CN108533669A - 基于电磁负刚度的空间六自由度主被动隔振平台及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于电磁负刚度的空间六自由度主被动隔振平台及方法，包括载荷平台、基础平台以及通过连接件固定在载荷平台与基础平台之间的六个电磁负刚度隔振器；相邻两个隔振器沿轴向相互垂直，载荷平台相对基础平台有六个自由度；电磁负刚度隔振器包括作动杆、上外壳、下外壳、组合碟簧、底座、底部支撑杆以及两组励磁装置；作动杆通过十字梁弹簧片与上外壳固定连接，十字梁弹簧片上粘贴应变传感器，用于检测作动杆的轴向位移；每个隔振器均可实现等效电磁负刚度的主动控制，故隔振平台在六个自由度上均为正负刚度并联结构，具有较低的共振频率与很宽的隔振频带，可以有效的抑制空间六自由度方向的微振动；本发明适用于航天航空、精密仪器等领域的设备微振动主被动隔振。
Description
技术领域
本发明涉及微振动主被动隔振技术领域，具体涉及一种基于电磁负刚度的空间六自由度主被动隔振平台及方法。
背景技术
随着航天技术的发展，对航天器指向机构、稳像设备、精密仪器的振动抑制等级要求越来越高，Stewart平台作为一种空间多自由度微振动隔振系统被广泛的应用于航天精密仪器的微振动环境。在振动隔振系统中，由于被动隔振必须在系统共振频率倍以上的工作频带才能有效抑制振动，只有降低系统的共振频率才能扩大隔振频带范围，提高隔振效果。降低系统共振频率一般通过降低系统刚度或增加系统质量来实现，但是在实际应用中会受到系统支撑刚度与空间应用需求的限制而难以实施。采用正刚度机构与负刚度机构并联可以实现系统共振频率的降低，提高隔振频带范围。负刚度隔振器具有高静刚度、低动刚度的特点，与正刚度机构并联连接，从而降低系统的共振频率。但是此类负刚度隔振结构多属于被动隔振，其结构设计完成后，不能根据实际振动变化灵活调节。因此设计空间多自由度主动式负刚度隔振系统具有重要的应用价值。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于电磁负刚度的空间六自由度主被动隔振平台及方法，实现空间六自由度的微振动主被动控制，具有较高的隔振频带范围，对低频振动具有很好的抑制效果。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于电磁负刚度的空间六自由度主被动隔振平台，包括载荷平台1、基础平台2、连接载荷平台1与基础平台2的六个电磁负刚度隔振器3；电磁负刚度隔振器3的作动杆7顶部固定连接万向型柔性铰链6，与安装在载荷平台1下部的第一固定连接件4连接，电磁负刚度隔振器3的底部支撑杆13通过螺纹与安装在基础平台2上的第二固定连接件5连接；相邻两个电磁负刚度隔振器3沿轴向相互垂直安装；载荷平台1相对基础平台2有x、y、z三个方向的平动自由度和θx、θy、θz三个转动自由度。
电磁负刚度隔振器3包括作动杆7、上外壳10、下外壳11、底座12和底部支撑杆13；作动杆7通过十字梁弹簧片8与上外壳10固定连接，十字梁弹簧片8上粘贴应变传感器9；电磁负刚度隔振器3的上外壳10和下外壳11内部分别安装两组相同结构的励磁装置，即上端励磁装置和下端励磁装置；上端励磁装置包括同轴心布置的上端定子15-1、上端线圈16-1和上端骨架17-1。上端线圈16-1缠绕在上端骨架17-1上，上端骨架17-1安装在上端定子15-1上；下端励磁装置包括同轴心布置的采用相同结构安装的下端定子15-2、下端线圈16-2和下端骨架17-2。上端定子15-1和下端定子15-2分别安装在环形固定铁芯20的上下两侧，环形固定铁芯20中间安装有环形永磁体19，环形固定铁芯20与环形永磁体19通过粘接剂粘贴固定；环形永磁体19中间安装橡胶垫片21，与环形动子18固定连接；上端定子15-1和下端定子15-2与环形动子18之间留有气隙；环形动子18中心通过内螺纹与作动杆7固定连接，作动杆7的底部通过组合碟簧14与底座12固定连接，底座12下端通过螺纹与支撑杆13固定连接。
所述万向型柔性铰链6、作动杆7、十字梁弹簧片8、上外壳10、下外壳11、底座12和支撑杆13均采用硬铝合金材料。
所述环形动子18、环形永磁体19和环形固定铁芯20均采用高磁导率的软磁材料。
所述环形永磁体19采用钕铁硼材料，沿径向内侧面为N极，外侧面为S极。
所述组合弹簧14采用非导磁弹簧组成。
所述的基于电磁负刚度的空间六自由度主被动隔振平台的主被动隔振方法，当载荷平台1受到扰动而产生微振动时，十字梁弹簧片8和组合碟簧14作为系统弹性元件，提供系统正刚度，实现被动振动抑制作用；十字梁弹簧片8上的应变传感器9将检测到的沿作动杆7轴向扰动位移反馈给主控器，经过换算得到载荷平台1在空间六自由度方向的振动信息，给电磁负刚度隔振器3的上端线圈16-1和下端线圈16-2输入相同的电流信号，通电线圈产生励磁磁场，该励磁磁场方向随电流方向变化，并叠加到环形永磁体19产生的偏置磁场，通过上端定子15-1和下端定子15-2与环形动子18之间的气隙作用到环形动子18上；环形动子18产生电磁应力；由于环形动子18的运动方向与电磁应力方向一致，可等效为一个具有负刚度效应的电磁弹簧；该负刚度与十字梁弹簧片8以及组合碟簧14提供的正刚度并联连接，实现隔振器的总体等效刚度降低，从而降低隔振器的共振频率，提高隔振器的工作频率带宽；六个电磁负刚度隔振器3协同工作，实现空间六个自由度上的微振动主被动隔振控制。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1)本发明采用电磁应力驱动方式，相比安培力驱动方式，利用磁场叠加，使运动部件产生轴向运动，响应速度快，驱动力大，频带范围宽。
2)本发明采用主动电磁负刚度控制方式，相比传统的负刚度隔振器、准零刚度隔振器，实现负刚度的主动控制，可根据实际振动环境灵活调节隔振系统以适应外界振动变化。
3)本发明采用主动电磁负刚度控制，隔振频带范围大，系统共振频率低，可根据实际被控对象选择不同的控制策略，应用范围广。
4)本发明是一种简单、高效的多自由度主被动隔振系统，不仅可以隔离高频振动，还可以有效的抑制低频振动。
附图说明
图1为本发明六自由度主被动隔振平台总体结构示意图。
图2为本发明六自由度主被动隔振平台总体结构正视图。
图3为本发明电磁负刚度隔振器结构示意图。
图4为本发明电磁负刚度隔振器结构剖面图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施，对本发明作进一步的详细描述。
如图1和图2所示，本发明一种基于电磁负刚度的空间六自由度主被动隔振平台，包括载荷平台1、基础平台2、连接载荷平台1与基础平台2的六个电磁负刚度隔振器3。电磁负刚度隔振器3的作动杆7顶部固定连接万向型柔性铰链6，与安装在载荷平台1下部的第一固定连接件4连接。电磁负刚度隔振器3的底部支撑杆13通过螺纹与安装在基础平台2上的第二固定连接件5连接。相邻两个电磁负刚度隔振器3呈轴向相互垂直安装。载荷平台1相对基础平台1有x、y、z三个方向的平动自由度和θx、θy、θz三个转动自由度。
如图3和图4所示，本发明一种基于电磁负刚度的空间六自由度主被动隔振平台，电磁负刚度隔振器3包括作动杆7、上外壳10、下外壳11、底座12和底部支撑杆13。作动杆7通过十字梁弹簧片8与上外壳10固定连接。十字梁弹簧片8上粘贴应变传感器9。电磁负刚度隔振器3的上外壳10和下外壳11内部上下安装两组相同结构的励磁装置，即上端励磁装置和下端励磁装置；上端励磁装置包括同轴心布置的上端定子15-1、上端线圈16-1和上端骨架17-1。上端线圈16-1缠绕在上端骨架17-1上，上端骨架17-1安装在上端定子15-1上。下端励磁装置包括同轴心布置的采用相同结构安装的下端定子15-2、下端线圈16-2和下端骨架17-2。上端定子15-1和下端定子15-2分别安装在环形固定铁芯20的上下两侧。环形固定铁芯20中间安装有环形永磁体19，环形固定铁芯20与环形永磁体19通过粘接剂粘贴固定。环形永磁体19中间安装环形动子18。上端定子15-1和下端定子15-2与环形动子18之间留有气隙；环形动子18中心通过内螺纹与作动杆7固定连接。作动杆7的底部通过组合碟簧14与底座12固定连接。底座12下端通过螺纹与支撑杆13固定连接。
作为本发明的优选实施方式，万向型柔性铰链6、作动杆7、十字梁弹簧片8、上外壳10、下外壳11、底座12和支撑杆13均采用硬铝合金材料。
作为本发明的优选实施方式，环形动子18、环形永磁体19和环形固定铁芯20均采用高磁导率的软磁材料。
作为本发明的优选实施方式，环形永磁体19采用钕铁硼材料，沿径向内侧面为N极，外侧面为S极。
作为本发明的优选实施方式，组合弹簧14采用非导磁弹簧组成。
本发明基于电磁负刚度的空间六自由度主被动隔振平台的主被动隔振方法：当载荷平台1受到扰动而产生微振动时，十字梁弹簧片8和组合碟簧14作为系统弹性元件，提供系统正刚度，实现被动振动抑制作用；十字梁弹簧片8上的应变传感器9将检测到的沿作动杆7轴向扰动位移反馈给主控器，经过换算得到载荷平台1在空间六自由度方向的振动信息，给电磁负刚度隔振器3的上端线圈16-1和下端线圈16-2输入相同的电流信号，通电线圈产生励磁磁场，该励磁磁场方向随电流方向变化，并叠加到环形永磁体19产生的偏置磁场，通过上端定子15-1和下端定子15-2与环形动子18之间的气隙作用到环形动子18上；环形动子18产生电磁应力；由于环形动子18的运动方向与电磁应力方向一致，可等效为一个具有负刚度效应的电磁弹簧；该负刚度与十字梁弹簧片8以及组合碟簧14提供的正刚度并联连接，实现隔振器的总体等效刚度降低，从而降低隔振器的共振频率，提高隔振器的工作频率带宽。六个电磁负刚度隔振器协同工作，可实现空间六个自由度上的微振动主被动隔振控制。
Claims (7)
1.一种基于电磁负刚度的空间六自由度主被动隔振平台，其特征在于：包括载荷平台(1)、基础平台(2)、连接载荷平台(1)与基础平台(2)的六个电磁负刚度隔振器(3)；电磁负刚度隔振器(3)作动杆顶部安装有万向型柔性铰链(6)，与安装在载荷平台(1)下部的第一固定连接件(4)连接，电磁负刚度隔振器(3)的底部支撑杆(13)通过螺纹与安装在基础平台(2)上的第二固定连接件(5)连接；相邻两个电磁负刚度隔振器(3)呈轴向相互垂直安装；载荷平台(1)相对基础平台(2)有三个平动自由度x、y、z和三个转动自由度θx、θy、θz。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁负刚度的空间六自由度主被动隔振平台，其特征在于：所述电磁负刚度隔振器(3)包括作动杆(7)、上外壳(10)、下外壳(11)、底座(12)和底部支撑杆(13)；作动杆(7)通过十字梁弹簧片(8)与上外壳(10)固定连接，十字梁弹簧片(8)上粘贴应变传感器(9)；电磁负刚度隔振器(3)的上外壳(10)和下外壳(11)内部分别安装两组相同结构的励磁装置，即上端励磁装置和下端励磁装置；上端励磁装置包括同轴心布置的上端定子(15-1)、上端线圈(16-1)和上端骨架(17-1)，上端线圈(16-1)缠绕在上端骨架(17-1)上，上端骨架(17-1)安装在上端定子(15-1)上；下端励磁装置包括同轴心布置的采用相同结构安装的下端定子(15-2)、下端线圈(16-2)和下端骨架(17-2)；上端定子(15-1)和下端定子(15-2)分别安装在环形固定铁芯(20)的上下两侧，环形固定铁芯(20)中间安装有环形永磁体(19)，环形固定铁芯(20)与环形永磁体(19)通过粘接剂粘贴固定；环形永磁体(19)中间安装橡胶垫片(21)，与环形动子(18)固定连接；上端定子(15-1)和下端定子(15-2)与环形动子(18)之间留有气隙；环形动子(18)中心通过内螺纹与作动杆(7)固定连接，作动杆(7)的底部通过组合碟簧(14)与底座(12)固定连接，底座(12)下端通过螺纹与支撑杆(13)固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于电磁负刚度的空间六自由度主被动隔振平台，其特征在于：所述万向型柔性铰链(6)、作动杆(7)、十字梁弹簧片(8)、上外壳(10)、下外壳(11)、底座(12)和支撑杆(13)均采用硬铝合金材料。
4.根据权利要求2所述的一种基于电磁负刚度的空间六自由度主被动隔振平台，其特征在于：所述环形动子(18)、环形永磁体(19)和环形固定铁芯(20)均采用高磁导率的软磁材料。
5.根据权利要求2所述的一种基于电磁负刚度的空间六自由度主被动隔振平台，其特征在于：所述环形永磁体(19)采用钕铁硼材料，沿环向内侧面为N极，外侧面为S极。
6.根据权利要求2所述的一种基于电磁负刚度的空间六自由度主被动隔振平台，其特征在于：所述组合碟簧(14)采用非导磁弹簧组成。
7.权利要求1至6任一项所述的基于电磁负刚度的空间六自由度主被动隔振平台的主被动隔振方法，其特征在于：当载荷平台(1)受到扰动而产生微振动时，十字梁弹簧片(8)和组合碟簧(14)作为系统弹性元件，提供系统正刚度，实现被动振动抑制作用；十字梁弹簧片(8)上的应变传感器(9)将检测到的沿作动杆(7)轴向扰动位移反馈给主控器，经过换算得到载荷平台(1)在空间六自由度方向的振动信息，给电磁负刚度隔振器(3)的上端线圈(16-1)和下端线圈(16-2)输入相同的电流信号，通电线圈产生励磁磁场，该励磁磁场方向随电流方向变化，并叠加到环形永磁体(19)产生的偏置磁场，通过上端定子(15-1)和下端定子(15-2)与环形动子(18)之间的气隙作用到环形动子(18)上；环形动子(18)产生电磁应力；由于环形动子(18)的运动方向与电磁应力方向一致，可等效为一个具有负刚度效应的电磁弹簧；该负刚度与十字梁弹簧片(8)以及组合碟簧(14)提供的正刚度并联连接，实现隔振器的总体等效刚度降低，从而降低隔振器的共振频率，提高隔振器的工作频率带宽；六个电磁负刚度隔振器(3)协同工作，实现空间六个自由度上的微振动主被动隔振控制。
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