CN111609067A - 一种六自由度准零刚度隔振装置及其调试方法、隔振方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于隔振技术领域，具体涉及一种六自由度准零刚度隔振装置及其调试方法、隔振方法。一种六自由度准零刚度隔振装置，包括顶板、底板、设置在所述顶板和底板之间的隔振器；所述的隔振器包括中央支撑弹簧和弹簧支架；所述中央支撑弹簧的两端分别挂接在所述顶板和底板的中央位置；所述的弹簧支架共有四组，沿所述底板竖向轴线等角间距旋转对称分布；每组弹簧支架的两端分别与顶板和底板连接，并且所述弹簧支架相对于水平方向倾斜设置。本发明的有益效果为：采用四个弹簧支架和一个中央支撑弹簧可同时实现六自由度隔振和准零刚度隔振的效果，具有结构紧凑、固有频率低的特点；并且调试过程简便、可靠，具备工程化现场应用的能力。

Description

一种六自由度准零刚度隔振装置及其调试方法、隔振方法

技术领域

本发明属于隔振技术领域，具体涉及一种六自由度准零刚度隔振装置及其调试方法、隔振方法。

背景技术

隔振器是一种用于隔离外界干扰振动对被隔振设备的正常工况、使用精度、稳定性所带来影响的装置，主要用于精密机床、敏感仪器、汽车等场合，其关键性能参数包括振动传递率、固有频率等。

理想的隔振器应具有振动传递率低、静态刚度大、重量轻、固有频率低的特性，可增大被隔振设备的使用范围，有效降低系统的固有频率，增大隔振区间。准零刚度隔振器利用调整其内部具有正、负刚度特性的隔振元件间的对应关系来使得隔振器在某一平衡位置附近的整体刚度接近于零，以最大限度地来降低隔振系统的固有频率，增大其有效隔振范围。

传统的隔振器多采用沿主隔振元件轴向进行隔振的形式，该类结构仅能实现单自由度方向上的隔振效果。涉及到六自由度的隔振装置基本都采用的是Stewart平台形式，利用六个上述类似的单自由度隔振器在空间上进行立方结构或正交结构形式的相互搭配来实现在六个自由度方向上的隔振。该类设备的体积一般与其静态承载能力成正比，并且多个隔振器间需要进行较为复杂的配合和调试过程。另外，目前已有的准零刚度隔振器大多采用金属弹簧、电磁铁、空气弹簧的结构形式，尤其是其负刚度实现部分一般为多弹簧并联机构、碟片橡胶机构或滚球副-弹簧机构等，结构较为复杂，体积较大。基于上述介绍，如果仅是将上述两种隔振形式简单地组合起来，难以实现一种兼顾结构紧凑和性能优良特点的六自由度隔振机构。因此，设计一种可以简单、有效地实现准零刚度特性的六自由度隔振平台和调试方法，使其具有结构紧凑、承载力大、固有频率低、振幅小的特性，是急需解决的工程技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为：现有六自由度隔振平台普遍存在体积大、结构复杂、调试繁琐的问题，并且准零刚度隔振器也存在着负刚度元件占空比大的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：一种六自由度准零刚度隔振装置，包括顶板、底板、设置在所述顶板和底板之间的隔振器；所述的隔振器包括中央支撑弹簧和弹簧支架；所述中央支撑弹簧的两端分别挂接在所述顶板和底板的中央位置；所述的弹簧支架共有四组，沿所述底板竖向轴线等角间距旋转对称分布；每组弹簧支架的两端分别与顶板和底板连接，并且所述弹簧支架相对于水平方向倾斜设置。

作为本发明的一种优选方式，所述顶板的尺寸小于底板的尺寸。

作为本发明的一种优选方式，所述的弹簧支架包括片簧、斜拉弹簧、弹簧支座和球铰，所述弹簧支座通过球铰与顶板和底板上连接；所述片簧的两端固定在所述弹簧支座上；所述斜拉弹簧设置在所述片簧的下方，两端挂接在所述弹簧支座上。

进一步优选地，所述的顶板边缘等间距设有四个凸盘，所述凸盘与所述球铰的支座通过螺栓连接。

进一步优选地，所述的底板边缘等间距设置四个凸盘，所述凸盘与所述球铰的支座通过螺栓连接。

进一步优选地，所述的隔振器采用不锈钢材质。

为了进一步解决本发明的技术问题，本发明还提供了一种六自由度准零刚度隔振装置的调试方法，该方法通过选择性地调节中央支撑弹簧与四个弹簧支架的片簧和斜拉弹簧之间的刚度对应关系以实现整体的零刚度；首先进行初始状态调试，然后对六个自由度方向的隔振性能进行调试。

进一步优选地，初始状态下，中央支撑弹簧处于被拉伸的状态，周围四个弹簧支架上的斜拉弹簧处于被压缩的状态，中央支撑弹簧提供初始负刚度与四个斜拉弹簧提供的初始正刚度相抵消，整体刚度为零。

进一步优选地，所述六个自由度方向的隔振性能调试包括：

Z向位移自由度，选择中央支撑弹簧、四个弹簧支架上的四个斜拉弹簧和四个片簧进行调试；

X向位移自由度，选择中央支撑弹簧、沿X向的两个弹簧支架上的两个斜拉弹簧和两个片簧进行调试；

Y向位移自由度，选择中央支撑弹簧、沿Y向的两个弹簧支架上的两个斜拉弹簧和两个片簧进行调试；

绕X向的旋转自由度，选择沿Y向的两个弹簧支架上的两个斜拉弹簧和两个片簧进行调试；

绕Y向的旋转自由度，选择沿X向的两个弹簧支架上的两个斜拉弹簧和两个片簧来实现进行调试；

绕Z向的旋转自由度，选择四个弹簧支架上的四个斜拉弹簧和四个片簧进行调试。

本发明还提供一种六自由度准零刚度隔振方法，包括：

（1）、先将所述的六自由度准零刚度隔振装置按照如下方法进行固定：Z向沿顶板和底板的竖向轴线方向；Y向沿任意两个夹角呈180°的弹簧支架的连接线方向；X向根据Y向、Z向由右手笛卡尔坐标系来确定；其他三个旋转自由度方向则分别沿X、Y、Z方向按照右手定则来定；

（2）、将被隔振物体固定在顶板位置，其重力方向沿整个装置的Z向，且整个隔振装置沿其Z向进行垂直固定。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、提供了一种有别于现有六自由度隔振平台的隔振器结构，其仅采用四个弹簧支架和一个中央支撑弹簧可同时实现六自由度隔振和准零刚度隔振的功能，具有结构紧凑、固有频率低的特点；

2、通过将该隔振器所有部件更换为不锈钢材质，可实现在水下使用的效果，能为水下敏感仪器的搭载提供一种隔振平台方案；

3、提供了一种与所发明的隔振器装置相配套的调试方法，可实现提高承载能力、减小隔振区间的振幅、降低固有频率的功能，同时调试过程简便、可靠，具备工程化现场应用的能力；

4、提供了一种隔振方法，采用本发明提供的隔振装置，实现六个自由度的准零刚度隔振效果。

附图说明

图1 为本发明实施例中六自由度准零刚度隔振装置整体结构、组成及其使用方向的示意图；

图2 为本发明实施例中具有准零刚度隔振特性的弹簧支架结构示意图；

图3为沿六自由度准零刚度隔振器Z轴使用方向的调试原理示意图；

图4为沿六自由度准零刚度隔振器X、Y轴使用方向的调试原理示意图；

图5为沿六自由度准零刚度隔振器Rx、Ry旋转使用方向的调试原理示意图；

图6为沿六自由度准零刚度隔振器Rz旋转使用方向的调试原理示意图。

图中：1.顶板；2.底板；3.中央支撑弹簧；4.弹簧支架；5.螺栓；6.片簧；7.斜拉弹簧；8.球铰支座；9.片簧支座；41. 第一片簧；42.第二片簧；43.第三片簧；44.第四片簧；45.第一斜拉弹簧；46.第二斜拉弹簧；47.第三斜拉弹簧；48.第四斜拉弹簧；

10.中央支撑弹簧受力状态；11.受力方向一侧斜拉弹簧的受力状态；12.受力方向一侧片簧的受力状态；13.受力方向另一侧斜拉弹簧的受力状态；14-受力方向另一侧片簧的受力状态。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

本发明提供的其中一个实施例是：一种新型六自由度准零刚度隔振装置，该装置的结构如图1所示，包括：顶板1，顶板1的边缘等间距焊接有四个与其顶面垂直的上凸盘。与顶板1相对应的，其下方是底板2，底板2的边缘等间距焊接有四个与其底面水平的下凸盘。其中，顶板1和底板2均为对称结构，并且二者的中心轴线重合。作为较优选的方案，顶板1和底板2 可为圆形、正方形或正多边形。

在顶板1和底板2之间设有隔振器，该隔振器包括：设置在顶板1和底板2中央位置的中央支撑弹簧3和设置在顶板1和底板2周边的弹簧支架4。

其中，中央支撑弹簧3通过顶板1和底板2中央位置焊接的挂环，挂接在顶板1和底板2之间。

弹簧支架4共有四组，该四组弹簧支架沿底板2的竖向轴线以每两个的角间距为90°旋转对称分布。如图2所示，每一组弹簧支架4包括一个片簧6、一个斜拉弹簧7、两个片簧支架9、两个球铰。两个球铰的球铰支座8分别通过螺栓固定在上凸盘49和下凸盘50上，球铰的球杆与两个片簧支架9螺纹连接，用于提供不同方向振动激励对隔振器装置结构变形适应的调节。片簧6的两端采用螺栓5固定在片簧支架9上，用于进行整体的刚度的调节。片簧支架9的侧面焊接有挂环，斜拉弹簧7的两端通过挂环挂接在片簧6的下方，用于匹配片簧6进行整体的刚度调节。

如图1所示，本实施例的隔振装置，在使用过程中，其固定方向要严格按照如下方式进行设置：

（1）Z向沿顶板（1）和底板（2）的竖向轴线方向；

（2）Y向沿任意两个夹角呈180°的弹簧支架（4）的连接线方向；

（3）X向根据Y向、Z向由右手笛卡尔坐标系来确定；

（4）其他三个旋转自由度方向则分别沿X、Y、Z方向按照右手定则来定；

（5）被隔振物体需固定在顶板位置，其重力方向沿整个装置的Z向，底板用来将隔振器进行安装固定，且整个隔振装置需沿其Z向进行垂直固定。

本实施例的隔振装置在初始状态下，中央支撑弹簧3处于拉伸状态，四个斜拉弹簧（45、46、47、48）处于压缩状态，四个片簧（41、42、43、44）处于弯曲压缩状态。

本发明还提供了上述六自由度准零刚度隔振装置的调试方法，其分为初始状态下的调试和六个自由度方向上的隔振性能调试。

首先，在初始状态下，根据所要被隔振物体的重量来选择四个片簧（41、42、43、44），以达到被隔振物体的重量全部由四个片簧（41、42、43、44）来均匀支撑的目的，则四个片簧（41、42、43、44）各自的弹力分别为被隔振物体重量的四分之一。位于顶板1和底板2之间的中央支撑弹簧3始终处于被拉伸的状态，周围四个弹簧支架4上的斜拉弹簧（45、46、47、48）始终处于被压缩的状态，中央支撑弹簧3提供初始负刚度与四个斜拉弹簧（45、46、47、48）提供的初始正刚度相抵消，以实现整体的零刚度。

然后进行六个自由度方向上的零刚度隔振性能调试。

对于Z向位移自由度的隔振调试，如图3所示，中央支撑弹簧3由于Z向的受力产生向下位移，但仍处于拉伸状态，如图3中的10，其中“-”表示主要用于提供该方向上的负刚度作用；四个弹簧支架4上的第一斜拉弹簧45、第二斜拉弹簧46、第三斜拉弹簧47、第四斜拉弹簧48处于压缩状态，如图3中的11所示，其中“+”表示用于提供该方向上的正刚度作用；四个弹簧支架4上的第一片簧41、第二片簧42、第三片簧43、第四片簧44处于弯曲压缩状态，如图3中的12所示，其中“+”表示同样用于提供该方向上的正刚度作用。通过调节中央支撑弹簧3、四个斜拉弹簧（45、46、47、48）和四个片簧（41、42、43、44）共计九个弹簧之间的刚度对应关系来实现整个隔振器在Z向位移自由度的准零刚度特性。

对于X向位移自由度的隔振调试，如图4所示，中央支撑弹簧3拉伸程度会变大，如图4中的10所示，其中“+”表示用于提供该方向上的正刚度作用；处于Y向的两个弹簧支架4仅用作支撑被隔振物体作用；第三片簧43、第四斜拉弹簧48处于弯曲压缩状态，如图4中的12和14，其中“+”表示用于提供该方向上的正刚度作用；第四片簧44、第三斜拉弹簧47处于弹回拉伸状态，如图4中的11和13，其中“-”表示用于提供该方向上的负刚度作用。通过调节中央支撑弹簧3、第三片簧43、第四片簧44和第三斜拉弹簧47、第四斜拉弹簧48共计五个弹簧之间的刚度对应关系来实现整个隔振器在X向位移自由度的准零刚度特性。

对于Y向位移自由度的隔振调试，如图4所示，中央支撑弹簧3拉伸程度会变大，如图4中的10，其中“+”表示而用于提供该方向上的正刚度作用；处于X向的两个弹簧支架4仅用作支撑被隔振物体作用；第一片簧41、第二斜拉弹簧46处于弯曲压缩状态，如图4中的12和14，其中“+”表示用于提供该方向上的正刚度作用；第二片簧42、第一斜拉弹簧45处于弹回拉伸状态，如图4中的11和13，其中“-”表示用于提供该方向上的负刚度作用。通过调节中央支撑弹簧3、第一片簧41、第二片簧42和第一斜拉弹簧45、第二斜拉弹簧46共计五个弹簧之间的刚度对应关系来实现整个隔振器在Y向位移自由度的准零刚度特性。

对于绕X向的旋转自由度的隔振，如图5所示，中央支撑弹簧3始终处于拉伸状态，如图5中的10所示，但拉伸程度没有变化，因此不起该自由度方向的刚度调节作用；处于X向的两个弹簧支架4仅用作支撑被隔振物体作用；第一片簧41、第一斜拉弹簧45处于弯曲压缩状态，如图5中的12和11，其中“+”表示用于提供该方向上的正刚度作用；第二片簧42、第二斜拉弹簧46处于弹回拉伸状态，如图5中的14和13，其中“-”表示用于提供该方向上的负刚度作用。通过调节第一片簧41、第二片簧42和第一斜拉弹簧45、第二斜拉弹簧46共计四个弹簧之间的刚度对应关系来实现整个隔振器在绕X向的旋转自由度的准零刚度特性。

对于绕Y向的旋转自由度的隔振，如图5所示，中央支撑弹簧3始终处于拉伸状态，如图5中的10，但拉伸程度没有变化，因此不起该自由度方向的刚度调节作用；处于Y向的两个弹簧支架4仅用作支撑被隔振物体作用；第四片簧44、第四斜拉弹簧48处于弯曲压缩状态，如图5中的12和11，其中“+”表示用于提供该方向上的正刚度作用；第三片簧43、第三斜拉弹簧47处于弹回拉伸状态，如图5中的14和13，其中“-”表示用于提供该方向上的负刚度作用。通过调节第三片簧43、第四片簧44和第三斜拉弹簧47、第四斜拉弹簧48共计四个弹簧之间的刚度对应关系来实现整个隔振器在绕Y向的旋转自由度的准零刚度特性。

对于绕Z向的旋转自由度的隔振，如图6所示，中央支撑弹簧3仍始终处于拉伸状态，如图6中的10，但拉伸程度没有变化，因此不起该自由度方向的刚度调节作用；四个斜拉弹簧（45、46、47、48）仍处于压缩状态，如图6中的11所示，其中“-”表示由于压缩量减小而用于提供该方向上的负刚度作用；四个片簧（41、42、43、44）处于弯曲压缩状态，如图6中的12所示，其中“+”表示由于弯曲程度更大而用于提供该方向上的正刚度作用。通过调节四个斜拉弹簧（45、46、47、48）和四个片簧（41、42、43、44）共计八个弹簧之间的刚度对应关系来实现整个隔振器在绕Z向的旋转自由度的准零刚度特性。

Claims (9)

1.一种六自由度准零刚度隔振装置，其特征在于：包括顶板、底板、设置在所述顶板和底板之间的隔振器；所述的隔振器包括中央支撑弹簧和弹簧支架；所述中央支撑弹簧的两端分别挂接在所述顶板和底板的中央位置；所述的弹簧支架共有四组，沿所述底板竖向轴线等角间距旋转对称分布；每组弹簧支架的两端分别与顶板和底板连接，并且所述弹簧支架相对于水平方向倾斜设置。

2.根据权利要求1所述的六自由度准零刚度隔振装置，其特征在于：所述顶板的尺寸小于底板的尺寸。

3.根据权利要求2所述的六自由度准零刚度隔振装置，其特征在于：所述的弹簧支架包括片簧、斜拉弹簧、弹簧支座和球铰，所述弹簧支座通过球铰与顶板和底板连接；所述片簧的两端固定在所述弹簧支座上；所述斜拉弹簧设置在所述片簧的下方，两端挂接在所述弹簧支座上。

4.据权利要求3所述的六自由度准零刚度隔振装置，其特征在于：所述的顶板和/或底板的边缘分别等间距设有四个凸盘，所述凸盘通过螺栓与所述球铰的支座连接。

5.据权利要求1-4任一项所述的六自由度准零刚度隔振装置，其特征在于：所述的隔振器采用不锈钢材质。

6.一种六自由度准零刚度隔振装置的调试方法，其特征在于：该方法通过选择性地调节中央支撑弹簧与四个弹簧支架的片簧和斜拉弹簧之间的刚度对应关系以实现整体的零刚度；首先进行初始状态调试，然后对六个自由度方向的隔振性能进行调试。

7.根据权利要求6所述的六自由度准零刚度隔振装置的调试方法，其特征在于：初始状态下，中央支撑弹簧处于被拉伸的状态，周围四个弹簧支架上的斜拉弹簧处于被压缩的状态，中央支撑弹簧提供初始负刚度与四个斜拉弹簧提供的初始正刚度相抵消，整体刚度为零。

8.根据权利要求6所述的六自由度准零刚度隔振装置的调试方法，其特征在于：六个自由度方向的隔振性能调试包括：

Z向位移自由度，选择中央支撑弹簧、四个弹簧支架上的四个斜拉弹簧和四个片簧进行调试；

X向位移自由度，选择中央支撑弹簧、沿X向的两个弹簧支架上的两个斜拉弹簧和两个片簧进行调试；

Y向位移自由度，选择中央支撑弹簧、沿Y向的两个弹簧支架上的两个斜拉弹簧和两个片簧进行调试；

绕X向的旋转自由度，选择沿Y向的两个弹簧支架上的两个斜拉弹簧和两个片簧进行调试；

绕Y向的旋转自由度，选择沿X向的两个弹簧支架上的两个斜拉弹簧和两个片簧来实现进行调试；

绕Z向的旋转自由度，选择四个弹簧支架上的四个斜拉弹簧和四个片簧进行调试。

9.一种六自由度准零刚度隔振方法，其特征在于，包括：

（1）、先将权利要求1-4任一项所述的六自由度准零刚度隔振装置按照如下方法进行固定：Z向沿顶板和底板的竖向轴线方向；Y向沿任意两个夹角呈180°的弹簧支架的连接线方向；X向根据Y向、Z向由右手笛卡尔坐标系来确定；其他三个旋转自由度方向则分别沿X、Y、Z方向按照右手定则来定；

（2）、将被隔振物体固定在顶板位置，其重力方向沿整个装置的Z向，且整个隔振装置沿其Z向进行垂直固定。

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