CN108253081B - 一种电流变液主动控制的液体调谐质量阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电流变液主动控制的液体调谐质量阻尼器(简称TLMD)。TLMD将质量块、弹簧、电流变液集合在一个装置内，通过电压变化控制电流变液粘度变化从而显现出不同阻尼特性。在机器人往复摆动时使用强电压控制产生凝固态的电流变液让TLMD停止工作，不影响机器人正常工作；在机器人即将行进至停止工位时，使用特定电压产生特定粘度的电流变液让TLMD工作，调谐机器人振动频率，减少机器人在急停过程中的振动。本发明可以达到减少机器人振动，提高其运动精度的目的。
Description
技术领域
本发明涉及抗震减振领域、振动控制领域，尤其是涉及一种电流变液主动控制的液体调谐质量阻尼器。
背景技术
随着现代结构振动(风振与地震)控制技术飞速发展。调谐质量阻尼器(TunedMass Damper)被广泛应用于摩天大楼、大跨度桥梁、重要设备等的风振、地震和振动控制。
目前常规的调谐质量阻尼器(以下简称TMD)为质量块由钢索悬挂或弹簧竖向支撑并辅助以液体阻尼器构成，并且是一种随着结构振动一起运动的被动装置(跟随大楼摆动或跟随桥面竖直振动)。TMD的质量块重量的大小一般为被减振结构的1％，钢索长度或弹簧刚度由TMD质量块重量及被减振结构自然频率f决定，液体阻尼器提供一定的阻尼。作为不同的机械零部件，质量块、弹簧或钢索、液体阻尼器都是互相独立、单独可成系列产品的装置与设备。
在工业机器人领域，机器人的快速发展和全面应用对机器人的精度要求和振动控制要求越来越高。因为零部件繁多、体积结构巨大等原因，将土木工程领域的TMD直接应用到工业机器人上都是不合适的。尤其是TMD一直是一种被动装置，而工业机器人频繁运动过程中并不是所有振动都需要被控制，如果持续对机器人进行减振反而会增加机器人荷载。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有的土木工程领域调谐质量阻尼器体积大、零部件分散、被动运动的问题，研发了一种体积小、集成度高、可用电压变化进行主动控制的适用于机器人的液体调谐质量阻尼器，即电流变液主动控制的液体调谐质量阻尼器。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种电流变液主动控制的液体调谐质量阻尼器(Tuned Liquid Mass Damper，以下简称TLMD)，包括缸体、质量块、上堵头、下堵头、上导向轴、下导向轴、弹簧及导线，所述上堵头与下堵头分别设置在缸体的上下两端，所述质量块设置在缸体内，所述质量块上端连接上导向轴，所述上导向轴伸入上堵头内，所述质量块下端连接下导向轴，所述下导向轴伸入下堵头内，所述弹簧设置在下堵头与质量块下端之间，用于支撑质量块，所述质量块将缸体内部分成两个腔体，在质量块上下两端的腔体内填充有电流变液，所述质量块上开设有将上下两个腔体连通的通孔，在通孔内设置有小孔调节块，所述小孔调节块开设有轴向通透的小孔，所述电流变液可从小孔流经，所述导线从上堵头引入，并与上导向轴连接，导线外接电时，上导向轴、质量块、下导向轴整体带电，电流变液会因电压的作用粘度变化从而显现出不同阻尼特性。
进一步地，所述上堵头内设置有上直线导向轴承，所述下堵头内设置有下直线导向轴承，所述上导向轴穿入上直线导向轴承，所述下导向轴穿入下直线导向轴承。
进一步地，所述上导向轴、上直线导向轴承、下导向轴、下直线导向轴承均为精密加工的，表面非常光滑，所以所述质量块上下用导向轴与直线轴承进行极低摩擦的导向。
进一步地，所述上直线导向轴承、下直线导向轴承的外侧均为塑料外壳。塑料外壳用于质量块与缸体的绝缘。
进一步地，所述质量块底部开孔，内衬弹簧绝缘帽，所述下堵头上设置有绝缘板，所述弹簧位于弹簧绝缘帽与绝缘板之间。弹簧上下两端设置的弹簧绝缘帽与绝缘板用于质量块与缸体的绝缘。
进一步地，所述上堵头与缸体之间通过上锁紧螺母连接，所述下堵头与缸体之间通过下锁紧螺母连接。所述的缸体上下两端的密封部件分离成堵头与锁紧螺母，可降低加工误差对装配和质量块工作的影响。
进一步地，所述上堵头与缸体之间设置有上密封圈，所述下堵头与缸体之间设置有下密封圈。
进一步地，所述上堵头通过转换法兰与机器人连接法兰连接，其中，上堵头与转换法兰之间通过下固定螺钉连接，所述转换法兰与机器人连接法兰之间通过上固定螺钉连接。
进一步地，所述机器人连接法兰上设有用于与对应机器人端部螺孔通过螺钉连接的光孔。
进一步地，所述下堵头上设有用于安装原本安装在机器人端部的设备的螺孔。机器人端部的设备包括电焊机、气动夹具等。
进一步地，所述的导线为包裹绝缘皮的铜线，连接外部电压控制器。其中，所述缸体的外壳接地。
所述电流变液即为阻尼液。所述的电流变液存在于以质量块分割的上下两个空腔内，并可流过小孔调节块及质量块与缸体的缝隙。所述电流变液型号根据不同机器人型号和不同的运动方式所需要的减振阻尼比来选取。
TLMD的结构近似于上下对称，其中，上直线导向轴承、下直线导向轴承为完全相同的零部件。上导向轴、下导向轴为完全相同的零部件。上锁紧螺母、下锁紧螺母为完全相同的零部件。上密封圈、下密封圈为上下完全相同的零部件。
所述的质量块由圆钢加工而成，其质量大小，由机器人的运动质量根据公式确定。
所述的质量块重量、弹簧刚度及弹簧的组数按照不同的运动方式所需要的减振阻尼比来选取。不同型号机器人，匹配不同系列(即质量块重量、弹簧刚度、电流变液型号不同)的TLMD。
所述的小孔调节块中孔的大小与需要的阻尼率有关，制作成多块是为了方便深度较大的小孔钻取。
不同刚度K的弹簧可实现质量块振动的不同频率f，此f对应机器人端部在急停时的振动频率，因机器人型号不同、停止动作不同，f也不同。
工作时，所述电流变液通过深入导向轴的导线引入正电压，缸体外壳接地，导线另一端连接控制器，控制器可以按程序设计改变电压；按照机器人不同的振动状态，选择电流变液控制器输出的电压和控制程序设置。所述的TLMD在机器人即将停止前都处于不工作状态。TLMD只在机器人即将停止前开始进行减振工作，降低机器人振动，提高定位精度。
在机器人往复摆动时，使用高电压让电流变液呈现高阻尼凝固态，让TLMD-中质量块无法振动从而停止工作，这样不影响机器人工作，不增加运动荷载；在机器人即将行进至停止工位时，使用特定电压呈现特定粘度的电流变液让TLMD中质量块按照机器人振动的频率工作，减少机器人在急停过程中的振动。如此达到减少机器人振动，提高其运动精度的目的。
与现有技术相比，本发明运用电流变液，研发了一种电流变液主动控制的液体调谐质量阻尼器。TLMD将质量块、弹簧、电流变液集合在一个装置内，通过电压变化控制电流变液粘度变化从而显现出不同阻尼特性。在机器人往复摆动时使用强电压控制产生凝固态的电流变液让TLMD停止工作，不影响机器人正常工作；在机器人即将行进至停止工位时，使用特定电压产生特定粘度的电流变液让TLMD工作，调谐机器人振动频率，减少机器人在急停过程中的振动。本发明可以达到减少机器人振动，提高其运动精度的目的。
附图说明
图1为电流变液主动控制的液体调谐质量阻尼器主视结构示意图；
图2为电流变液主动控制的液体调谐质量阻尼器俯视结构示意图；
图3为电流变液主动控制的液体调谐质量阻尼器仰视结构示意图。
其中，1为导线，2为机器人连接法兰，3为上固定螺钉，4为转换法兰，5为下固定螺钉，6为上堵头，7为上直线导向轴承，8为上导向轴，9为上锁紧螺母，10为上密封圈，11为缸体，12为质量块，13为小孔调节块，14为弹簧绝缘帽，15为弹簧，16为绝缘板，17为下导向轴，18为下密封圈，19为下锁紧螺母，20为下堵头，21为下直线导向轴承，22为光孔，23为螺纹孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
一种电流变液主动控制的液体调谐质量阻尼器(Tuned Liquid Mass Damper，以下简称TLMD)，如图1-图3，包括缸体11、质量块12、上堵头6、下堵头20、上导向轴8、下导向轴17、弹簧15及导线1，上堵头6与下堵头20分别设置在缸体11的上下两端，质量块12设置在缸体11内，质量块12上端连接上导向轴8，上导向轴8伸入上堵头6内，质量块12下端连接下导向轴17，下导向轴17伸入下堵头17内，弹簧15设置在下堵头20与质量块12下端之间，用于支撑质量块12，质量块12将缸体11内部分成两个腔体，在质量块12上下两端的腔体内填充有电流变液，质量块12上开设有将上下两个腔体连通的通孔，在通孔内设置有小孔调节块13，小孔调节块13开设有轴向通透的小孔，电流变液可从小孔流经，导线1从上堵头6引入，并与上导向轴8连接，导线1外接电时，上导向轴8、质量块12、下导向轴17整体带电，电流变液会因电压的作用粘度变化从而显现出不同阻尼特性。
其中，上堵头6内设置有上直线导向轴承7，下堵头20内设置有下直线导向轴承21，上导向轴8穿入上直线导向轴承7，下导向轴17穿入下直线导向轴承21。上导向轴8、上直线导向轴承7、下导向轴17、下直线导向轴承21均为精密加工的，表面非常光滑，所以质量块上下用导向轴与直线轴承进行极低摩擦的导向。
上直线导向轴承7、下直线导向轴承21的外侧均为塑料外壳。塑料外壳用于质量块12与缸体11的绝缘。质量块12底部开孔，内衬弹簧绝缘帽14，下堵头20上设置有绝缘板16，弹簧15位于弹簧绝缘帽14与绝缘板16之间。弹簧15上下两端设置的弹簧绝缘帽14与绝缘板16用于质量块12与缸体11的绝缘。
上堵头6与缸体11之间通过上锁紧螺母9连接，下堵头20与缸体11之间通过下锁紧螺母19连接。的缸体11上下两端的密封部件分离成堵头与锁紧螺母，可降低加工误差对装配和质量块工作的影响。上堵头6与缸体11之间设置有上密封圈10，下堵头20与缸体11之间设置有下密封圈18。
上堵头6通过转换法兰4与机器人连接法兰2连接，其中，上堵头6与转换法兰4之间通过下固定螺钉5连接，转换法兰4与机器人连接法兰2之间通过上固定螺钉3连接。机器人连接法兰2上设有用于与对应机器人端部螺孔通过螺钉连接的光孔22。下堵头20上设有用于安装原本安装在机器人端部的设备的螺孔23。机器人端部的设备包括电焊机、气动夹具等。
导线1为包裹绝缘皮的铜线，连接外部电压控制器。其中，缸体11的外壳接地。
电流变液即为阻尼液。电流变液存在于以质量块分割的上下两个空腔内，并可流过小孔调节块及质量块与缸体的缝隙。所述电流变液型号根据不同机器人型号和不同的运动方式所需要的减振阻尼比来选取。
TLMD的结构近似于上下对称，其中，上直线导向轴承、下直线导向轴承为完全相同的零部件。上导向轴、下导向轴为完全相同的零部件。上锁紧螺母、下锁紧螺母为完全相同的零部件。上密封圈、下密封圈为上下完全相同的零部件。
质量块由圆钢加工而成，其质量大小，由机器人的运动质量根据公式确定。
质量块重量、弹簧刚度及弹簧的组数按照不同的运动方式所需要的减振阻尼比来选取。不同型号机器人，匹配不同系列(即质量块重量、弹簧刚度、电流变液型号不同)的TLMD。
小孔调节块中孔的大小与需要的阻尼率有关，制作成多块是为了方便深度较大的小孔钻取。
不同刚度K的弹簧可实现质量块振动的不同频率f，此f对应机器人端部在急停时的振动频率，因机器人型号不同、停止动作不同，f也不同。
工作时，所述电流变液通过深入导向轴的导线引入正电压，缸体外壳接地，导线另一端连接控制器，控制器可以按程序设计改变电压；按照机器人不同的振动状态，选择电流变液控制器输出的电压和控制程序设置。TLMD在机器人即将停止前都处于不工作状态。TLMD只在机器人即将停止前开始进行减振工作，降低机器人振动，提高定位精度。
在机器人往复摆动时，使用高电压让电流变液呈现高阻尼凝固态，让TLMD-中质量块无法振动从而停止工作，这样不影响机器人工作，不增加运动荷载；在机器人即将行进至停止工位时，使用特定电压呈现特定粘度的电流变液让TLMD中质量块按照机器人振动的频率工作，减少机器人在急停过程中的振动。如此达到减少机器人振动，提高其运动精度的目的。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种电流变液主动控制的液体调谐质量阻尼器，其特征在于，包括缸体（11）、质量块（12）、上堵头（6）、下堵头（20）、上导向轴（8）、下导向轴（17）、弹簧（15）及导线（1），所述上堵头（6）与下堵头（20）分别设置在缸体（11）的上下两端，所述质量块（12）设置在缸体（11）内，所述质量块（12）上端连接上导向轴（8），所述上导向轴（8）伸入上堵头（6）内，所述质量块（12）下端连接下导向轴（17），所述下导向轴（17）伸入下堵头（20）内，所述弹簧（15）设置在下堵头（20）与质量块（12）下端之间，用于支撑质量块（12），所述质量块（12）将缸体（11）内部分成两个腔体，在质量块（12）上下两端的腔体内填充有电流变液，所述质量块（12）上开设有将上下两个腔体连通的通孔，在通孔内设置有小孔调节块（13），所述小孔调节块（13）开设有轴向通透的小孔，所述电流变液可从小孔流经，所述导线（1）从上堵头（6）引入，并与上导向轴（8）连接，导线（1）外接电时，上导向轴（8）、质量块（12）、下导向轴（17）整体带电，电流变液会因电压的作用粘度变化从而显现出不同阻尼特性；
所述上堵头（6）内设置有上直线导向轴承（7），所述下堵头（20）内设置有下直线导向轴承（21），所述上导向轴（8）穿入上直线导向轴承（7），所述下导向轴（17）穿入下直线导向轴承（21）；
所述质量块（12）底部开孔，内衬弹簧绝缘帽（14），所述下堵头（20）上设置有绝缘板（16），所述弹簧（15）位于弹簧绝缘帽（14）与绝缘板（16）之间；
所述电流变液即为阻尼液，并可流过小孔调节块及质量块与缸体的缝隙；
所述上堵头（6）通过转换法兰（4）与机器人连接法兰（2）连接；
工作时，所述电流变液通过伸入上导向轴的导线引入正电压，缸体外壳接地，导线另一端连接控制器，控制器按程序设计改变电压；所述电流变液主动控制的液体调谐质量阻尼器在机器人即将停止前都处于不工作状态，电流变液主动控制的液体调谐质量阻尼器只在机器人即将停止时开始进行减振工作；
在机器人往复摆动时，使用高电压让电流变液呈现高阻尼凝固态，让电流变液主动控制的液体调谐质量阻尼器中质量块无法振动从而停止工作，不影响机器人工作，不增加运动荷载；在机器人即将行进至停止工位时，使用特定电压呈现特定粘度的电流变液让电流变液主动控制的液体调谐质量阻尼器中质量块按照机器人振动的频率工作，减少机器人在急停过程中的振动；如此达到减少机器人振动，提高其运动精度的目的。
2.根据权利要求1所述的一种电流变液主动控制的液体调谐质量阻尼器，其特征在于，所述上直线导向轴承（7）、下直线导向轴承（21）的外侧均为塑料外壳。
3.根据权利要求1所述的一种电流变液主动控制的液体调谐质量阻尼器，其特征在于，所述上堵头（6）与缸体（11）之间通过上锁紧螺母（9）连接，所述下堵头（20）与缸体（11）之间通过下锁紧螺母（19）连接。
4.根据权利要求1所述的一种电流变液主动控制的液体调谐质量阻尼器，其特征在于，所述上堵头（6）与缸体（11）之间设置有上密封圈（10），所述下堵头（20）与缸体（11）之间设置有下密封圈（18）。
5.根据权利要求1所述的一种电流变液主动控制的液体调谐质量阻尼器，其特征在于，所述机器人连接法兰（2）上设有用于与对应机器人端部螺孔通过螺钉连接的光孔（22）。
6.根据权利要求1所述的一种电流变液主动控制的液体调谐质量阻尼器，其特征在于，所述下堵头（20）上设有用于安装原本安装在机器人端部的设备的螺孔（23）。
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