CN109488721A - 一种两向无角位移减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于减振技术领域，并具体公开了一种两向无角位移减振装置，其包括无角位移机构、基板、位于基板上方的运动平台以及多组六自由度弹簧阻尼减振机构，无角位移机构包括位于基板和运动平台之间的浮动框架，浮动框架通过多组双球头关节连杆单元与基板相连，以形成三维空间内的平行四边形机构，保证浮动框架相对于基板可做水平运动及绕自身轴向的小幅度回转运动，浮动框架通过多组竖向直线导向单元与运动平台相连，保证运动平台相对于浮动框架只做垂向运动；多组六自由度弹簧阻尼减振机构设置在基板和运动平台之间，用于衰减由基板传至运动平台的各向振动。本发明具有减振效果好、竖向尺寸小等优点。

Description

一种两向无角位移减振装置

技术领域

本发明属于减振技术领域，更具体地，涉及一种两向无角位移减振装置。

背景技术

车载以及舰载光电平台是精密光学系统光学元件的安装、支撑平台，也是光学系统的工作平台，是保障精密光学系统有高光学质量输出的关键。但是光电平台在工作中经常面临着周围环境各个方向的碰撞、振动、冲击等机械环境损害，易造成精密光学系统光路失调甚至光学元件的损伤；同时光电平台工作中如果产生绕水平轴线的俯仰振动(角位移)会导致成像面上的线位移量成倍增大，对成像质量和瞄准精度影响极大，严重时整个光学系统将无法正常工作。除此之外，光电平台在车辆和舰船快速行进、加减速以及快速转弯时水平方向会受到较大的作用力，这就要求光电平台的重心不能过高以免平台发生倾覆，进而要求减振装置在竖向上的尺寸必须控制在一定的范围内。

专利CN101858402A公布了一种三向无角位移减振器，它通过将基板组件、摇杆组件和转接板组件相互铰接实现了转接板组件只能三向平动而无法转动的目的。但是该方案转动副皆为铰接形式，限制了转接板组件绕竖直轴线的转动，导致减振器在此方向上没有减振效果，因此，当载体产生严重的高频扭转振动时仅通过负载内部的主动控制系统是无法完全消除振动的，从而严重影响负载的正常工作。

综上，设计一种减振效果好、竖向尺寸小且能避免光电平台产生绕水平轴线的角位移的两向无角位移隔振装置将具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种两向无角位移减振装置，其通过对关键组件如六自由度弹簧阻尼减振机构、基板、运动平台及无角位移机构的结构及具体装配关系的研究和设计，可限制光电平台绕水平轴线的俯仰/偏摆振动，具有减振效果好、竖向尺寸小等优点。

为实现上述目的，本发明提出了一种两向无角位移减振装置，其包括无角位移机构、基板、位于基板上方的运动平台以及多组六自由度弹簧阻尼减振机构，其中，所述无角位移机构包括位于基板和运动平台之间的浮动框架，该浮动框架通过多组等长且垂直布置的双球头关节连杆单元与基板相连，保证浮动框架相对于基板做水平运动及绕自身轴向做回转运动，该浮动框架通过多组竖向直线导向单元与运动平台相连，保证运动平台相对于浮动框架只做垂向运动；所述多组六自由度弹簧阻尼减振机构设置在基板和运动平台之间，用于衰减由基板传至运动平台的各向振动。

作为进一步优选的，所述基板为环形板状，其上开设有用于安装双球头关节连杆单元的连杆单元安装孔以及用于安装六自由度弹簧阻尼减振机构的下安装孔，所述连杆单元安装孔的数量与双球头关节连杆单元的组数对应，所述下安装孔的数量与六自由度弹簧阻尼减振机构的组数对应，连杆单元安装孔和下安装孔均匀间隔分布。

作为进一步优选的，所述浮动框架为环形框架，环形框架上设置有向外延伸的与双球头关节连杆单元数目对应的阶梯型耳环。

作为进一步优选的，所述阶梯型耳环上开设有位于内侧的内侧安装孔以及位于外侧的外侧安装孔，所述外侧安装孔距基板的高度大于所述内侧安装孔距基板的高度。

作为进一步优选的，所述运动平台为环形板状，其上开设有用于安装六自由度弹簧阻尼减振机构的上安装孔，上安装孔的数量与六自由度弹簧阻尼减振机构的组数对应。

作为进一步优选的，所述双球头关节连杆单元包括两个球头座、双球头关节连杆以及两个压板，所述双球头关节连杆的两端连接有球头，两端的球头分别安装在两个球头座内，并可在两个球头座内自由转动从而形成转动副，两个压板分别位于两个球头座的内侧，且两个压板的中心轴线、双球头关节连杆的轴线以及两个球头座的轴线重合。

作为进一步优选的，所述竖向直线导向单元包括导柱、导套和限位螺母，该导柱的两端设有螺纹，所述导套套装在导柱的外部，其内表面与导柱间隙配合，使得导柱可沿导套上下滑动形成移动副，所述限位螺母固连在导柱的下端。

作为进一步优选的，所述六自由度弹簧阻尼减振机构包括中心轴线重合的弹簧、阻尼器和两个膜片，两个膜片安装在阻尼器的两端，弹簧套装在阻尼器的外侧，其上下两端与膜片接触但不固连。

作为进一步优选的，所述双球头关节连杆单元优选为四组，以形成三维空间内的平行四连杆机构，所述竖向直线导向单元和六自由度弹簧阻尼减振机构优选为四组。

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，主要具备以下的技术优点：

1.本发明研究设计的两向无角位移减振装置，通过各部件如六自由度弹簧阻尼减振机构、基板、浮动框架、运动平台、双球头关节连杆单元和竖向直线导向单元的相互配合作用，具有减振效果好、竖向尺寸小且能避免光电平台产生绕水平轴线角位移的优点。

2.本发明的无角位移机构由竖直布置的双球头关节连杆单元、浮动框架、竖向直线导向单元构成，结构新颖，使用移动副代替了部分转动副，相比其他无角位移机构，尤其是纯转动副无角位移机构，整体尺寸更小，结构更加可靠。

3.本发明浮动框架的阶梯型耳环的外侧安装孔距基板的高度大于内侧安装孔距基板的高度，通过改变两者的高度差能够改变整体减振装置的竖向尺寸，从而满足竖向尺寸小的要求。

4.本发明的浮动框架与基板之间通过双球头关节连杆连接，由此保证浮动框架及运动平台可绕Z轴在一定范围内做回转运动。

附图说明

图1是本发明实施例提供的两向无角位移减振装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的两向无角位移减振装置的结构原理图；

图3是本发明实施例提供的基板的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的双球头关节连杆单元的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的浮动框架的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的竖向直线导向单元的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的运动平台的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的六自由度弹簧阻尼减振机构的结构示意图。

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。

如图1所示，本发明实施例提供的一种两向无角位移减振装置，包括基板1、位于基板1上方的运动平台5、无角位移机构和多组六自由度弹簧阻尼减振机构6，其中，无角位移机构包括位于基板1和运动平台5之间的浮动框架3，基板1、浮动框架3和运动平台5相互平行，浮动框架3通过多组长度相等的双球头关节连杆单元2与基板1相连，以形成三维空间内的平行四边形机构，即基板、浮动框架及两组双球头关节连杆单元四者之间构成平行四边形结构，由此保证浮动框架3相对于基板1可以做水平运动(即沿X或Y向做平动)，同时由于连杆两端为球头关节，浮动框架也可以绕垂向(即Z轴)在一定范围内做回转运动；浮动框架3与运动平台5之间通过多组竖向直线导向单元4相连，通过竖向直线导向单元4保证运动平台5相对于浮动框架3只可以做垂向运动(即沿着Z轴运动)；多组六自由度弹簧阻尼减振机构6设置在基板1和运动平台5之间，用于衰减由基板1传至运动平台5的各向振动。

如图3所示，基板1为环形板状，其上开设有用于安装双球头关节连杆单元2的连杆单元安装孔1-1以及用于安装六自由度弹簧阻尼减振机构6的下安装孔1-2，连杆单元安装孔1-1的数量与双球头关节连杆单元2的组数对应，下安装孔1-2的数量与六自由度弹簧阻尼减振机构6的组数对应，连杆单元安装孔1-1和下安装孔1-2均匀间隔分布。具体的，下安装孔1-2的两侧设置有弹簧挡块1-3。优选的，设置有四个下安装孔1-2和四个连杆单元安装孔1-1，四个下安装孔1-2和四个连杆单元安装孔1-1依次间隔且均匀的开设在基板1上。

如图5所示，浮动框架3为环形框架，其上设置有向外延伸的与双球头关节连杆单元2数目对应的阶梯型耳环，该阶梯型耳环开设有位于内侧的内侧安装孔3-3以及位于外侧的外侧安装孔3-1，并且外侧安装孔3-1距基板1的高度大于内侧安装孔3-3距基板1的高度，通过改变两者的高度差改变整体减振装置的竖向尺寸，从而满足竖向尺寸小的要求，外侧安装孔3-1旁侧开设有螺钉孔3-2。

如图7所示，运动平台5为环形板状，其上开设有用于安装六自由度弹簧阻尼减振机构6的上安装孔5-2，上安装孔5-2的数量与六自由度弹簧阻尼减振机构6的组数对应。具体的，上安装孔5-2的两侧设置有弹簧挡块5-3，弹簧挡块5-3的外侧设置有螺钉孔5-1。

如图4所示，双球头关节连杆单元2包括两个球头座2-1、双球头关节连杆2-2以及两个压板2-3，双球头关节连杆2-2的两端连接有球头，两端的球头分别安装在两个球头座2-1内，两端的球头可在两个球头座2-1内自由转动从而形成转动副，两个压板2-3分别位于两个球头座2-1的内侧，且两个压板2-3的中心轴线、双球头关节连杆2-2的轴线以及两个球头座2-1的轴线重合。

如图6所示，竖向直线导向单元4包括导柱4-1、导套4-2和限位螺母4-3，该导柱4-1的两端设有螺纹，其下端螺纹直径稍小以便于安装时从导套中穿过，导套4-2套装在导柱4-1的外部，其内表面与导柱4-1间隙配合，使得导柱4-1可沿导套4-2上下滑动形成移动副，限位螺母4-3固连在导柱4-1的下端，在导柱上下振动时发挥限位作用。

如图8所示，六自由度弹簧阻尼减振机构6包括弹簧6-1、阻尼器6-2和两个膜片6-3，弹簧6-1、阻尼器6-2和两个膜片6-3的中心轴线重合，两个膜片6-3安装在阻尼器6-2的两端，弹簧6-1套装在阻尼器6-2的外侧，弹簧6-1两端并紧磨平，弹簧6-1上下两端与膜片接触但不固连，阻尼器6-2上下两端分别与膜片6-3通过螺钉6-4固连，阻尼器6-2的活塞杆及活塞可相对于自身缸体沿轴向平动和转动。具体的，为了减小膜片6-3绕自身X、Y轴的刚度，保证膜片内侧可绕自身的X、Y轴进行小幅度转动，从而在竖向空间较小的情况下发挥球头关节的功能，在膜片内侧不同圆周处分别设计了沿X向和Y向的半环形孔，且膜片的厚度设计为小于2mm，以此可以发挥球头关节的功能，并保证运动平台相对于基板平动时阻尼器可以发生一定的倾斜。

进一步的，双球头关节连杆单元2优选为四组，以形成三维空间内的平行四连杆机构，竖向直线导向单元4和六自由度弹簧阻尼减振机构6优选为四组。

根据图1至图8所示，本发明的两向无角位移减振装置的组装过程为：

首先分别将四组双球头关节连杆单元2和四组六自由度弹簧阻尼减振机构6按照图4、图8所示及上述实施方式组装完毕；然后将四组六自由度弹簧阻尼减振机构6的下端分别安装在基板1的四个下安装孔1-2上，安装时六自由度弹簧阻尼减振机构6中位于下方的膜片6-3插装在基板1的两弹簧挡块1-3上，并使弹簧6-1位于两弹簧挡块1-3内侧，同时保证六自由度弹簧阻尼减振机构6的轴线与下安装孔1-2的轴线重合，然后通过螺钉将膜片6-3与基板1连接；再将四组双球头关节连杆组件2下侧的球头座2-1分别安装在基板1的四个连杆单元安装孔1-1内，然后采用螺钉将下方的压板2-3与基板1的螺纹孔1-5连接，安装过程中需要保证双球头关节连杆2-2轴线与基板1的端面垂直；之后将四组竖向直线导向单元4的导套4-2分别安装在浮动框架3的四个均布内侧安装孔3-3内，内侧安装孔3-3与导套4-2外表面过盈配合以防止导套移动，然后分别将四根导柱4-1上端分别拧入运动平台的四个均布螺纹孔5-4内与运动平台5固连，在此安装过程中需要保证四根导柱4-1的轴线相互平行且与运动平台5的端面垂直，之后将四根导柱4-1从浮动框架3的上方穿过导套4-2，然后从内侧安装孔3-3的下端穿出，并在导柱下端安上限位螺母4-3；最后根据图1所示将上述安装好的浮动框架3、竖向直线导向单元4和运动平台5的整体安装在双球头关节连杆单元2和六自由度弹簧阻尼减振机构6的上方，将四组双球头关节连杆单元2上侧的球头座2-1分别安装在浮动框架3的外侧安装孔3-1内，并使用螺钉将双球头关节连杆单元2上侧的压板2-3与浮动框架3固定，四根双球头关节连杆相互平行布置；将四组六自由度弹簧阻尼减振机构6的上端安装在运动平台5上，安装方式与上述六自由度弹簧阻尼减振机构6与基板1的安装方式相同，即将六自由度弹簧阻尼减振机构6中位于上方的膜片6-3插装在运动平台5的两弹簧挡块5-3上，并使弹簧6-1位于两弹簧挡块5-3内侧，同时保证六自由度弹簧阻尼减振机构6的轴线与上安装孔5-2的轴线重合，然后通过螺钉穿过运动平台5上的螺钉孔5-1将运动平台5与膜片6-3相连。

本发明的两向无角位移减振装置应用对象是车载光电平台，应用时，采用螺栓和螺母通过基板1上的若干个螺纹孔1-4将本发明减振装置的基板1和载体固连，采用螺钉将运动平台5和光电平台固连，光电平台安装在运动平台之上，与运动平台保持同样的运动姿态，结合图2的结构原理图，其具体作用过程如下：当载体对基板1产生各向扰动时，由于基板1固连在载体(例如车身或者船身)上，因此基板1的振动状态与载体振动状态相同；浮动框架3通过四组长度相等的竖直布置的双球头关节连杆单元2与基板1连接，形成了四组三维空间内的平行四边形机构。当基板1受到X、Y、Z三向扰动后，基板1通过四组双球头关节连杆2带动浮动框架3运动，由于四组双球头关节连杆2长度相等且相互平行，则浮动框架3仅能平行于基板1沿X向或Y向运动；当基板1受到绕Z轴的扰动时，由于双球头关节连杆2-2两端为球头关节，球头关节可以在球头座2-1内自由转动，所以浮动框架3可绕Z轴在一定范围内做回转运动。因此，无论基板1在何向受到扰动，浮动框架3只能在平行于基板1的平面内平动以及绕自身的Z轴(即与基板垂直的方向)进行小范围的转动，而其相对于基板1无法作绕X轴和Y轴的角位移。

具体的，浮动框架3与运动平台5之间通过优选的四组等长的竖向直线导向单元4进行连接，由此保证运动平台5相对于浮动框架3只可以沿Z向平动。

本发明的无角位移装置无论基板1受到何向扰动，由于浮动框架3相对于基板1绕X、Y轴的角位移被限制，且运动平台5相对于浮动框架3只可以做Z向平动，因此上述两个结构的共同作用使运动平台5相对于基板1绕X、Y轴的角位移被限制，即本发明可以限制运动平台5绕X、Y轴的角位移，由于光电平台与运动平台5相互固连，因此光电平台也不会产生相对于基板绕X、Y轴的角位移，由于六自由度弹簧阻尼减振机构6安装在基板1和运动平台5之间，因此基板1传至运动平台5的各向振动都可以得到大幅度衰减。

在本发明的其它实施例中，双球头关节连杆单元2的个数也可以是三个，竖向直线导向单元4和六自由度弹簧阻尼减振机构6的个数也可以是三个或多个，主要根据空间布局和负载重量而定，球头座2-1与基板1及浮动框架3的安装孔之间也可以通过螺纹连接。

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，并不用以限制本发明，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 (9)

1.一种两向无角位移减振装置，其特征在于，包括无角位移机构、基板(1)、位于基板(1)上方的运动平台(5)以及多组六自由度弹簧阻尼减振机构(6)，其中，所述无角位移机构包括位于基板(1)和运动平台(5)之间的浮动框架(3)，该浮动框架(3)通过多组等长且垂直布置的双球头关节连杆单元(2)与基板(1)相连，保证浮动框架(3)能够相对于基板(1)做水平运动以及绕自身轴向做回转运动，该浮动框架(3)通过多组竖向直线导向单元(4)与运动平台(5)相连，保证运动平台(5)相对于浮动框架(3)只做垂向运动；所述多组六自由度弹簧阻尼减振机构(6)设置在基板(1)和运动平台(5)之间，用于衰减由基板(1)传至运动平台(5)的各向振动。

2.如权利要求1所述的两向无角位移减振装置，其特征在于，所述基板(1)为环形板状，其上开设有用于安装双球头关节连杆单元(2)的连杆单元安装孔(1-1)以及用于安装六自由度弹簧阻尼减振机构(6)的下安装孔(1-2)，所述连杆单元安装孔(1-1)的数量与双球头关节连杆单元(2)的组数对应，所述下安装孔(1-2)的数量与六自由度弹簧阻尼减振机构(6)的组数对应，连杆单元安装孔(1-1)和下安装孔(1-2)均匀间隔分布。

3.如权利要求1所述的两向无角位移减振装置，其特征在于，所述浮动框架(3)为环形框架，环形框架上设置有向外延伸的与双球头关节连杆单元(2)数目对应的阶梯型耳环。

4.如权利要求3所述的两向无角位移减振装置，其特征在于，所述阶梯型耳环上开设有位于内侧的内侧安装孔(3-3)以及位于外侧的外侧安装孔(3-1)，所述外侧安装孔(3-1)距基板(1)的高度大于所述内侧安装孔(3-3)距基板(1)的高度。

5.如权利要求1所述的两向无角位移减振装置，其特征在于，所述运动平台(5)为环形板状，其上开设有用于安装六自由度弹簧阻尼减振机构(6)的上安装孔(5-2)，上安装孔(5-2)的数量与六自由度弹簧阻尼减振机构(6)的组数对应。

6.如权利要求1所述的两向无角位移减振装置，其特征在于，所述双球头关节连杆单元(2)包括两个球头座(2-1)、双球头关节连杆(2-2)以及两个压板(2-3)，所述双球头关节连杆(2-2)的两端连接有球头，两端的球头分别安装在两个球头座(2-1)内，并可在两个球头座(2-1)内自由转动从而形成转动副，两个压板(2-3)分别位于两个球头座(2-1)的内侧，且两个压板(2-3)的中心轴线、双球头关节连杆(2-2)的轴线以及两个球头座(2-1)的轴线重合。

7.如权利要求1所述的两向无角位移减振装置，其特征在于，所述竖向直线导向单元(4)包括导柱(4-1)、导套(4-2)和限位螺母(4-3)，该导柱(4-1)的两端设有螺纹，所述导套(4-2)套装在导柱(4-1)的外部，其内表面与导柱(4-1)间隙配合，使得导柱(4-1)可沿导套(4-2)上下滑动形成移动副，所述限位螺母(4-3)固连在导柱(4-1)的下端。

8.如权利要求1-7任一项所述的两向无角位移减振装置，其特征在于，所述六自由度弹簧阻尼减振机构(6)包括中心轴线重合的弹簧(6-1)、阻尼器(6-2)和两个膜片(6-3)，两个膜片(6-3)安装在阻尼器(6-2)的两端，弹簧(6-1)套装在阻尼器(6-2)的外侧，其上下两端与膜片接触但不固连。

9.如权利要求1-8任一项所述的两向无角位移减振装置，其特征在于，所述双球头关节连杆单元(2)优选为四组，以形成三维空间内的平行四连杆机构，所述竖向直线导向单元(4)和六自由度弹簧阻尼减振机构(6)优选为四组。