CN108167379B - 一种六自由度低频振动主被动隔离机械装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种六自由度低频振动主被动隔离机械装置，包括载物台、隔振单元和基座，载物台包括固定板、上连接块和关节轴承支座，三个上连接块圆周均布在固定板上，每个上连接块连接两个关节轴承支座，基座的组成和连接方式与载物台相同，隔振单元的两端分别连接载物台和基座的一个关节轴承支座；隔振单元的被动隔振部分包括T形块、支撑弹簧、二力杆、杠杆和横向弹簧，主动隔振部分包括加速度传感器、电机驱动杆、电机安装筒、线圈、磁铁系统和外部驱动控制系统。电机驱动杆的一端固定有加速度传感器，其信号作为负反馈积分放大后得到电机力。本发明有效解决被动隔振中阻尼系数在高频与低频之间选择的矛盾，结构简单，零部件少，便于加工制造。
Description
技术领域
本发明属于机械设备振动控制技术领域，具体涉及一种六自由度低频振动主被动隔离机械装置。
背景技术
随着现代工业和制造业对精密测量和精密加工等技术的需求逐渐旺盛，测量和加工设备对宽频带振动隔离要求也逐渐提高。研究发现，0.5～70Hz范围内的振动会对精密设备造成危害，因此需要具有隔离低频振动能力的机械装置保障精密设备的正常工作。传统被动隔振装置相比主动隔振装置，虽然有结构简单，技术成熟度高的优势，但难以同时满足隔振装置高承载和低频隔振的两项要求，而且因为阻尼系数在高频与低频之间选择的矛盾会限制隔振机构在整个工作频段内的隔振水平。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种六自由度低频振动主被动隔离机械装置，用于高精密设备的振动隔离，以适应隔振对象对隔振装置的高负载、宽频带和阻尼可调的空间振动隔离的要求。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种六自由度低频振动主被动隔离机械装置，包括载物台、隔振单元和基座；其中：
所述载物台包括固定板、上连接块和关节轴承支座，固定板为六边形扁平结构件，三条长边长度相等，三条短边长度相等，三个上连接块分别固定在固定板中的三条短边位置上，最长边与短边重合，每一个上连接块安装固定两个关节轴承支座；所述基座包括底板、下连接块和关节轴承支座，底板形状与固定板相同，下连接块为直角等腰梯形结构件，三个下连接块分别固定在底板中的三条短边位置上，下连接块中两个等腰平面上分别连接一个关节轴承支座；载物台和基座的每一个关节轴承支座通过铰制孔螺栓和关节轴承分别连接一个隔振单元的动关节轴承接头和定关节轴承接头；所述的隔振单元的被动隔振部分包括T形块、支撑弹簧、直线轴承、第二连接螺钉、二力杆、杠杆和横向弹簧，主动隔振部分包括加速度传感器、电机驱动杆、第一连接螺钉、电机安装筒、线圈、磁铁系统和外部驱动控制系统，机械接口部分包括动关节轴承接头、螺纹连接块、关节轴承和定关节轴承接头；所述T形块顶部设有圆孔、底部设有螺纹孔，左右两端分别与杠杆中心孔连接作为固定铰支，支撑弹簧下端与T形块顶部圆孔的底部接触，上端受动关节轴承接头底部压紧，动关节轴承接头外径与直线轴承径向配合，直线轴承外圈与T形块顶部固定，定关节轴承接头的螺纹端与T形块的底部连接固定，另一端与关节轴承固定；螺纹连接块通过螺纹固定在动关节轴承接头外围，两端分别通过铰链连接一个二力杆，二力杆的另一端通过铰链与一个杠杆的一端连接，杠杆的另一端通过铰链与一个电机驱动杆连接；音圈电机的主要构件包括电机驱动杆、线圈、磁铁系统和横向弹簧，电机驱动杆沿电机轴向运动，在磁铁系统内运动的部分作为线圈支架，外侧面与线圈内侧面贴合固定，底部压紧一个横向弹簧的一端，横向弹簧另一端与磁铁系统的底部接触，音圈电机通过电机安装筒固定在T形块的两侧，电机驱动杆在远离横向弹簧的一端固定有加速度传感器，其信号通过传感器电缆传输到外部驱动控制系统，系统输出信号通过电机安装筒外壁上圆孔传回音圈电机；当装置底部受到振动时，螺纹连接块偏离平衡位置，偏移量依次通过二力杆和杠杆使电机驱动杆产生偏移，横向弹簧产生使螺纹连接块偏离平衡位置的分力，形成负刚度，同时位于电机驱动杆另一端的加速度传感器测到电机驱动杆偏移运动的加速度信号并输出，外部驱动控制系统将加速度作为负反馈积分放大后算得电机力。
其中，所述的关节轴承的型号为SKF GE10C。
其中，所述的支撑弹簧、横向弹簧为YI型；直线轴承的型号为LMF13UU。
其中，所述的加速度传感器的型号为LC0108。
其中，所述的T形块上端有直径23mm的圆孔，下端有M16内螺纹的结构件；
动关节轴承接头和定关节轴承接头是有M16外螺纹、顶部有直径19mm的圆孔的杆件；
螺纹连接块是中间有M16内螺纹，两端开槽的长方体结构件；
杠杆是两端和中间开有铰接孔的杆件；
二力杆为一端开槽，两端有铰接孔的杆件；
电机驱动杆是一端有M5外螺纹，另一端有台阶面，中间有铰接孔且在孔周开有矩形槽的圆柱形杆件；
电机安装筒是顶部孔径小于底部的圆筒形结构件，筒壁上开有圆孔，台阶面上圆周均布4个直径4.5通孔的圆筒形构件；
第一连接螺钉为M6×14的内六角螺钉；
第二连接螺钉为M5×12的内六角螺钉。
本发明的优点在于：
(1)本发明在正刚度机构弹簧的基础上引入负刚度机构弹簧，保证振动隔离机械装置在有较高的静支撑刚度的前提下，又在受到振动时保持较低的动刚度。
(2)本发明在由弹簧组成的被动隔振装置的基础上加入音圈电机以引入电磁阻尼，通过主动控制削弱共振峰，进一步增强隔振效果，有效解决被动隔振中阻尼系数在高频与低频之间选择的矛盾。
(3)本发明通过Hexapod平台实现空间六自由度隔振的功能。
(4)本发明结构简单，零部件少，便于加工制造。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图；
图2是本发明的主视图；
图3是本发明的隔振单元结构示意图；
图中：
1—载物台 2—隔振单元 3—基座
4—固定板 5—上连接块 6—关节轴承支座
7—下连接块 8—底板 9—动关节轴承接头
10—螺纹连接块 11—杠杆 12—T形块
13—支撑弹簧 14—加速度传感器 15—电机驱动杆
16—横向弹簧 17—第一连接螺钉 18—关节轴承
19—定关节轴承接头 20—电机安装筒 21—线圈
22—磁铁系统 23—直线轴承 24—第二连接螺钉
25—二力杆
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1、图2所示，本发明是一种六自由度低频振动主被动隔离机械装置，包括载物台1、隔振单元2和基座3。
所述的隔振单元2与载物台1和基座3上的关节轴承支座6相连，载物台1为放置并固定高精密载荷的平台，基座3为连接并固定隔振单元2的基础。
所述载物台1包括固定板4、上连接块5和关节轴承支座6，固定板4为六边形扁平结构件，三条长边长度相等，三条短边长度相等，上连接块5为六边形结构件，三个上连接块5分别通过螺钉固定在固定板4中的三条短边位置上，上连接块5的最长边与固定板4的短边重合，每一个上连接块5连接两个关节轴承支座6，两个互成直角的侧面与关节轴承支座6的相邻直角侧面重合，每个关节轴承支座6通过4个螺钉与上连接块5固定。
所述基座3包括底板8、下连接块7和关节轴承支座6，底板8为六边形扁平结构件，形状与固定板相同，下连接块7为直角等腰梯形结构件，三个下连接块7分别通过螺钉固定在底板8中的三条短边位置上，等腰梯形的底边与六边形的短边重合，下连接块7中两个等腰平面上分别连接一个关节轴承支座6，关节轴承支座6底面形状与等腰平面一致，并通过4个螺钉与下连接块7固定。
载物台1和基座3的每一个关节轴承支座6通过铰制孔螺栓和关节轴承18分别连接一个隔振单元2的动关节轴承接头9和定关节轴承接头19。
所述的隔振单元2如图3所示，包括被动隔振部分、主动隔振部分和机械接口部分。
被动隔振部分包括T形块12、支撑弹簧13、直线轴承23、第二连接螺钉24、二力杆25、杠杆11和横向弹簧16。主动隔振部分包括加速度传感器14、电机驱动杆15、第一连接螺钉17、电机安装筒20、线圈21、磁铁系统22和外部驱动控制系统。机械接口部分包括动关节轴承接头9、螺纹连接块10、关节轴承18和定关节轴承接头19。
T形块12顶部设有圆孔、底部设有螺纹孔，左右两端分别与杠杆中心孔连接作为固定铰支，支撑弹簧13下端与T形块12顶部圆孔的底部接触，上端受动关节轴承接头9底部压紧，动关节轴承接头9外径与直线轴承23径向配合，直线轴承23通过第二连接螺钉24与T形块12顶部固定。定关节轴承接头19的螺纹端与T形块12的底部连接固定，另一端与关节轴承18固定；螺纹连接块10通过螺纹固定在动关节轴承接头9外围，两端分别通过铰链连接一个二力杆25，二力杆25的另一端通过铰链与一个杠杆11的一端连接，杠杆11的另一端通过铰链与一个电机驱动杆15连接；音圈电机的主要构件包括电机驱动杆15、线圈21、磁铁系统22和横向弹簧16，电机驱动杆15沿电机轴向运动，在磁铁系统内运动的部分作为线圈21的支架，外侧面与线圈21内侧面贴合固定，底部压紧一个横向弹簧16的一端，横向弹簧16另一端与磁铁系统22的底部接触，音圈电机通过电机安装筒20固定在T形块12的两侧，电机驱动杆15在远离横向弹簧16的一端固定有加速度传感器14，其信号通过传感器电缆传输到外部驱动控制系统，系统输出信号通过电机安装筒20外壁上圆孔传回音圈电机。
所述的支撑弹簧13和横向弹簧16为YI型压缩弹簧，是市购产品；动关节轴承接头9和定关节轴承接头19是自主设计的一端为M16螺纹、另一端与关节轴承18配合的杆件；螺纹连接块10是中间开有M16螺纹通孔、侧带开有矩形槽的方形结构件；二力杆25为两端有铰接孔且一端开槽的杆件；杠杆11是两端和中间开有铰接孔的杆件；电机驱动杆15是自行设计的一端有外螺纹，另一端有台阶面，中间有铰接孔且在孔周开有矩形槽的圆柱形杆件；电机安装筒20是根据电机尺寸自行设计的圆筒形结构件，筒壁上开有圆孔，台阶面一端为4个圆周均布的直径4.5的通孔；电机为高频高精度音圈电机，为市购产品；直线轴承23的型号为LMF13UU，是市购产品；关节轴承为市购产品，型号为SKF GE10C，通过三点冲压的方式与动关节轴承接头9和定关节轴承接头19配合；第二连接螺钉24是M5×12的内六角螺钉、第一连接螺钉17为M6×14的内六角螺钉，是市购产品。
本发明的工作过程为：当装置底部受到振动，螺纹连接块10偏离平衡位置，偏移量依次通过二力杆25和杠杆11使电机驱动杆15产生偏移，横向弹簧16产生使螺纹连接块10偏离平衡位置的分力，形成负刚度，降低隔振单元2的固有频率，使其能隔离较低频率的振动。同时，位于电机驱动杆15另一端的加速度传感器14测到电机驱动杆15偏移运动的加速度信号，并传输给外部驱动控制系统，系统将加速度作为负反馈积分放大后作为电机力。
本发明将正刚度弹簧和负刚度机构并联，形成非线性隔振单元，在实现较高支撑刚度的同时降低动刚度，确保一定承载能力的同时具备了隔离低频振动的能力。还通过在被动隔振装置的基础上加入音圈电机的方式以引入电磁阻尼，通过主动控制削弱共振峰，进一步增强隔振效果，有效解决被动隔振中阻尼系数在高频与低频之间选择的矛盾。进一步，再将六个非线性隔振单元按照六杆并联机构Hexapod平台的结构形式组合形成机械装置。因此，本发明具备六自由度低频振动主被动隔离的能力。
Claims (4)
1.一种六自由度低频振动主被动隔离机械装置，其特征在于：包括载物台(1)、隔振单元(2)和基座(3)；其中：
所述载物台(1)包括固定板(4)、上连接块(5)和关节轴承支座(6)，固定板(4)为六边形扁平结构件，三条长边长度相等，三条短边长度相等，三个上连接块(5)分别固定在固定板(4)中的三条短边位置上，最长边与短边重合，每一个上连接块(5)安装固定两个关节轴承支座(6)；所述基座(3)包括底板(8)、下连接块(7)和关节轴承支座(6)，底板(8)形状与固定板(4)相同，下连接块(7)为直角等腰梯形结构件，三个下连接块(7)分别固定在底板(8)中的三条短边位置上，下连接块(7)中两个等腰平面上分别连接一个关节轴承支座(6)；载物台(1)和基座(3)的每一个关节轴承支座(6)通过铰制孔螺栓和关节轴承(18)分别连接一个隔振单元(2)的动关节轴承接头(9)和定关节轴承接头(19)；所述的隔振单元的被动隔振部分包括T形块(12)、支撑弹簧(13)、直线轴承(23)、第二连接螺钉(24)、二力杆(25)、杠杆(11)和横向弹簧(16)，主动隔振部分包括加速度传感器(14)、电机驱动杆(15)、第一连接螺钉(17)、电机安装筒(20)、线圈(21)、磁铁系统(22)和外部驱动控制系统，机械接口部分包括动关节轴承接头(9)、螺纹连接块(10)、关节轴承(18)和定关节轴承接头(19)；所述T形块(12)顶部设有圆孔、底部设有螺纹孔，左右两端分别与杠杆(11)中心孔连接作为固定铰支，支撑弹簧(13)下端与T形块(12)顶部圆孔的底部接触，上端受动关节轴承接头(9)底部压紧，动关节轴承接头(9)外径与直线轴承(23)径向配合，直线轴承(23)外圈与T形块(12)顶部固定，定关节轴承接头(19)的螺纹端与T形块(12)的底部连接固定，另一端与关节轴承(18)固定；螺纹连接块(10)通过螺纹固定在动关节轴承接头(9)外围，两端分别通过铰链连接一个二力杆(25)，二力杆(25)的另一端通过铰链与一个杠杆(11)的一端连接，杠杆(11)的另一端通过铰链与一个电机驱动杆(15)连接；音圈电机的主要构件包括电机驱动杆(15)、线圈(21)、磁铁系统(22)和横向弹簧(16)，电机驱动杆(15)沿电机轴向运动，在磁铁系统(22)内运动的部分作为线圈(21)的支架，外侧面与线圈(21)内侧面贴合固定，底部压紧一个横向弹簧(16)的一端，横向弹簧(16)另一端与磁铁系统(22)的底部接触，音圈电机通过电机安装筒(20)固定在T形块(12)的两侧，电机驱动杆(15)在远离横向弹簧(16)的一端固定有加速度传感器(14)，其信号通过传感器电缆传输到外部驱动控制系统，系统输出信号通过电机安装筒(20)外壁上圆孔传回音圈电机；当装置底部受到振动时，螺纹连接块(10)偏离平衡位置，偏移量依次通过二力杆(25)和杠杆(11)使电机驱动杆(15)产生偏移，横向弹簧(16)产生使螺纹连接块(10)偏离平衡位置的分力，形成负刚度，同时位于电机驱动杆(15)另一端的加速度传感器(14)测到电机驱动杆(15)偏移运动的加速度信号并输出，外部驱动控制系统将加速度作为负反馈积分放大后算得电机力；
所述的T形块(12)上端有直径23mm的圆孔，下端有M16内螺纹的结构件；
动关节轴承接头(9)和定关节轴承接头(19)是有M16外螺纹、顶部有直径19mm的圆孔的杆件；
螺纹连接块(10)是中间有M16内螺纹，两端开槽的长方体结构件；
杠杆(11)是两端和中间开有铰接孔的杆件；
二力杆(25)为一端开槽，两端有铰接孔的杆件；
电机驱动杆(15)是一端有M5外螺纹，另一端有台阶面，中间有铰接孔且在孔周开有矩形槽的圆柱形杆件；
电机安装筒(20)是顶部孔径小于底部的圆筒形结构件，筒壁上开有圆孔，台阶面上圆周均布4个直径4.5通孔的圆筒形构件；
第一连接螺钉(17)为M6×14的内六角螺钉；
第二连接螺钉(24)为M5×12的内六角螺钉。
2.根据权利要求1所述的一种六自由度低频振动主被动隔离机械装置，其特征在于：所述的关节轴承(18)的型号为SKF GE10C。
3.根据权利要求1所述的一种六自由度低频振动主被动隔离机械装置，其特征在于：所述的支撑弹簧(13)、横向弹簧(16)为YI型；直线轴承(23)的型号为LMF13UU。
4.根据权利要求1所述的一种六自由度低频振动主被动隔离机械装置，其特征在于：所述的加速度传感器(14)的型号为LC0108。
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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Effective date of registration: 20210119 Address after: 100080 No. 1107d-2, 11th floor, No. 8 caihefang Road, Haidian District, Beijing Patentee after: BEIJING HANGYU ZHENKONG TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: Unit 905, unit 4, 9 / F, building 2, FengHao East Road, Haidian District, Beijing 100094 Patentee before: BEIJING WEIFEN HANGYU TECHNOLOGY Co.,Ltd. |