CN109630602A - 一种基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统 - Google Patents

一种基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统，包括上平台和下平台，上平台和下平台相对设置，上平台和下平台之间设置有六个隔振装置，六个隔振装置按照Stewart平台方式布置，隔振装置的一端套设有第一膜片弹簧，隔振装置的另一端套设有第二膜片弹簧，隔振装置包括导向轴，导向轴外侧设置有磁铁组，磁铁组外侧设置有线圈组，磁铁组与线圈组之间设有间隙，线圈组外侧设置有外筒。本发明利用永磁铁和导电线圈之间相互作用力实现可调节的非线性负刚度，第一膜片弹簧和第二膜片弹簧则提供正刚度，正负刚度的组合实现工作位置附近的准零刚度，该装置具有结构简单，刚度可控等优点，有效地降低隔振系统的固有频率，进而拓宽了隔振频带。

Description

一种基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统
技术领域
本发明涉及半主动隔振技术领域，特别是涉及一种基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统。
背景技术
随着科学技术的不断发展，机械设备逐渐向精密化，智能化的方向发展，对于工作环境的要求也变得越来越苛刻。振动不但会影响精密的仪器设备的使用寿命，还会影响仪器设备(如光学相机)的使用效果。例如，对于精密机床、显微镜等精密设备，来自周围环境中的低频振动会严重影响设备使用精度，因此我们需要对振动进行控制。隔振是振动控制的重要手段。根据不同的隔振原理，针对不同的应用场合，国内外研究人员研究了各种主动，半主动或被动的隔振方式。但是主动隔振存在能耗大、结构复杂，造价昂贵等缺点。而传统的被动隔振系统，隔振频带受到固有频率的限制，只在高频段有较好的隔振效果，很难实现低频隔振，且缺乏可调节能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统，以解决上述现有技术存在的问题，使隔振系统达到准零刚度，隔振频带得到扩展。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统，包括上平台和下平台，所述上平台和所述下平台相对设置，所述上平台和所述下平台之间设置有六个隔振装置，六个所述隔振装置按照Stewart平台方式布置，所述隔振装置的一端套设有第一膜片弹簧，所述隔振装置的另一端套设有第二膜片弹簧，所述隔振装置包括导向轴，所述导向轴外侧设置有磁铁组，所述磁铁组外侧设置有线圈组，所述磁铁组与所述线圈组之间设有间隙，所述线圈组外侧设置有外筒。
优选的，所述外筒包括上盖和下盖，所述上盖和下盖通过螺栓连接；所述第一膜片弹簧套设在所述导向轴一端且通过螺母固定，所述导向轴不伸出所述上盖，所述导向轴另一端设置有连接轴，所述连接轴伸出所述下盖，所述第二膜片弹簧套设在所述连接轴上且通过螺母固定，所述第二膜片弹簧通过螺栓与所述下盖连接；所述第一膜片弹簧的外侧设置有连接盖，所述连接盖通过螺栓与所述第一膜片弹簧、所述上盖固定，所述连接盖的中心处设置有连接杆。
优选的，所述隔振装置还包括第一柔性关节和第二柔性关节，所述第一柔性关节一端与所述连接杆连接，所述第一柔性关节的另一端设置有第一连接头；所述连接轴的伸出端与所述第二柔性关节的一端连接，所述第二柔性关节的另一端连接有第二连接头。
优选的，所述上平台和所述下平台上均设置有三个连接块，所述连接块与所述上平台、所述下平台通过内六角沉头螺钉固定连接，所述连接块的形状为三棱锥，所述上平台上的三个所述连接块和所述下平台上的三个所述连接块均成等边三角形的方式布置，每个所述连接块上固定两个所述隔振装置，且位于同一个所述连接块上的两个所述隔振装置垂直设置，所述第一连接头与所述上平台上的所述连接块、所述第二连接头与所述下平台上的所述连接块均通过螺纹连接。
优选的，所述磁铁组由若干个永磁铁叠层而成，所述线圈组由若干个导电线圈叠层而成，每个所述导电线圈均与一所述永磁铁相对应，所述导电线圈与所述永磁铁的数量和轴向高度均相等。
优选的，所述第一膜片弹簧和所述第二膜片弹簧上沿周向均匀设置有若干安装孔，所述第一膜片弹簧和所述第二膜片弹簧的中心处均设置有中心孔，所述第一膜片弹簧和所述第二膜片弹簧上均沿周向和径向均设置有若干圆弧通孔。
优选的，位于同一圆周的所述圆弧通孔为三个，且三个位于同一圆周上的所述圆弧通孔尺寸相同。
优选的，位于同一圆周上的所述圆弧通孔与相邻圆周上的所述圆弧通孔交错设置。
优选的，所述第一柔性关节和所述第二柔性关节上设置有若干弧形通孔。
优选的，所述第一膜片弹簧和所述第二膜片弹簧采用铍青铜制成；所述第一柔性关节和所述第二柔性关节采用镍钛合金制成；所述线圈组外侧设置有绝缘层，所述绝缘层设置在所述外筒和所述线圈组之间。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提出了一种基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统，此装置利用永磁铁和导电线圈之间相互作用力实现可调节的非线性负刚度，第一膜片弹簧和第二膜片弹簧则提供正刚度，正负刚度的组合实现工作位置附近的准零刚度，该装置具有结构简单，刚度可控等优点，有效地降低隔振系统的固有频率，进而拓宽了隔振频带。
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为本发明的基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统示意图；
图2为本发明的基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统去除上平台后的俯视图；
图3为本发明的隔振装置示意图；
图4为本发明的第一膜片弹簧和第二膜片弹簧示意图；
图5本发明的第一柔性关节和第二柔性关节示意图；
其中：1-上平台，2-下平台，3-导向轴，4-永磁铁，5-导电线圈，6-上盖，7-下盖，8-螺母，9-连接轴，10-第一膜片弹簧，11-第二膜片弹簧，12-连接盖，13-连接杆，14-第一柔性关节，15-第二柔性关节，16-第一连接头，17-第二连接头，18-连接块，19-安装孔，20-中心孔，21-圆弧通孔，22-弧形通孔，23-隔振装置。
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付出创造性劳动的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基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统，以解决上述现有技术存在的问题，使隔振系统达到准零刚度，隔振频带得到扩展。
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。
如图1-图5所示：本实施例提供了一种基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统，包括上平台1和下平台2，上平台1和下平台2相对设置且尺寸相同，上平台1和下平台2上均设置有若干连接块18，本实施例中，上平台1和下平台2上分别设置三个连接块18，连接块18与上平台1、下平台2通过内六角沉头螺钉固定连接，连接块18的形状为三棱锥，上平台1上的三个连接块18和下平台2上的三个连接块18均成等边三角形的方式布置，每个连接块18上固定两个隔振装置23，且位于同一个连接块18上的两个隔振装置23垂直设置，上平台1和下平台2之间设置有六个隔振装置23，六个隔振装置23按照Stewart平台方式布置，上平台1相对下平台2有六个自由度。
本实施例中，隔振装置23的一端套设有第一膜片弹簧10，隔振装置23的另一端套设有第二膜片弹簧11，第一膜片弹簧10和第二膜片弹簧11采用铍青铜制成；第一膜片弹簧10和第二膜片弹簧11上沿周向均匀设置有四个安装孔19，第一膜片弹簧10和第二膜片弹簧11的中心处均设置有中心孔20，第一膜片弹簧10和第二膜片弹簧11上均沿周向和径向均设置有若干圆弧通孔21。位于同一圆周的圆弧通孔21为三个，且三个位于同一圆周上的圆弧通孔21尺寸相同。位于同一圆周上的圆弧通孔21与相邻圆周上的圆弧通孔21交错设置。第一膜片弹簧10和第二膜片弹簧11具有较低的轴向刚度以及较高的径向刚度，并且没有明显的应力集中。
本实施例中，隔振装置23还包括导向轴3，导向轴3外侧设置有磁铁组，磁铁组外侧设置有线圈组，线圈组外侧设置有绝缘层。本实施例中，磁铁组由六个永磁铁4叠层而成，线圈组由六个导电线圈5叠层而成，本实施例永磁体和导电线圈5均采用多层相叠加的方式，克服了单层永磁铁4调控刚度能力有限的缺点，大大提高了刚度可调控的范围。每个导电线圈5均与一永磁铁4相对应，导电线圈5与永磁铁4的数量和轴向高度均相等。磁铁组与线圈组之间设有间隙，绝缘层外侧设置有外筒。
本实施例中，外筒包括上盖6和下盖7，上盖6和下盖7通过螺栓连接；第一膜片弹簧10的中心孔20套设在导向轴3一端且通过螺母8固定，导向轴3不伸出上盖6，导向轴3另一端设置有连接轴9，连接轴9伸出下盖7，第二膜片弹簧11的中心孔20套设在连接轴9上且通过螺母8固定，第二膜片弹簧11通过螺栓与下盖7连接；第一膜片弹簧10的外侧设置有连接盖12，连接盖12通过螺栓与第一膜片弹簧10、上盖6固定，连接盖12的中心处设置有连接杆13。
本实施例中，隔振装置23还包括第一柔性关节14和第二柔性关节15，第一柔性关节14和第二柔性关节15采用镍钛合金制成，第一柔性关节14和第二柔性关节15上设置有若干弧形通孔22。第一柔性关节14和第二柔性关节15具有较高的轴向和剪切刚度、较低的弯曲和扭转刚度以及较小的摩擦力。第一柔性关节14一端与连接杆13连接，第一柔性关节14的另一端设置有第一连接头16；连接轴9的伸出端与第二柔性关节15的一端连接，第二柔性关节15的另一端连接有第二连接头17。第一连接头16与上平台1上的连接块18、第二连接头17与下平台2上的连接块18均通过螺纹连接。本实施例中的基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统中的所有部件均为非导磁材料。
本实施例在实际使用过程中，若上平台1为扰动源，则下平台2为被隔振平台；反之，若下平台2为扰动源，则上平台1为被隔振平台。当隔振系统处于无激励状态时，导电线圈5处于未通电状态；当隔振器的上(下)平台受到外界激励时，导向轴3带着中间的永磁铁4与导电线圈5产生相对位移，从而产生非线性负刚度，而第一膜片弹簧10和第二膜片弹簧11提供与之相匹配的正刚度，限制中间永磁铁4的过度位移。通过改变施加在导电线圈5上的电流，电磁负刚度弹簧所提供的负刚度发生变化，实现刚度的调控。由于负刚度装置一般处于一个不稳定的状态，因此在位移范围内需要保证正刚度略大于负刚度，正负刚度的相互抵消实现准零刚度，从而实现对低频振动的有效隔离。此外，电流不应过高，以防烧坏导电线圈5。
本说明书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 (10)

1.一种基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统，其特征在于：包括上平台和下平台，所述上平台和所述下平台相对设置，所述上平台和所述下平台之间设置有六个隔振装置，六个所述隔振装置按照Stewart平台方式布置，所述隔振装置的一端套设有第一膜片弹簧，所述隔振装置的另一端套设有第二膜片弹簧，所述隔振装置包括导向轴，所述导向轴外侧设置有磁铁组，所述磁铁组外侧设置有线圈组，所述磁铁组与所述线圈组之间设有间隙，所述线圈组外侧设置有外筒。
2.根据权利要求1所述的基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统，其特征在于：所述外筒包括上盖和下盖，所述上盖和下盖通过螺栓连接；
所述第一膜片弹簧套设在所述导向轴一端且通过螺母固定，所述导向轴不伸出所述上盖，所述导向轴另一端设置有连接轴，所述连接轴伸出所述下盖，所述第二膜片弹簧套设在所述连接轴上且通过螺母固定，所述第二膜片弹簧通过螺栓与所述下盖连接；
所述第一膜片弹簧的外侧设置有连接盖，所述连接盖通过螺栓与所述第一膜片弹簧、所述上盖固定，所述连接盖的中心处设置有连接杆。
3.根据权利要求2所述的基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统，其特征在于：所述隔振装置还包括第一柔性关节和第二柔性关节，所述第一柔性关节一端与所述连接杆连接，所述第一柔性关节的另一端设置有第一连接头；
所述连接轴的伸出端与所述第二柔性关节的一端连接，所述第二柔性关节的另一端连接有第二连接头。
4.根据权利要求3所述的基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统，其特征在于：所述上平台和所述下平台上均设置有三个连接块，所述连接块与所述上平台、所述下平台通过内六角沉头螺钉固定连接，所述连接块的形状为三棱锥，所述上平台上的三个所述连接块和所述下平台上的三个所述连接块均成等边三角形的方式布置，每个所述连接块上固定两个所述隔振装置，且位于同一个所述连接块上的两个所述隔振装置垂直设置，所述第一连接头与所述上平台上的所述连接块、所述第二连接头与所述下平台上的所述连接块均通过螺纹连接。
5.根据权利要求1所述的基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统，其特征在于：所述磁铁组由若干个永磁铁叠层而成，所述线圈组由若干个导电线圈叠层而成，每个所述导电线圈均与一所述永磁铁相对应，所述导电线圈与所述永磁铁的数量和轴向高度均相等。
6.根据权利要求2所述的基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统，其特征在于：所述第一膜片弹簧和所述第二膜片弹簧上沿周向均匀设置有若干安装孔，所述第一膜片弹簧和所述第二膜片弹簧的中心处均设置有中心孔，所述第一膜片弹簧和所述第二膜片弹簧上均沿周向和径向均设置有若干圆弧通孔。
7.根据权利要求6所述的基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统，其特征在于：位于同一圆周的所述圆弧通孔为三个，且三个位于同一圆周上的所述圆弧通孔尺寸相同。
8.根据权利要求6所述的基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统，其特征在于：位于同一圆周上的所述圆弧通孔与相邻圆周上的所述圆弧通孔交错设置。
9.根据权利要求3所述的基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统，其特征在于：所述第一柔性关节和所述第二柔性关节上设置有若干弧形通孔。
10.根据权利要求3所述的基于Stewart平台的电磁准零刚度隔振系统，其特征在于：所述第一膜片弹簧和所述第二膜片弹簧采用铍青铜制成；所述第一柔性关节和所述第二柔性关节采用镍钛合金制成；所述线圈组外侧设置有绝缘层，所述绝缘层设置在所述外筒和所述线圈组之间。
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