CN110131352A - 一种基于压电作动的主被动一体化振动控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电作动的主被动一体化振动控制器，包括连接件、隔振弹性材料、支撑杆、动力吸振组件及压电作动器；连接件端面用于连接外部被隔振物体，外部电主轴的轴向振动由动力吸振组件抑制后通过连接件传递给被隔振物体；动力吸振组件通过支撑杆轴向安装在连接件上，且动力吸振组件与连接件之间设置隔振弹性材料，支撑杆水平安装，限制动力吸振组件的周向转动；压电作动器固定在动力吸振组件上，且位于被隔振物体一侧的轴向方向，半主动抑制轴向振动。本发明能够有效抑制从振动源传递到被隔振物体的轴向振动。

Description

一种基于压电作动的主被动一体化振动控制器

技术领域

本发明涉及振动控制技术领域，具体涉及一种基于压电作动的主被动一体化振动控制器。

背景技术

机器人在制孔过程中由于其固有刚度不足，在特殊工况下会导致振动甚至颤振，影响制孔精度、质量和刀具寿命，而目前应用位置和刚度补偿技术，可以对选择性的负载变化造成的位姿误差进行预测与补偿，末端执行器上的压紧力也可以对轴向钻削力进行补偿。但是，对于制孔过程中由各种复杂激励所引起的末端执行器与机器人本体的耦合振动，补偿难度则大为提高。因此设计一种振动控制器隔离从电主轴传递到机器人末端执行器的振动至关重要。

传统的被动隔振器在一定范围内能够隔振的频率带较窄，不能对外界激励的变化做出实时响应。现有的镗杆减振结构，其主要工作原理为：在镗杆内部加入刚度可变的动力吸振器，通过改变动力吸振器刚度从而减小镗杆自身的振动，但其使用传统电机连接滚珠丝杠的方式改变动力吸振器刚度会造成响应速度慢，不能及时调节刚度的缺陷，而且其对于轴向的振动控制只有动力吸振组件的主动振动控制，并没有隔振等被动振动控制部分。制孔过程中主要以轴向与扭转振动为主，因此需要以控制轴向振动为主。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于压电作动的主被动一体化振动控制器，能够有效抑制从振动源传递到被隔振物体的轴向振动。

本发明采取的技术方案如下：

一种基于压电作动的主被动一体化振动控制器，包括连接件、隔振弹性材料、支撑杆、动力吸振组件及压电作动器；

所述连接件端面用于连接外部被隔振物体，外部电主轴的轴向振动由动力吸振组件抑制后通过连接件传递给被隔振物体；所述动力吸振组件通过支撑杆轴向安装在连接件上，且动力吸振组件与连接件之间设置隔振弹性材料，所述支撑杆水平安装，限制动力吸振组件的周向转动；压电作动器固定在动力吸振组件上，且位于被隔振物体一侧的轴向方向，半主动抑制轴向振动。

进一步地，所述半主动振动控制器进一步包括外壳、阻尼油及密封件；

所述动力吸振组件一侧固定在外壳内，另一侧穿过外壳上的通孔与压电作动器连接，所述外壳上的通孔通过密封件密封；所述外壳内填充阻尼油。

进一步地，所述动力吸振组件包括两块吸振弹性材料和质量块，一块吸振弹性材料设置在质量块一侧与外壳内壁之间，另一块设置在质量块另一侧与压电作动器之间。

进一步地，所述质量块沿外部电主轴轴线方向对称设有凹槽。

进一步地，所述吸振弹性材料与压电作动器之间固定连接推板。

进一步地，所述隔振弹性材料选用金属弹性材料，吸振弹性材料选用橡胶材料。

进一步地，所述隔振弹性材料和吸振弹性材料在初始状态均处于压缩状态。

进一步地，所述支撑杆采用两个，分布在压电作动器两侧，均为花键轴。

进一步地，所述压电作动器中的压电陶瓷采用压电叠堆。

有益效果：

1、本发明将通过隔振弹性材料的被动隔振和压电作动器的主动隔振结合起来，能够有效抑制从振动源传递到被隔振物体的轴向振动。由于压电陶瓷材料可以对外界激励的变化做出快速响应，拓宽隔离的频率带宽，而且结构简单可行，因此本发明具有良好的隔振效果，能够应对系统外部激励的复杂性，用于铣削、车削等其他工业加工中，以及需要抑制轴向振动的其他地方。

2、本发明利用外壳为动力吸振组件提供封闭空间，内部填充阻尼油，增加内部隔振质量块运动的阻力，起阻尼耗能的作用，进一步抑制轴向振动。

3、本发明设置的推板主要是为了防止吸振弹性材料与压电作动器直接连接时发生局部变形。

4、本发明压电作动器中的压电陶瓷压电叠堆方式，增大了输出位移量，进一步拓宽能够隔离的频率带宽，适应更为复杂的外部激励状况。

附图说明

图1为本发明的纵向剖视图；

图2为本发明压电作动器的放大图；

图3为本发明的横向剖视图；

图4为支撑杆端面局部剖视图；

图5为外壳连接示意图；

图6为将本发明应用于机器人制孔系统这一具体实施方式时的三维图；

图7为去掉连接件侧盖板Ⅱ与外壳侧盖板Ⅱ时的三维图。

其中，1-外壳、2-隔振弹性材料Ⅰ、3-推板、4-吸振弹性材料Ⅰ、5-质量块、6-阻尼油、7-吸振弹性材料Ⅱ、8-隔振弹性材料Ⅱ、9-连接件、11-连接件侧盖板Ⅰ、12-外壳侧盖板Ⅰ、13-支撑杆Ⅰ、14-密封件、15-支撑杆Ⅱ、16-连接件侧盖板Ⅱ、17-外壳侧盖板Ⅱ、18-螺帽、19-垫片、20-预紧弹簧、21-直线轴承、22-外套筒、23-出线孔、24-后挡块、25-调节装置Ⅰ、26-压电陶瓷、27-调节装置Ⅱ、28-力传递杆、29-螺钉、30-压电作动器挡板、31-螺栓。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

由于机器人制孔系统在制孔过程中受到工件薄壁振动、振动钻削附加振动、钻削振动三种形式激励的作用，外界激励的频率实时在变，如果只有隔振加吸振的被动振动控制，振动控制器只能在一定的频率范围内起作用，超出这一频率范围，振动控制器隔振效果不好甚至失去隔振能力。因此确定外界频率所对应的吸振器最优刚度对振动控制器隔振效果至关重要。

本实施例提供了一种基于压电作动的主被动一体化振动控制器，应用于机器人制孔系统，通过改变吸振器刚度来适应外部激励频率的变化，有效抑制从电主轴传递到机器人末端执行器的轴向振动，确保机器人末端执行器正常工作。根据动力吸振器的吸振原理，当外界激励频率等于吸振器固有频率时，即达到系统反共振点时，动力吸振器吸振效果最好，因此吸振器刚度k＝mω²。其中m为质量块的质量，ω为外界激励频率，而本实施例的刚度变化是通过控制压电作动器的输入电压从而实现力传递杆的伸长与收缩实现的。

如图1、图6及图7所示，包括外壳1、连接件9、隔振弹性材料Ⅰ2、隔振弹性材料Ⅱ8、支撑杆、动力吸振组件、阻尼油6、密封件14及压电作动器。

电主轴通过螺栓安装在外壳1上，隔振弹性材料Ⅰ2、隔振弹性材料Ⅱ8通过粘结剂分别粘结于外壳1与连接件9左、右两侧之间，用于隔离传递到连接件9上的振动，起被动隔振作用。

外壳1内部轴向安装动力吸振组件，外壳1和动力吸振组件共同通过支撑杆轴向安装在连接件9上。动力吸振组件由吸振弹性材料Ⅰ4、吸振弹性材料Ⅱ7和质量块5组成，用于减小外壳1自身的振动从而抑制传递到机器人末端执行器上的振动，吸振弹性材料Ⅱ7通过粘接剂粘结在外壳1内壁与质量块5一侧之间，吸振弹性材料Ⅰ4通过粘接剂粘结在质量块5另一侧。质量块5沿电主轴轴线方向对称设有凹槽，过凹槽的径向截面呈工字型，增大阻尼油6对质量块5的摩擦。

由于隔振弹性材料所需刚度较大，因此选用金属弹性材料，吸振弹性材料所需刚度较小，因此选用橡胶材料。所有弹性材料在初始状态都处于压缩状态，用于给外壳1和质量块5提供轴向力，消除轴向间隙，减小与支撑杆的摩擦力，防止冲击。

如图3、图5所示，外壳1由外壳本体、外壳侧盖Ⅰ12及外壳侧盖Ⅱ17组成，外壳本体与外壳侧盖Ⅰ12、外壳侧盖Ⅱ17采用螺钉连接，构成封闭空间，用于放置阻尼油6。阻尼油6填充在外壳1内，用于阻碍质量块5的运动，起阻尼耗能作用，外壳本体上设置通孔，压电作动器穿过该通孔通过推板3固定在吸振弹性材料Ⅰ4上，且位于被隔振物体一侧的轴向方向，从而改变动力吸振器的刚度，以适应不同的外界激励频率的变化，起半主动抑制轴向振动。外壳本体上的通孔通过密封件14密封，密封件14套装在压电作动器的力传递杆上。

连接件9由连接件本体、连接件侧盖Ⅰ11及连接件侧盖Ⅱ16组成，连接件本体与连接件侧盖Ⅰ11、连接件侧盖Ⅱ16采用螺钉连接。在连接件本体一端设置通孔，为压电作动器振动提供空间，且该端外端面用于连接机器人末端执行器。

支撑杆采用两根，分别为支撑杆Ⅰ13和支撑杆Ⅱ15，支撑杆Ⅰ13、支撑杆Ⅱ15分别分布在压电作动器两侧并且穿过连接件9以及其他构件，在两根支撑杆的另一端通过垫片19与螺帽18螺纹连接，起轴向定位作用，垫片19起预紧作用。如图4所示，两根支撑杆为花键轴，与其他构件通过花键连接，防止其他构件周向转动。

如图2所示，压电作动器用于提供改变吸振弹性材料变形量从而改变吸振器刚度的主动力，由预紧弹簧20、直线轴承21、外套筒22、出线孔23、后挡块24、调节装置Ⅰ25、压电陶瓷26、调节装置Ⅱ27、力传递杆28及压电作动器挡板30组成。压电陶瓷26由多片压电陶瓷片采用电路上并联、机械上串联的方式叠堆而成，出线孔23用于引出电线，方便给压电陶瓷26供电，通过改变压电作动器中压电陶瓷26两端的电压，利用其逆压电效应，配合其调节装置Ⅰ25、调节装置Ⅱ27以及预紧弹簧20，从而改变力传递杆28的伸长与收缩进而改变吸振器的刚度。直线轴承21的外圈固定在外套筒22上，内圈与压电作动器的力传递杆28配合，外圈固定，内圈随力传递杆28移动，起支撑作用。预紧弹簧20起预紧作用，外套筒22起定位与支撑作用，后挡块24起轴向定位作用，力传递杆28用于推动推板3，调节装置Ⅰ25、调节装置Ⅱ27连接压电陶瓷26，通过压电陶瓷26的变形从而改变力传递杆28的伸缩，起定位与力传递的作用。压电作动器的力传递杆28与推板3通过四个均布的螺钉29连接，压电作动器挡板30与外壳本体通过四个均布的螺栓31连接。

本实施例的工作原理是：当机器人制孔系统在制孔过程中受到外部激励产生振动时，电主轴与外壳1以及压电作动器一起在隔振弹性材料Ⅰ2、隔振弹性材料Ⅱ8的作用下振动，隔振弹性材料Ⅰ2、隔振弹性材料Ⅱ8产生变形，起到缓冲作用，减小传递到机器人末端执行器上的作用力；同时，安装于外壳1内部的吸振弹性材料Ⅰ4、吸振弹性材料Ⅱ7以及质量快5组成动力吸振组件将减小外壳1自身的振动，从而抑制传递到机器人末端执行器上的振动；在整个过程中，支撑杆Ⅰ13、支撑杆Ⅱ15与各部分之间的摩擦以及阻尼油6的晃动将耗散由振动产生的能量，起阻尼耗能的作用，以上组成被动振动控制部分。而通过改变压电作动器中压电陶瓷片26两端的电压，利用其逆压电效应，配合其调节装置Ⅰ25、调节装置Ⅱ27以及预紧弹簧20，从而改变力传递杆28的伸长与收缩，进而改变吸振器的刚度，以适应外部激励频率的变化，此为主动振动控制部分。综上，通过主被动相结合可以有效的抑制振动。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于压电作动的主被动一体化振动控制器，其特征在于，包括连接件、隔振弹性材料、支撑杆、动力吸振组件及压电作动器；

所述连接件端面用于连接外部被隔振物体，外部电主轴的轴向振动由动力吸振组件抑制后通过连接件传递给被隔振物体；所述动力吸振组件通过支撑杆轴向安装在连接件上，且动力吸振组件与连接件之间设置隔振弹性材料，所述支撑杆水平安装，限制动力吸振组件的周向转动；压电作动器固定在动力吸振组件上，且位于被隔振物体一侧的轴向方向，半主动抑制轴向振动。

2.如权利要求1所述的基于压电作动的主被动一体化振动控制器，其特征在于，所述半主动振动控制器进一步包括外壳、阻尼油及密封件；

所述动力吸振组件一侧固定在外壳内，另一侧穿过外壳上的通孔与压电作动器连接，所述外壳上的通孔通过密封件密封；所述外壳内填充阻尼油。

3.如权利要求2所述的基于压电作动的主被动一体化振动控制器，其特征在于，所述动力吸振组件包括两块吸振弹性材料和质量块，一块吸振弹性材料设置在质量块一侧与外壳内壁之间，另一块设置在质量块另一侧与压电作动器之间。

4.如权利要求3所述的基于压电作动的主被动一体化振动控制器，其特征在于，所述质量块沿外部电主轴轴线方向对称设有凹槽。

5.如权利要求3所述的基于压电作动的主被动一体化振动控制器，其特征在于，所述吸振弹性材料与压电作动器之间固定连接推板。

6.如权利要求3所述的基于压电作动的主被动一体化振动控制器，其特征在于，所述隔振弹性材料选用金属弹性材料，吸振弹性材料选用橡胶材料。

7.如权利要求1所述的基于压电作动的主被动一体化振动控制器，其特征在于，所述隔振弹性材料和吸振弹性材料在初始状态均处于压缩状态。

8.如权利要求1所述的基于压电作动的主被动一体化振动控制器，其特征在于，所述支撑杆采用两个，分布在压电作动器两侧，均为花键轴。

9.如权利要求1所述的基于压电作动的主被动一体化振动控制器，其特征在于，所述压电作动器中的压电陶瓷采用压电叠堆。