚合物层7以及第一绝缘安装板4(或第二绝缘安装板5)，弹性基体6选择65Mn弹簧钢矩形梁折弯，弹性基体6形状包含多个斜波，弹性基体6宽度与厚度、长度方向的刚度之比大于500。
如图2所示，XZ柔性变刚度梁1和YZ柔性变刚度梁2上分别设有三轴加速度传感器8。
所述的电活性聚合物层7可以采用介电弹性体、电流变弹性体等。
所述的三轴加速度传感器8与微振动控制器电连接，该微振动控制器另外与电活性聚合物层7或实施例2中的圆柱电活性聚合物10电连接且微振动控制器集成于惯性执行机构内部以实现对柔性变刚度梁的动态刚度调节。
如图4所示，惯性执行机构的通过输出转动力矩从而调整卫星姿态，而因为电机扰动、轴承摩擦、转子动不平衡和静不平衡等原因产生X、Y和Z方向的微振动扰动。XZ柔性变刚度梁1上的第一绝缘安装板4与YZ柔性变刚度梁2上的第二绝缘安装板5分别与惯性执行机构和卫星固定连接。由于XZ柔性变刚度梁1在X和Z方向是刚度较小，在Y方向刚度较大；YZ柔性变刚度梁1在Y和Z方向刚度较小，在X方向刚度较大，隔振装置整体表现出绕Z轴转动刚性、XYZ方向平动柔性的特性。因此，惯性执行机构输出的转动力矩刚性传递到卫星平台，X、Y和Z方向的微振动扰动则被柔性隔离。惯性执行机构的微振动可以矢量分解为XYZ方向的平动叠加。当惯性执行机构产生X方向振动，XZ柔性变刚度梁1产生X方向上的弹性变形。
如图5所示，设置在XZ柔性变刚度梁1的三轴加速度传感器8将振动信息传递到微振动控制器，微振动控制器与惯性执行机构控制器可以进行信息交互实现协同控制，通过存储在微振动控制器的控制策略程序确定输出控制电信号，控制电信号通过导线接到XZ柔性变刚度梁1上的电活性聚合物层7改变电活性聚合物层7的刚度和阻尼，从而实现半主动减振。同理，当惯性执行机构产生Y方向振动，YZ柔性变刚度梁2产生Y方向上的弹性变形，设置在YZ柔性变刚度梁2的三轴加速度传感器8将振动信息传递到微振动控制器，从而控制YZ柔性变刚度梁2的刚度和阻尼实现Y方向的半主动减振。当惯性执行机构产生XYZ方向振动，XZ柔性变刚度梁1和YZ柔性变刚度梁2同时发生作用隔离消除振动。
与现有技术相比，本装置结构简单，体积小，重量轻，特别适合航空航天领域，通过刚性和柔性的巧妙布置，截断振动的刚性传递路径，通过柔性变刚度梁容纳消除振动，具有更好的微振动抑制性能，同时保证转动力矩的刚性传递路径，不影响惯性执行机构的正常工作，可靠性高，即便半主动控制系统产生故障，依然具有较好的隔振性能。
实施例2
如图6所示，本实施例与实施例1相比的不同之处在于：XZ柔性变刚度梁1和YZ柔性变刚度梁2采用带有圆柱电活性聚合物10的柔性节点分布式基体9实现。
与实施例1相比，本实施例进一步的技术效果在于：整体结构可以设计的更小，柔性变刚度梁需要的智能材料更少，整体刚度和阻尼控制更容易，可靠性更高，而且柔性节点分布式基体9可以选择非金属弹性材料，圆柱电活性聚合物10也更容易设计制造。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (9)
1.一种惯性执行机构刚柔耦合微振动隔振装置，其特征在于，包括：环形结构的连接刚体以及设置于连接刚体内部的两根柔性变刚度梁，其中：两根柔性变刚度梁的两端分别与连接刚体相连且中间垂直相连；
所述的柔性变刚度梁采用以下任一一种结构实现：
①弹性基体以及设置于基体上的绝缘安装板和电活性聚合物层，其中：绝缘安装板位于弹性基体中部，电活性聚合物层位于绝缘安装板两侧，或者是
②带有圆柱电活性聚合物的柔性节点分布式基体。
2.根据权利要求1所述的惯性执行机构刚柔耦合微振动隔振装置，其特征是，所述的绝缘安装板和电活性聚合物层分别设置于基体的不同侧面，且两根柔性变刚度梁的对应绝缘安装板为相对设置。
3.根据权利要求1所述的惯性执行机构刚柔耦合微振动隔振装置，其特征是，所述的弹性基体的中部为平板结构，两侧采用65Mn弹簧钢矩形梁折弯而成。
4.根据权利要求3所述的惯性执行机构刚柔耦合微振动隔振装置，其特征是，所述的折弯包括若干斜波且宽度与厚度的刚度之比以及宽度与长度方向的刚度之比均大于500。
5.根据权利要求1所述的惯性执行机构刚柔耦合微振动隔振装置，其特征是，所述的柔性节点分布式基体上包含多个柔性节点，圆柱电活性聚合物设置于柔性节点以实现刚度可调。
6.根据权利要求5所述的惯性执行机构刚柔耦合微振动隔振装置，其特征是，所述的柔性节点分布式基体的宽度与厚度的刚度之比以及宽度与长度方向的刚度之比均大于500。
7.根据权利要求1所述的惯性执行机构刚柔耦合微振动隔振装置，其特征是，所述的电活性聚合物层和圆柱电活性聚合物采用介电弹性体、电流变弹性体。
8.根据权利要求1所述的惯性执行机构刚柔耦合微振动隔振装置，其特征是，所述的基体的绝缘安装板位置的相对侧上设有三轴加速度传感器，该三轴加速度传感器与微振动控制器相连，该微振动控制器与电活性聚合物层或圆柱电活性聚合物相连以实现对柔性变刚度梁的动态刚度调节。
9.一种根据上述任一权利要求所述装置的动态隔振方法，其特征在于，通过三轴加速度传感器采集振动信息并输出至微振动控制器，微振动控制器根据预存的控制策略生成控制电信号并反馈至柔性变刚度梁上的电活性聚合物层或圆柱电活性聚合物，从而改变电活性聚合物层或圆柱电活性聚合物的刚度和阻尼，从而实现半主动减振。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180817 |
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