CN109027114A - 一种电磁式六自由度可变刚度隔振系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电磁式六自由度可变刚度隔振系统，可以包括上板和基板，上板和基板之间交错连接有六个电磁隔振单元；电磁隔振单元包括中间轴和固定连接的上壳体和下壳体，上壳体顶端安装有上端盖，下壳体底端安装有下端盖；中间轴一端通过滑动轴承穿设于上壳体内，并通过螺旋弹簧连接有弹簧支座，弹簧支座与下端盖固定连接，中间轴另一端通过第一万向节与上板连接；弹簧支座底端通过第二万向节与基板连接；中间轴上设置有永磁体，永磁体外侧设置有电磁线圈，电磁线圈的内径大于永磁体的外径，永磁体和电磁线圈位于上壳体内。本发明提供的电磁式六自由度可变刚度隔振系统，可实现空间内六个自由度全方位隔振，隔振性能最大化。

Description

一种电磁式六自由度可变刚度隔振系统

技术领域

本发明涉及隔振系统技术领域，特别是涉及一种电磁式六自由度可变刚度隔振系统。

背景技术

振动在机械工程领域十分常见。在振动过程中，如果振动程度超过一定范围，不仅会使会产生大的噪声，对其周围环境产生不良影响，影响设备的工作性能，缩短其使用寿命，使相关零部件失效，严重地甚至会产生安全事故，对生命财产安全产生威胁。因此，在现有的机械设备安装中，以减小振动为目的的隔振装置是整个产品不可缺少的一部分。为了消除安装固定面振动对设备的影响，通常都在设备与固定面之间安装有减振装置。

常用的减振装置建立在粘性阻尼与正刚度弹簧模型的基础之上。由振动理论可知，当振动的频率大于固有频率的倍时，振动的传递率小于1，即此时才有实际意义上的减振效果。由于固有频率装置的固有频率与装置整体的刚度成正相关，与装置的质量成负相关，即增大装置的整体质量会降低其固有频率，减小装置的整体刚度也将会减小其固有频率。为了获得更好的隔振性能，过去常通过增大质量的方式或降低刚度的方式降低固有频率，但这也导致了装置体积过大，静变形过大，承载力小的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种电磁式六自由度可变刚度隔振系统，以解决上述现有技术存在的问题，可实现空间内六个自由度全方位隔振，隔振性能最大化。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种电磁式六自由度可变刚度隔振系统，包括上板和基板，所述上板和基板之间交错连接有六个电磁隔振单元；所述电磁隔振单元包括中间轴和固定连接的上壳体和下壳体，所述上壳体顶端安装有上端盖，所述下壳体底端安装有下端盖；所述中间轴一端通过滑动轴承穿设于所述上壳体内，并通过螺旋弹簧连接有弹簧支座，所述弹簧支座与所述下端盖固定连接，所述中间轴另一端通过第一万向节与所述上板连接；所述弹簧支座底端通过第二万向节与所述基板连接；所述中间轴上设置有永磁体，所述永磁体外侧设置有电磁线圈，所述电磁线圈的内径大于所述永磁体的外径，所述永磁体和电磁线圈位于所述上壳体内。

可选的，所述第一万向节通过第一法兰与所述上板固定连接，所述第二万向节通过第二法兰与所述基板固定连接。

可选的，所述第一万向节包括十字轴，所述十字轴两端分别连接有第一传动轴叉和第二传动轴叉；所述第一传动轴叉与所述第一法兰连接，所述第二传动轴叉与所述中间轴的顶部连接；所述第二万向节结构与所述第一万向节结构相同。

可选的，所述中间轴上依次设置有第一固定环、第二固定环和第三固定环；所述永磁体位于所述第一固定环和第二固定环之间；所述螺旋弹簧位于所述第三固定环与所述弹簧支座之间。

可选的，所述上壳体侧壁上开设有观察槽；所述上壳体的底部和所述下壳体的两端均分别设置有环形凸缘，所述环形凸缘上开设有螺纹孔，所述上壳体底部和所述下壳体顶部在螺纹孔处通过螺栓和螺母固定连接，所述下壳体底部通过螺栓和螺母与所述下端盖固定连接；所述上端盖位于所述滑动轴承与所述上壳体之间。

可选的，所述弹簧支座中心设置有圆柱形的凸起，所述下端盖中心开设有通孔，所述弹簧支座的凸起穿过所述下端盖的通孔后与所述螺旋弹簧连接；所述弹簧支座的上端与所述下端盖底部固定连接，所述弹簧支座下端与所述第二万向节固定连接。

可选的，所述上板为圆环状结构，所述第一法兰与所述上板的环形面固定连接。

可选的，所述基板为等边三角形结构，包括三个结构相同的条形板；所述第二法兰与相邻两个条形板的连接处固定连接。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的电磁式六自由度可变刚度隔振系统，通过改变永磁体及线圈的层数、以及调节供电电流的大小，可以改变电磁线圈产生的磁场的强度大小和磁感应线分布，从而改变永磁体与电磁线圈之间的电磁力，当该电磁力与螺旋弹簧的弹性恢复力大小相等、方向相反时，系统对外表现为综合刚度为零，从面实现了准零刚度，此时隔振性能达到最优。其次，由于因此，可以根据负载大小以及隔振等级要求，主动调节系统的综合刚度，最终达到提高隔振装置对不同振源的隔振能力和扩大系统的使用范围的目的。其次，由于电磁力的大小可以通过调节电流的大小来实现，因此该系统可以适应不同的负载要求。当负载较轻时，可以选用刚度系数较小的螺旋弹簧来支撑负载，此时仅需要较小的电磁力即可实现准零刚度；当负载较大时则选用刚度较大的螺旋弹簧，此时需要较大的电磁力来实现准零刚度。第三，该隔振系统采用模块化设计，由六个完全相同的可变刚度模块组成，六个模块交叉排列，实现了空间内六个自由度的隔振，进一步提高了对复杂振源的适应能力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电磁式六自由度可变刚度隔振系统的等轴测图；

图2为本发明电磁式六自由度可变刚度隔振系统主视图；

图3为本发明电磁隔振单元结构示意图；

图4为本发明电磁隔振单元剖视图；

图5为本发明第一万向节结构示意图；

图6为本发明第一万向节另一角度结构示意图；

图7为本发明第一万向节立体示意图；

图8为本发明中间轴及轴上零件结构示意图；

图9为本发明上壳体立体结构示意图；

图10为本发明上壳体主视图；

图11为本发明上壳体剖视图；

图12为本发明第二万向节主视图；

图13为本发明第二万向节剖视图；

图14为本发明第二万向节立体图；

图15为本发明下端盖结构示意图；

图16为本发明弹簧支座结构示意图；

其中，1为上板、2为基板、3为万向节、4为电磁隔振单元、301为第一万向节、3011为第一传动轴叉、3012为十字轴、3013为第二传动轴叉、302为第二万向节、401为第一法兰、402为中间轴、403为滑动轴承、404为上端盖、405为上壳体、406为电磁线圈、407为下壳体、408为下端盖、409为第二法兰、410为永磁体、411为第三固定环、412为螺旋弹簧、413为弹簧支座、414为第二固定环、415为第一固定环、416为第三法兰。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种电磁式六自由度可变刚度隔振系统，以解决上述现有技术存在的问题，可实现空间内六个自由度全方位隔振，隔振性能最大化。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种电磁式六自由度可变刚度隔振系统，如图1、图2和图3所示，包括上板1和基板2，上板1和基板2之间交错连接有六个电磁隔振单元4；电磁隔振单元4包括中间轴402和固定连接的上壳体405和下壳体407，上壳体405顶端安装有上端盖404，下壳体407底端安装有下端盖408；中间轴402一端通过滑动轴承403穿设于上壳体405内，并通过螺旋弹簧412连接有弹簧支座413，弹簧支座413与下端盖408固定连接，中间轴402另一端通过第一万向节301与上板1连接；弹簧支座413底端通过第二万向节302与基板2连接；中间轴402上设置有永磁体410，永磁体410外侧设置有电磁线圈406，电磁线圈406的内径大于永磁体410的外径，永磁体410和电磁线圈406位于上壳体405内。

具体的，如图1至图16所示，六自由度电磁隔振装置由上板1、基板2、十二个万向节3和六个刚度可调式的电磁隔振单元4组成。电磁隔振单元4的两端分别通过两个万向节3，与上板1和基板2相连接。为了减轻上板1和基板2的重量，在上板1和基板2上挖去一部分，仅预留一部分空间来作为螺纹孔的加工空间，用以安装负载设备。电磁隔振单元4由第一法兰401、第一万向节301和第二万向节302、中间轴402、滑动轴承403、上端盖404、上壳体405、电磁线圈406、下壳体407、下端盖408、第二法兰409、第三法兰416、永磁体410、第一固定环415、第二固定环414、第三固定环411、螺旋弹簧412、弹簧支座413组成。

第一万向节301由第一传动轴叉3011，十字轴3012和第二传动轴叉3013组成。第一法兰401的上端通过螺栓与上板1固接，下端与第一万向节301的第一传动轴叉3011连接。

第一万向节301的第二传动轴叉3013与中间轴402连接。中间轴402由上至下依次穿过滑动轴承403、上端盖404、上壳体405、下壳体407，并最终与螺旋弹簧412相连接，螺旋弹簧412与弹簧支座413未接触。滑动轴承403与上端盖404通过螺栓之间通过螺栓固定，上端盖404与上壳体405之间也通过螺栓固定。中间轴402可以在滑动轴承403内作轴向运动。

中间轴402上由上至下依次嵌套有第一轴向固定环415，六块永磁体410，第二固定环414和第三固定环411。六块永磁体410彼此紧密接触，且极性相斥，通过第一固定环415和第二固定环414固定于中间轴402上。中间轴402的下端伸入至螺旋弹簧412内，使用过程中，固定于中间轴402下部的第三固定环411与螺旋弹簧412接触并发生相互作用，将螺旋弹簧412产生的弹性力传至中间轴402上。

上壳体405内壁上固定有六个电磁线圈406，电磁线圈406与上壳体之间无相对滑动。相邻的两个电磁线圈406彼此紧密接触，为了便于观察电磁线圈406的安装是否到位，上壳体405上加工有槽。使用过程时与外部电源相连接，相邻两组电磁线圈406内的所通的电流大小相等、方向相反。电磁线圈406的内径大于永磁体410的外径，因此当中间轴402作轴向运动时，电磁线圈406与永磁体410之前不会发生运动干涉。

上壳体405的下端与下壳体407的上端分别加工有环形凸缘，环形凸缘上加工有螺纹孔，通过螺栓及螺母将上下壳体固定。下壳体407的下端亦加工有环形凸缘及孔，通过螺栓及螺母与下端盖408固定。

下端盖408的中心加工有通孔，弹簧支座413的突起部分直接从通孔内伸出，并与弹簧相连接。弹簧支座413的上端通过螺栓和下端盖408连接，下端与第二万向节302的第一传动轴叉连接。位于第二万向节302下端的第二传动轴叉与第三法兰416连接。第三法兰416通过螺栓与基板2连接。

进一步优选的，第一万向节301通过第一法兰401与上板1固定连接，第二万向节302通过第二法兰416与基板2固定连接。第一万向节301包括十字轴3012，十字轴3012两端分别连接有第一传动轴叉3011和第二传动轴叉3013；第一传动轴叉3011与第一法兰401连接，第二传动轴叉与中间轴402的顶部连接；第二万向节302结构与第一万向301节结构相同。

中间轴402上依次设置有第一固定环415、第二固定环414和第三固定环411；永磁体410位于第一固定环415和第二固定环414之间；螺旋弹簧412位于第三固定环411与弹簧支座413之间。上壳体405侧壁上开设有观察槽；上壳体405的底部和下壳体407的两端均分别设置有环形凸缘，环形凸缘上开设有螺纹孔，上壳体405底部和下壳体407顶部在螺纹孔处通过螺栓和螺母固定连接，下壳体407底部通过螺栓和螺母与下端盖408固定连接；上端盖404位于滑动轴承403与上壳体405之间。

弹簧支座413中心设置有圆柱形的凸起，下端盖408中心开设有通孔，弹簧支座413的凸起穿过下端盖408的通孔后与螺旋弹簧412连接；弹簧支座413的上端与下端盖408底部固定连接，弹簧支座413下端与第二万向节302固定连接。上板1为圆环状结构，第一法兰401与上板1的环形面固定连接。基板2为等边三角形结构，包括三个结构相同的条形板；第二法兰416与相邻两个条形板的连接处固定连接。

当中间轴402产生轴向的相对运动时，假设螺旋弹簧412产生形变量d和恢复力F₁，该力通过第三固定环作用于中间轴402上，方向沿中间轴402的轴向；同时，由于永磁体410和通电的电磁线圈406发生磁场相对作用而产生电磁力F₂，且该电磁力也作用于中间轴402上且沿中间轴402的轴向。工作时，调整电磁线圈内的电流方向，使电磁力F₂的方向与F₁相反，则中间轴受到的合力为F＝F₁-F₂，刚度表达式为改变电磁线圈406内通过的电流大小，可以改变电磁力F₂的大小，当电流达到一定值时，电磁力F₂大小与恢复力F₁相等，此时K＝0，即可变刚度模块达到零刚度，不再传递任何运动，理论隔振性能达到最优。六个可变刚度模块交叉并列布置，当每一个可变刚度模块的刚度为零时，电磁式六自由度准零刚度隔振系统在各个方向上的刚度也为零，此时整个系统将不再传递任何运动，理论隔振性能达到最优。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种电磁式六自由度可变刚度隔振系统，其特征在于：包括上板和基板，所述上板和基板之间交错连接有六个电磁隔振单元；所述电磁隔振单元包括中间轴和固定连接的上壳体和下壳体，所述上壳体顶端安装有上端盖，所述下壳体底端安装有下端盖；所述中间轴一端通过滑动轴承穿设于所述上壳体内，并通过螺旋弹簧连接有弹簧支座，所述弹簧支座与所述下端盖固定连接，所述中间轴另一端通过第一万向节与所述上板连接；所述弹簧支座底端通过第二万向节与所述基板连接；所述中间轴上设置有永磁体，所述永磁体外侧设置有电磁线圈，所述电磁线圈的内径大于所述永磁体的外径，所述永磁体和电磁线圈位于所述上壳体内。

2.根据权利要求1所述的电磁式六自由度可变刚度隔振系统，其特征在于：所述第一万向节通过第一法兰与所述上板固定连接，所述第二万向节通过第二法兰与所述基板固定连接。

3.根据权利要求2所述的电磁式六自由度可变刚度隔振系统，其特征在于：所述第一万向节包括十字轴，所述十字轴两端分别连接有第一传动轴叉和第二传动轴叉；所述第一传动轴叉与所述第一法兰连接，所述第二传动轴叉与所述中间轴的顶部连接；所述第二万向节结构与所述第一万向节结构相同。

4.根据权利要求1所述的电磁式六自由度可变刚度隔振系统，其特征在于：所述中间轴上依次设置有第一固定环、第二固定环和第三固定环；所述永磁体位于所述第一固定环和第二固定环之间；所述螺旋弹簧位于所述第三固定环与所述弹簧支座之间。

5.根据权利要求1所述的电磁式六自由度可变刚度隔振系统，其特征在于：所述上壳体侧壁上开设有观察槽；所述上壳体的底部和所述下壳体的两端均分别设置有环形凸缘，所述环形凸缘上开设有螺纹孔，所述上壳体底部和所述下壳体顶部在螺纹孔处通过螺栓和螺母固定连接，所述下壳体底部通过螺栓和螺母与所述下端盖固定连接；所述上端盖位于所述滑动轴承与所述上壳体之间。

6.根据权利要求1所述的电磁式六自由度可变刚度隔振系统，其特征在于：所述弹簧支座中心设置有圆柱形的凸起，所述下端盖中心开设有通孔，所述弹簧支座的凸起穿过所述下端盖的通孔后与所述螺旋弹簧连接；所述弹簧支座的上端与所述下端盖底部固定连接，所述弹簧支座下端与所述第二万向节固定连接。

7.根据权利要求2所述的电磁式六自由度可变刚度隔振系统，其特征在于：所述上板为圆环状结构，所述第一法兰与所述上板的环形面固定连接。

8.根据权利要求2所述的电磁式六自由度可变刚度隔振系统，其特征在于：所述基板为等边三角形结构，包括三个结构相同的条形板；所述第二法兰与相邻两个条形板的连接处固定连接。