CN111396500A - 一种精密平台主动抑振的驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于压电材料的主动抑振用驱动装置，采用压电陶瓷纤维制备而成的压电纤维复合材料(MFC)器件固定于平台的振动传播路径上，从声波振动的源头去抑制外部振动波；采用叠堆压电陶瓷形式制备的压电复合材料器件固定于平台与基座支架等连接的螺栓上，具有低频率、高带宽、大应力等特点，对外部的5‑2000Hz的低频振动信号能够起到抑制作用。

Description

一种精密平台主动抑振的驱动装置
技术领域
本发明涉及用于航空航天、精密仪器等领域精密平台主动抑振的驱动装置，具体涉及一种基于压电材料的主动抑振驱动装置。
背景技术
随着航空航天技术、精密仪器等领域的发展，对精密平台的稳定性提出了更高的要求，因此精密平台中关键模块的敏感元件受外部干扰而引起多峰共振问题受到领域的共同关注。通常环境振动在5-2000Hz低频范围内随机振动，但现有的被动隔振技术响应频段窄、低频适应性较差，无法解决低频随机振动导致的共振问题。
US5844664提供了一种主动减振装置，其垂向和水平向的低刚度分别通过空气弹簧和偏摆机构实现。垂向空气弹簧采用膜式空气弹簧，由于减振器体积的限制和控制上的要求，无法实现超低频隔振。
CN105204543B采用音圈作动器作为主动元件，具有结构简单、重量轻、体积小、高加速度(达到20g以上)和速度、推力均匀、响应速度快(ms级)、精度高(1～5μm)的优点，但是其驱动方向单一，并且没有涉及元件中材料的考量。
CN105790404B提供了一种基于压电材料的汽车发动机振动俘能装置，通过获取汽车行车过程中发动机的无效振动能量，高效、安全、稳定地为蓄电池充电。但是该装置适用于振幅较大的汽车发动机领域，对于精密平台的借鉴意义不足。
由此可见，亟需一种具有宽带低频自适应能力的主动抑振技术，这要求主动抑振的驱动装置具有低频率、高带宽、大应力等特点，对外部的低频振动信号能够有良好的抑制作用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，解决现有精密平台的低频外部振动干扰问题，本发明提供了一种精密平台主动抑振驱动装置，在装置中采用压电陶瓷纤维复合材料和压电陶瓷叠堆器件，既保证精密平台的稳定性，同时也实现了精密平台在拉伸、剪切和扭转等工作模式下的主动抑振。
为达到上述目的，本发明的具体技术方案如下：
一种精密平台主动抑振驱动装置，所述驱动装置包含两大模块：路径抑振驱动模块和叠堆抑振驱动模块，通过上述两个模块实现共同抑振。所述的路径抑振驱动模块包含压电纤维复合材料(Macro Fiber Composite，MFC)器件，采用压电陶瓷纤维复合材料制备而成，固定于隔振平台的振动传播路径上；叠堆抑振驱动模块采用叠堆压电陶瓷形式制备压电复合材料器件，固定于隔振平台螺栓的上下端。依据这样的设置，路径抑振驱动模块利用MFC器件本身所具备的多种特定工作模式，达到振器件在横向、纵向和剪切方向的驱动效果，以实现精密平台在拉伸、剪切和扭转等工作模式下的主动抑振；叠堆抑振驱动模块可以保证隔振平台的稳定性，进一步巩固主动抑振的效果。
进一步地，在所述精密平台主动抑振驱动装置中，路径抑振驱动模块在振动传播的源头处采用多模态工作的MFC器件，叠堆抑振驱动模块则采用具有大推力(推力范围500-50000N)、宽低频大应变(在5-2000Hz条件下压电应变达到3-3000μm)效果的压电陶瓷叠堆器件，以便保证主动抑振驱动装置的整体性；
进一步地，所述路径抑振驱动模块中MFC器件利用逆压电效应将输入的电能转换成机械能，使得其与振动源处的振动波形大小相等、方向相反，以实现主动抑振的驱动效果，其逆压电应变在低频条件(5-2000Hz)下达到10-1000μm，功率密度达到0.2-1mW/cm2；
进一步地，所述MFC器件具有较好的柔韧性和良好的驱动特性，电压在50-3000V时，其产生的推力在-2000N-2000N之间，位移在10-1000μm；
进一步地，所述MFC器件利用包括但不限于压电材料d33,d31,d15响应模式，具备但不限于拉伸、剪切和扭转等工作模式；
进一步地，所述MFC器件是由压电陶瓷纤维、环氧树脂和叉指电极共同制备而成的一种复合材料，具体制备流程可参考CN105405964B《一种压电纤维复合结构层的制备方法》，将其作为现有技术引入；
进一步地，所述叠堆抑振驱动模块采用叠堆压电陶瓷形式制备压电复合材料器件，利用逆压电效应将输入的电能转换成机械能，使得其与隔振平台处的振动波形大小相等、方向相反，以实现主动抑振的效果，其逆压电应变在低频条件(5-2000Hz)下能达到100-5000μm，功率密度达到0.2-1mW/cm2；
进一步地，所述采用叠堆压电陶瓷形式制备的压电复合材料器件同样也具有较大的推力，推力范围500-50000N；较大的应变特性，在5-2000Hz条件下压电应变达到3-3000μm；同时具有良好的驱动特性，电压在50-3000V时，其产生的推力在-2000N-2000N之间，位移在10-1000μm；因此可以保证隔振平台在主动抑振中的稳定性；
进一步地，所述采用叠堆压电陶瓷形式制备的压电复合材料器件，是将环形的压电陶瓷片堆叠起来，用树脂粘结成一个整体，形成驱动器件，可以把每个压电陶瓷片的形变累积放大，在较低驱动电压下获得高形变。
进一步地，环形的压电陶瓷片堆叠套在螺杆上，由螺栓固定在平台和橡胶垫的联结处，通过施加电压对该联结点实时紧固，压电陶瓷薄片以“正负正负”循环叠加的形式排布电极；
进一步地，所述采用压电陶瓷纤维材料制备的MFC器件和采用叠堆压电陶瓷形式制备的压电复合材料器件中的陶瓷成分包含但不仅限于：PZT系列、PMNS系列、PMN-PT系列、KNBT系列等。
与现有技术相比，本发明公开的技术具有如下技术特点及优势：
①装置包含路径抑振驱动模块，其中的压电陶瓷纤维复合材料(MFC)是由压电陶瓷纤维、环氧树脂和叉指电极共同制备而成的一种复合材料，具有较低的频率、较高的机电耦合系数、较大的应变特性和较好的柔韧性，将其制备成器件以贴片式固定于支架上，可以在横向、纵向和剪切方向等利用其多模压电特性而实现主动抑振。
②该装置中的叠堆压电陶瓷形式制备的压电复合材料是由压电薄片正负交替叠加而成，具有较大的应力、较大的应变特性、较高的机电耦合特性和较高的硬度，将其叠堆制备的器件固定于隔振平台螺栓的上下端，可以实现对隔振平台四角的主动抑振，实现平台的稳定。
③这种主动抑振用驱动装置具有较低的频率、较大的应变特性、较好的耐热、耐腐蚀性和稳定性，一方面在振源处振动的传播路径上实现主动抑振的驱动，另一方面在隔振平台处进一步保证主动抑振的稳定性。
附图说明
图1是主动抑振驱动装置示意图
图2是采用压电陶瓷纤维复合材料(MFC)器件的实物图
图3是采用叠堆压电陶瓷形式制备的压电复合材料器件示意图
具体实施方式
下面结合本发明专利实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述。显然，本实施方式中所描述的实施例仅仅只是本发明所包含内容的一个普通案例，并不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出不同于本发明权利要求项之外的其它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。
如图1所示，本发明公开了一种精密平台主动抑振驱动装置，所述驱动装置包含两大模块：路径抑振驱动模块8和叠堆抑振驱动模块9，通过上述两个模块实现共同抑振。路径抑振驱动模块8包括压电陶瓷纤维复合材料(MFC)器件7和隔振平台支架2，叠堆抑振驱动模块9包括上陶瓷叠堆4、被动阻尼5和下陶瓷堆叠6。
隔振平台1由4个支架2水平支起，形成平台，螺栓3位于支架2和平台1的连接处，将支架2和平台1紧固，保证支架2、隔振平台1、上陶瓷叠堆4、被动阻尼器件5和下陶瓷叠堆6有较好的接触和可调节的接触预应力。
图1中，路径抑振驱动模块8设置如下：压电陶瓷纤维复合材料(MFC)器件7以贴片的方式紧密固定于隔振平台的支架2处，可以保证在振源的传播路径上实现主动抑振，并且采用多模态工作的MFC器件，利用压电材料d33,d31,d15响应模式，实现支架处的振动信号分别在横向、纵向和剪切等方向的主动抑振的驱动效果。
图1中，叠堆抑振驱动模块9设置如下：上压电陶瓷叠堆4以环状形式叠堆并固定于螺栓3上端，用于隔振平台主动抑振时的驱动，使得振动台在有扰动时可以向下运动。下压电陶瓷叠堆6以环状形式叠堆并固定于螺栓3下端，用于隔振平台主动抑振时的驱动，使得振动台在有扰动时可以向上运动。被动阻尼器件5通过螺栓3固定在支架2上，可以是聚合物基阻尼材料或高阻尼合金材料，利用其阻尼性能吸收部分机械能。
图3中，上陶瓷叠堆4和下陶瓷叠堆6分别以“正负正负”循环叠加的形式交叉排布电极，这种电极排布方式可以有效的保证外加电压很小的情况下纵向形变和纵向推力的最大化。
MFC器件7进一步利用逆压电效应将输入的电能转换成机械能，使得其与振动源处的振动波形大小相等、方向相反，以实现主动抑振的驱动效果，其逆压电应变在低频条件(5-2000Hz)下达到10-1000μm，功率密度达到0.2-1mW/cm2；
MFC器件7采用压电陶瓷纤维、环氧树脂和叉指电极共同制备形成复合材料，根据图2MFC器件的实物图可以看出该材料具有良好的柔韧性。
MFC器件7是由压电陶瓷纤维、环氧树脂和叉指电极共同制备而成的一种复合材料，具体制备流程可参考CN105405964B《一种压电纤维复合结构层的制备方法》；
叠堆抑振驱动模块9采用叠堆压电陶瓷形式制备压电复合材料器件，形成上压电陶瓷叠堆4和下压电陶瓷叠堆6，同样可以利用逆压电效应将输入的电能转换成机械能，使得其与隔振平台处的振动波形大小相等、方向相反，以实现主动抑振的效果，其逆压电应变在低频条件(5-2000Hz)下能达到100-5000μm，功率密度达到0.2-1mW/cm2；
MFC器件7、上压电陶瓷叠堆4和下压电陶瓷叠堆6中的陶瓷成分包含但不仅限于：PZT系列、PMNS系列、PMN-PT系列、KNBT系列等。
以下是精密平台主动抑振驱动装置和测试的示例性展示。
实施例1：制备精密平台主动抑振驱动装置
采用CN105405964B实施例1得到PZT-5H基MFC结构压电纤维复合材料制备MFC器件，压电陶瓷叠堆4、6同样选择PZT-5H，根据图1设置路径抑振驱动模块8和叠堆抑振驱动模块9，根据图3设置压电陶瓷叠堆的堆叠形式，将MFC器件，压电陶瓷堆叠器件与集卡器、控制器、驱动电源相连接，采集卡、驱动电源和控制器通过网线与利用XPC target制作而成的实时控制系统相连接，形成精密平台主动抑振驱动装置。
实施例2：精密平台主动抑振驱动装置抑振测试实验：
将实施例1装置通过101胶粘贴至精密振动平台。当振动平台施加100m/s2加速度时，振动台整体振幅为1.55um。将实施例1中的装置通电100V抑振，调节控制器PID控制参数至最优，此时振动台整体振幅下降至0.95um，振幅下降38.7％。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他任何具体形式实现本发明。因此，本实施例仅仅只是示范性案例，而且是非限制性的。本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种精密平台主动抑振驱动装置，所述驱动装置包含两大模块：路径抑振驱动模块(8)和叠堆抑振驱动模块(9)，所述的路径抑振驱动模块(8)包含压电纤维复合材料器件(7)，采用压电陶瓷纤维复合材料制备而成，固定于隔振平台的振动传播路径上；叠堆抑振驱动模块(9)采用叠堆压电陶瓷(4,6)形式制备压电复合材料器件，固定于隔振平台螺栓(3)的上下端。
2.根据权利要求1所述精密平台主动抑振驱动装置，其特征在于：所述路径抑振驱动模块(8)在振动传播的源头处采用多模态工作的压电纤维复合材料器件，叠堆抑振驱动模块(9)采用的压电陶瓷叠堆器件(4,6)，所述压电陶瓷叠堆器件(4,6)推力范围500-50000N，在5-2000Hz条件下压电应变达到0.3-3000μm。
3.根据权利要求2所述的精密平台主动抑振驱动装置，其特征在于：所述多模态工作的压电纤维复合材料器件利用包括但不限于压电材料d33,d31,d15响应模式，可以进行拉伸、剪切和扭转工作模式。
4.根据权利要求1-3之一所述的精密平台主动抑振驱动装置，其特征在于所述压电纤维复合材料器件(7)以贴片的方式紧密固定于隔振平台的支架(2)处。
5.根据权利要求1-4之一所述的精密平台主动抑振驱动装置，其特征在于：路径抑振驱动模块(8)中压电纤维复合材料器件(7)利用逆压电效应将输入的电能转换成机械能，使得其与振动源处的振动波形大小相等、方向相反，以实现主动抑振的驱动效果，其逆压电应变在5-2000Hz低频条件下达到10-1000μm，功率密度达到0.2-1mW/cm2；
所述叠堆抑振驱动模块(9)采用叠堆压电陶瓷形式制备压电复合材料器件(4,6)，利用逆压电效应将输入的电能转换成机械能，使得其与隔振平台处的振动波形大小相等、方向相反，以实现主动抑振的效果，其逆压电应变在5-2000Hz低频条件下能达到100-5000μm，功率密度达到0.2-1mW/cm2。
6.根据权利要求1-5之一所述的精密平台主动抑振驱动装置，其特征在于：所述压电纤维复合材料器件(7)是由压电陶瓷纤维、环氧树脂和叉指电极共同制备而成的一种复合材料。
7.根据权利要求1-6之一所述的精密平台主动抑振驱动装置，其特征在于：还包含被动阻尼器件(5)，所述被动阻尼器件(5)位于相对的螺栓(3)之间，利用其阻尼性能吸收部分机械能。
8.根据权利要求1-7之一所述的精密平台主动抑振驱动装置，其特征在于：所述采用叠堆压电陶瓷形式制备的压电复合材料器件(4,6)是将环形的压电陶瓷片堆叠起来，用树脂粘结成整体套在螺杆上，由螺栓固定在平台和橡胶垫的联结处，通过施加电压对该联结点实时紧固，压电陶瓷薄片以“正负正负”循环叠加的形式排布电极。
9.根据权利要求1-8之一所述的精密平台主动抑振驱动装置，其特征在于：所述采用压电陶瓷纤维材料制备的压电纤维复合材料器件(7)和采用叠堆压电陶瓷形式制备的压电复合材料器件(4,6)中的陶瓷成分包含但不仅限于：PZT系列、PMNS系列、PMN-PT系列、KNBT系列。
10.根据权利要求1-9之一所述的精密平台主动抑振驱动装置在航天航空、精密仪器中的应用。
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