CN107061591B - 一种整体式金属弹簧主动减振台 - Google Patents

一种整体式金属弹簧主动减振台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种整体式金属弹簧主动减振台，包括底板(10)和上面板(60)，所述底板(10)的四个角均设有被动隔振单元和主动隔振单元；其中，所述被动隔振单元用于实现所述减振台的高频衰减，包括金属弹簧组件、隔振橡胶(50)及结构阻尼，所述主动隔振单元用于实现所述减振台的主动控制，包括反馈速度传感器、前馈速度传感器、洛仑兹电机及控制器。发明的减振台，采用被动隔振与主动减振相结合的减振技术，既可全面隔离高频振动，亦可有效抑制低频振动，保证低频振动传递率，同时提供高频振动的高衰减率，能实现六自由度控制的全解耦，应用灵活。

Description

一种整体式金属弹簧主动减振台
技术领域
本发明属于精密减振领域，更具体地，涉及一种整体式金属弹簧主动减振台。
背景技术
随着超精密加工设备、测量仪器精度的不断提高，对其工作环境的振动更趋向微振幅、低频率的要求，由此对减振台的减振性能也提出了更加苛刻的要求。传统的被动隔振技术由质量-弹簧-阻尼器构成，由于其在低频振动传递率与高频振动衰减率之间存在固有矛盾，故无法满足超精密装备的减振需求。因此迫切需要一些新技术、新方法来改善这一现状。
主动减振是解决上述问题的重要技术。主动减振系统一般由被动隔振元件与主动作动器组合而成，如空气弹簧与音圈电机并联的主动减振器、隔振橡胶与压电陶瓷组成的主动减振器、空气弹簧与气动作动器结合的主动减振器等。此类主动减振器均能实现低频抑制与高频隔离的功能。
空气弹簧与音圈电机组成的主动减振器具有较大的负载能力、较低的固有频率，能实现六自由度减振，但其结构复杂，使用中需持续提供压缩空气，高额的制造成本和使用成本制约了其在精密减振中的广泛使用。隔振橡胶与压电陶瓷组成的主动减振器具有很强的负载能力和很低的固有频率，但压电陶瓷的作动行程小，且无法承受剪切力，在多自由度减振中受到一定的限制。空气弹簧与气动作动器结合的主动减振器作动力大，低频特性好，能实现多自由度减振，但作动频率低，对中频段的减振效果稍差。
专利CN101609341公开了一种主动隔振控制平台，包括主动减振装置和主动隔振控制器，主动隔振装置包括下平台、中间体和上平台，在中间体与下平台之间设有音圈电机作动器，一个安装在上平台和中间体之间的线性可变差分变压器式位移传感器，两个三自由度加速度传感器分别安装在上、下平台上。该主动减振装置由位移传感器、加速度传感器采集振动信号，通过反馈控制实现音圈电机的作动补偿。
但专利CN101609341公开的主动隔振控制平台存在如下不足：
(1)该主动隔振控制平台，以音圈电机作动器，通过反馈控制实现音圈电机的作动补偿，不能全面隔离高频振动，而且不能抑制低频振动，难以实现被隔振设备的精密隔振；
(2)该主动隔振控制平台，结构中存在多种传感器，系统存在多种信号，主控信号与速度传信号呈线性关系，与位移信号和加速度信号存在非线性关系，分别进行计算，将主控系统复杂化；
(3)该主动隔振控制平台，结构中采用传感器为单轴位移传感器和三轴加速度传感器，无法形成完整的六自由度隔振系统。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种整体式金属弹簧主动减振台，采用被动隔振与主动减振相结合的减振技术，既可全面隔离高频振动，亦可有效抑制低频振动，保证低频振动传递率，同时提供高频振动的高衰减率。
为了实现上述目的，本发明提供一种整体式金属弹簧主动减振台，包括底板和上面板，其特征在于，所述底板的四个角均设有被动隔振单元和主动隔振单元；
其中，所述被动隔振单元用于实现所述减振台的高频衰减，包括金属弹簧组件、隔振橡胶及结构阻尼，所述金属弹簧组件与隔振橡胶串联，共同构成被动隔振体；
所述主动隔振单元用于实现所述减振台的主动控制，包括反馈速度传感器、前馈速度传感器、洛仑兹电机及控制器，所述前馈速度传感器用于测量被减振设备的振动信号，其安装于前馈传感器座上，所述前馈传感器座与所述底板固定连接；所述反馈速度传感器用于测量来自所述底板的振动信号，其安装于反馈速度传感器基座上，所述反馈速度传感器基座与所述上面板固定连接；所述洛仑兹电机的动子与所述上面板固定连接，所述洛仑兹电机的定子支承座与所述底板固定连接；
所述控制器用于将反馈速度传感器和前馈速度传感器采集到的振动信号进行计算并输出给所述洛仑兹电机，所述洛仑兹电机用于作为力执行器，实时输出阻尼力，实现主动减振。
进一步地，所述反馈速度传感器包括第一方向反馈速度传感器、第二方向反馈速度传感器和第三方向反馈速度传感器，所述底板的其中一个角设有所述第一方向反馈速度传感器、第三方向反馈速度传感器；另一个角设有所述第二方向反馈速度传感器、第三方向反馈速度传感器；第三个角设有第一方向反馈速度传感器、第三方向反馈速度传感器。
进一步地，所述洛仑兹电机包括第一方向洛仑兹电机、第二方向洛仑兹电机和第三方向洛仑兹电机，所述底板的其中一个角设有第一方向洛仑兹电机、第三方向洛仑兹电机；另一个角设有第二方向洛仑兹电机、第三方向洛仑兹电机；第三个角设有第一方向洛仑兹电机、第三方向洛仑兹电机；第四个角设有第二方向洛仑兹电机、第三方向洛仑兹电机。
进一步地，所述金属弹簧组件包括金属弹簧和调整机构，所述金属弹簧安装于所述底板上，用作承载并实现被动隔振，所述调整机构通过螺栓与所述底板连接，用于实现所述上面板高度调整和水平调节。
进一步地，所述上面板覆盖在所述隔振橡胶上，用于防止所述隔振橡胶挪位。
进一步地，所述底板与上面板之间内侧设有承载架，所述承载架由槽钢与钢板焊接而成，用来承受被减振设备的重量。
进一步地，所述底板与上面板之间外侧设有挡板，用于封装所述主动减振台，防止杂物落入所述减振台内。
进一步地，所述挡板的一侧开有槽口，所述槽口内安装有信号接口板，所述信号接口板用于安放所述反馈速度传感器、洛仑兹电机的信号输入/输出插座。
进一步地，所述第一方向、第二方向、第三方向相互垂直。
优选地，所述第一方向为沿所述隔振台的长度方向。
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)本发明的整体式金属弹簧主动减振台，采用被动隔振与主动减振相结合的减振技术，既可全面隔离高频振动，亦可有效抑制低频振动，保证低频振动传递率，同时提供高频振动的高衰减率。
(2)本发明的整体式金属弹簧主动减振台，采用反馈+前馈的综合控制技术，能同时有效地抑制被减振平台的振动和地基引发的振动。通过自适应调整前馈参数，能使前馈控制带有针对性地在被控带宽内移动，增强了解决实际振动问题的实用性和有效性。
(3)本发明的整体式金属弹簧主动减振台，主动减振采用多个速度传感器、控制器以及多个洛仑兹电机(作动器)的组合，通过合理布置传感器和作动器的位置与方向，能实现六自由度控制的全解耦，应用灵活。
(4)本发明的整体式金属弹簧主动减振台，被动隔振采用金属弹簧与隔振橡胶串联，采用调整机构实现被减振平台的高度调整和水平调节，使用中无须进行位置控制，亦可有效解决载荷偏心问题。
附图说明
图1中的(a)为本发明中采用的被动隔振原理；
图1中的(b)为本发明中采用的主动减振原理；
图2为图1中的(a)和(b)中被动隔振与主动减振的传递率曲线；
图3为本发明实施例的一种整体式金属弹簧主动减振台的原理图；
图4为图3中整体式金属弹簧主动减振台的传递率曲线；
图5为本发明实施例的一种整体式金属弹簧主动减振台的传感器与作动器布置图；
图6为本发明实施例的一种整体式金属弹簧主动减振台的2#区域三维装配图；
图7为本发明实施例的一种整体式金属弹簧主动减振台的俯视图(半剖)；
图8为本发明实施例的一种整体式金属弹簧主动减振台的左视图(全剖)；
图9为本发明实施例的一种整体式金属弹簧主动减振台的三维外形图；
图10为本发明实施例的一种整体式金属弹簧主动减振台的三维结构图。
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中的(a)为本发明中采用的被动隔振原理，其通过质量-弹簧-阻尼实现隔振。图1中的(b)为本发明中采用的主动减振原理，其通过速度传感器将负载振动信号传递给控制器，经过控制器归一化计算转换后输出给作动器，通过反馈控制作动器输出阻尼力，从而消除或减小地基振动对被减振设备的影响。
图2为图1中的(a)和(b)中被动隔振与主动减振的传递率曲线。从图中可以看出，被动隔振能有效衰减高频振动，但对低频振动的衰减甚微，特别是在共振点附近，振动不仅得不到衰减反而会增大，形成共振峰。主动减振能有效减小低频振动，对共振点附近的抑制作用尤为明显。
图3为本发明所提供的整体式金属弹簧主动减振台的原理图。如图3所示，质量-弹簧-阻尼代表被动隔振单元，传感器-控制器-作动器代表主动减振单元。本发明采用被动隔振与主动减振相结合的减振技术。主动减振单元中用前馈传感器监测地基振动，反馈传感器监测被减振设备的振动，采用反馈+前馈的综合控制技术，消除或减小振动对负载的影响。
图4为图3中主动减振台的传递率曲线。从图中可以看出，被动隔振与反馈控制的主动减振传递率曲线与图2相同。采用反馈+前馈的综合控制技术后，低频段的传递率又有明显的降低。针对不同的实际地基振动，可通过自适应调整前馈参数，使前馈控制带有针对性地在被控带宽内移动，能提高减振的实用性和有效性。
图5为本发明所提供的整体式金属弹簧主动减振台的传感器与作动器布置图。该减振台分为1#、2#、3#、4#四个区域，其中1#、2#、3#三个区域内均布置有垂向和水平向速度传感器，也布置有垂向和水平向洛仑兹电机；4#区域仅布置有垂向和水平向洛仑兹电机。
具体布置方案为：1#区域布置有X向反馈速度传感器20a、Z向反馈速度传感器28a、X向洛仑兹电机22a、Z向直线电机26a；2#区域布置有Y向反馈速度传感器20b、Z向反馈速度传感器28b、Y向洛仑兹电机22b、Z向洛仑兹电机26b；3#区域布置有X向反馈速度传感器20c、Z向反馈速度传感器28c、X向洛仑兹电机22c、Z向洛仑兹电机26c；4#区域布置有Y向洛仑兹电机22d和Z向洛仑兹电机26d。
在本发明的优选实施例中，反馈速度传感器和洛仑兹电机的布置方案还有多个演变形式，其中三个角布置反馈速度传感器、四个角布置洛仑兹电机，反馈速度传感器和洛仑兹电机的布置方向根据实际需要确定，能实现六自由度控制的全解耦。
图6为本发明所提供的整体式金属弹簧主动减振台2#区域的三维装配图。图中金属弹簧24b为被动隔振元件。弹簧调整机构25b通过螺栓与底板10连接，用于减振台上面板的高度调整和水平调节。主动减振部分包括：前馈传感器座34、前馈速度传感器33、垂向反馈速度传感器28b、水平向反馈速度传感器20b、垂向洛仑兹电机26b以及水平向直洛仑兹电机22b。前馈速度传感器33(三个)安装在前馈传感器座34上，前馈传感器座34与底板10固连。垂向反馈速度传感器28b安装在垂向传感器座29b上，水平向反馈速度传感器20b安装在水平向传感器座21b上，传感器座29b、21b分别与减振台的上面板60固连。垂向洛仑兹电机26b和水平向洛仑兹电机22b的动子与减振器的上面板60固连，其定子分别通过支承座27b、23b与底板10固连。
图7为本发明实施例的一种整体式金属弹簧主动减振台的俯视图(半剖)；图8为本发明实施例的一种整体式金属弹簧主动减振台的左视图(全剖)；图9为本发明实施例的一种整体式金属弹簧主动减振台的三维外形图；图10为本发明实施例的一种整体式金属弹簧主动减振台的三维结构图。
如图7、图8、图9所示，本发明所提供的整体式金属弹簧主动减振台除上述被动隔振和主动减振零(部)件外，还包括底板10、承载架40、隔振橡胶50、上面板60、挡板(30a、30b、30c、30d)、固定板(31a、31b、31c、31d)以及信号接口板32。底板10直接放置在被减振设备所在的地基上，其上装有允许与地基接触的零(部)件。承载架40由槽钢与钢板焊接而成，用来承受被减振设备的重量，其上装有不允许与地基接触的零(部)件。隔振橡胶50与金属弹簧(24a、24b、24c、24d)串联，共同组成被动隔振体。上面板60覆盖在隔振橡胶50上，一方面防止隔振橡胶挪位。挡板(30a、30b、30c、30d)用来防止杂物落入减振台内。固定板(31a、31b、31c、31d)用于减振台的运输保护以及安装起吊。信号接口板32上装有速度传感器和洛仑兹电机的信号输入/输出插座，以便减振台与控制器的连接。
如图10所示，本发明所提供的整体式金属弹簧主动减振台1#和3#区域的零(部)件及装配方式与2#区域相同，4#区域较2#区域减少了垂向和水平向反馈速度传感器。
本发明的整体式金属弹簧主动减振台，采用被动隔振与主动减振相结合的减振技术，既可全面隔离高频振动，亦可有效抑制低频振动，保证低频振动传递率，同时提供高频振动的高衰减率。
本发明的整体式金属弹簧主动减振台，采用反馈+前馈的综合控制技术，能同时有效地抑制被减振平台的振动和地基引发的振动。通过自适应调整前馈参数，能使前馈控制带有针对性地在被控带宽内移动，增强了解决实际振动问题的实用性和有效性。
本发明的整体式金属弹簧主动减振台，主动减振采用多个速度传感器、控制器以及多个洛仑兹电机(作动器)的组合，通过合理布置传感器和作动器的位置与方向，能实现六自由度控制的全解耦，应用灵活。被动隔振采用金属弹簧与隔振橡胶串联，采用调整机构实现被减振平台的高度调整和水平调节，使用中无须进行位置控制，亦可有效解决载荷偏心问题。
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，并不用于限制本发明，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 (10)

1.一种整体式金属弹簧主动减振台，包括底板(10)和上面板(60)，其特征在于，所述底板(10)的四个角均设有被动隔振单元和主动隔振单元；
其中，所述被动隔振单元用于实现所述减振台的高频衰减，包括金属弹簧组件、隔振橡胶(50)及结构阻尼，所述金属弹簧组件与隔振橡胶串联，共同构成被动隔振体；
所述主动隔振单元用于实现所述减振台的主动控制，包括反馈速度传感器、前馈速度传感器(33)、洛仑兹电机及控制器，所述前馈速度传感器用于测量被减振设备的振动信号，其安装于前馈传感器座(34)上，所述前馈传感器座(34)与所述底板(10)固定连接；所述反馈速度传感器用于测量来自所述底板(10)的振动信号，其安装于反馈速度传感器基座上，所述反馈速度传感器基座与所述上面板(60)固定连接；所述洛仑兹电机的动子与所述上面板(60)固定连接，所述洛仑兹电机的定子支承座与所述底板(10)固定连接；
所述控制器用于将反馈速度传感器和前馈速度传感器采集到的振动信号进行计算并输出给所述洛仑兹电机，所述洛仑兹电机用于作为力执行器，实时输出阻尼力，实现主动减振。
2.根据权利要求1所述的一种整体式金属弹簧主动减振台，其特征在于，所述反馈速度传感器包括第一方向反馈速度传感器、第二方向反馈速度传感器和第三方向反馈速度传感器，所述底板(10)的其中一个角设有所述第一方向反馈速度传感器(20a)、第三方向反馈速度传感器(28a)；另一个角设有所述第二方向反馈速度传感器(20b)、第三方向反馈速度传感器(28b)；第三个角设有第一方向反馈速度传感器(20c)、第三方向反馈速度传感器(28c)。
3.根据权利要求1或2所述的一种整体式金属弹簧主动减振台，其特征在于，所述洛仑兹电机包括第一方向洛仑兹电机、第二方向洛仑兹电机和第三方向洛仑兹电机，所述底板(10)的其中一个角设有第一方向洛仑兹电机(22a)、第三方向洛仑兹电机(26a)；另一个角设有第二方向洛仑兹电机(22b)、第三方向洛仑兹电机(26b)；第三个角设有第一方向洛仑兹电机(22c)、第三方向洛仑兹电机(26c)；第四个角设有第二方向洛仑兹电机(22d)、第三方向洛仑兹电机(26d)。
4.根据权利要求1或2所述的一种整体式金属弹簧主动减振台，其特征在于，所述金属弹簧组件包括金属弹簧(24a、24b、24c、24d)和调整机构，所述金属弹簧(24a、24b、24c、24d)安装于所述底板(10)上，用作承载并实现被动隔振，所述调整机构通过螺栓与所述底板(10)连接，用于实现所述上面板(60)高度调整和水平调节。
5.根据权利要求4所述的一种整体式金属弹簧主动减振台，其特征在于，所述上面板(60)覆盖在所述隔振橡胶(50)上，用于防止所述隔振橡胶(50)挪位。
6.根据权利要求1所述的一种整体式金属弹簧主动减振台，其特征在于，所述底板(10)与上面板(60)之间内侧设有承载架(40)，所述承载架(40)由槽钢与钢板焊接而成，用来承受被减振设备的重量。
7.根据权利要求1或6所述的一种整体式金属弹簧主动减振台，其特征在于，所述底板(10)与上面板(60)之间外侧设有挡板(30a、30b、30c、30d)，用于封装所述主动减振台，防止杂物落入所述减振台内。
8.根据权利要求7所述的一种整体式金属弹簧主动减振台，其特征在于，所述挡板的一侧开有槽口，所述槽口内安装有信号接口板(32)，所述信号接口板用于安放所述反馈速度传感器、洛仑兹电机的信号输入/输出插座。
9.根据权利要求2所述的一种整体式金属弹簧主动减振台，其特征在于，所述第一方向、第二方向、第三方向相互垂直。
10.根据权利要求9所述的一种整体式金属弹簧主动减振台，其特征在于，所述第一方向为沿所述减振台的长度方向。
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