CN112081863B - 一种悬臂梁式主被动一体化正交六自由度隔振装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种悬臂梁式主被动一体化正交六自由度隔振装置，包括：上平台(1)、3个三接头准零转动刚度铰链(2)、6个碳纤维杆(3)、6个两接头准零转动刚度铰链(4)、6个主被动一体化的直线隔振机构(5)；每个主被动一体化的直线隔振机构(5)与外部航天器固定连接，上平台(1)与外部载荷连接；低频在外部航天器沿六自由度方向运动时产生的低频和高频微振动，通过3个三接头准零转动刚度铰链(2)、6个碳纤维杆(3)、6个两接头准零转动刚度铰链(4)共同配合，以解耦的形式转换成沿主被动一体化的直线隔振机构(5)的轴向振动，由主被动一体化的直线隔振机构(5)进行高频微振动的隔离和低频微振动的抑制，以减小外部航天器微振动对与上平台(1)连接的外部载荷的稳定度和指向精度的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种悬臂梁式主被动一体化正交六自由度隔振装置，属于航天高分辨率对地观测、星载精密光学仪器等在内的多自由度微振动控制领域。
背景技术
随着大型天基天文观测航天器、极高分辨率对地观测卫星等航天器任务提出了光学载荷、激光载荷的超敏捷机动搜索、超高精度指向、超高稳定度控制等“三超”控制需求。航天器本体飞轮、控制力矩陀螺、制冷机以及驱动机构等活动部件诱发的在轨中高频微振动环境，以及航天器挠性附件、液体晃动等柔性大、低频模态密集引起的航天器本体低频大幅度振动是制约光学载荷、激光载荷“三超”控制的主要因素。因此，研究并开发能够实现航天器结构振动向大型光学载荷、激光载荷传递的高频隔离与低频抑制装置，大大提高航天器上大型光学载荷以及激光设备的指向精度和稳定性成为亟待解决的问题。
目前，针对航天器本体与光学载荷间振动隔离的装置主要有被动和主动两种，被动隔振装置结构简单可靠，但低频隔振效果差；主动隔装置大多基于音圈电机和弹性铰链构建的Stewart构型的六自由度隔振装置，可解决平台振动干扰问题，但带来了重量重、功耗高以及可靠性低的实际应用困难，主要体现在以下几个方面：
1、音圈电机作动器重量过重
针对大型光学载荷主动隔振对作动器大出力的需求，音圈电机作动器重量过重，且音圈电机没有导向装置，必须另外配置直线导轨，这使得单腿作动器重量进一步增大，限制了在航天器上的实际应用。
2、作动器备份困难
音圈电机作动器是主动控制的核心执行机构，由于其体积大、重量重，很难对其进行备份设计，有把Stewart构型的六杆式改为八杆式来实现作动器的备份，但这无疑增加了跟多的重量和控制系统的复杂度。
3、弹性铰链未实现零转动刚度
无论是六杆式隔振装置还是八杆式隔振装置，外部载荷相对航天器运动的同时伴随着杆的伸缩和转动，振动的传递路径存在杆的伸缩运动和三个转动四条路线，杆的伸缩运动主要靠作动器控制，弹性铰链转动刚度不为零时伸缩和转动两条路径是耦合的，只有转动刚度为零时才能实现解耦，而目前所见铰链虽然进行了弹性设计来降低转动刚度但仍有较大差距。
4、上平台弹性铰链转动中心间距大，难以实现解耦
按照Stewart构型的六杆隔振平台解耦设计，六根杆分三组，每组内两根杆相互垂直且通过弹性铰链实现与上平台的共点连接，目前所见上平台铰链均为分体式，能够实现每组内两根杆相互垂直，单无法实现与上平台的共点连接，整个六杆平台无法实现解耦。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种悬臂梁式主被动一体化正交六自由度隔振装置，实现了作动器的轻量化和双重备份，实现了刚度解耦，运动学解耦，实现对外部航天器在轨低频、高频微振动进行隔离和抑制，以减小外部航天器微振动对与上平台连接的外部载荷的稳定度和指向精度的影响。
本发明解决的技术方案为：一种悬臂梁式主被动一体化正交六自由度隔振装置，包括：上平台(1)、3个三接头准零转动刚度铰链(2)、6个碳纤维杆(3)、6个两接头准零转动刚度铰链(4)、6个主被动一体化的直线隔振机构(5)；
上平台(1)通过3个三接头准零转动刚度铰链(2)分别与6个碳纤维杆(3)的一端连接，每个三接头准零转动刚度铰链(2)与2个碳纤维杆(3)的一端铰接；每个个碳纤维杆(3)的另一端通过两接头准零转动刚度铰链(4)与主被动一体化的直线隔振机构(5)铰接，每个主被动一体化的直线隔振机构(5)与外部航天器固定连接，上平台(1)与外部载荷连接；
在航天器沿六自由度方向运动时产生的低、高频微振动，通过3个三接头准零转动刚度铰链(2)、6个碳纤维杆(3)、6个两接头准零转动刚度铰链(4)共同配合，以解耦的形式，转换成沿主被动一体化的直线隔振机构(5)的轴向振动，由主被动一体化的直线隔振机构(5)进行高频微振动的隔离和低频微振动的抑制。
优选的，6个碳纤维杆(3)共分三组，每组中，每个三接头准零转动刚度铰链(2)与2个碳纤维杆(3)的一端铰接，与同一个三接头准零转动刚度铰链(2)连接的2个碳纤维杆(3)为一组；分别通过3个三接头准零转动刚度铰链(2)实现组内2个碳纤维杆的相互垂直，实现直线隔振机构(5)的刚度向上平台(2)传递的正交化；6个碳纤维杆分别通过三接头准零转动刚度铰链(2)和两接头准零转动刚度铰链(4)实现碳纤维杆相对上平台(1)和外部航天器的准零刚度转动。
低频微振动，主要是指因为航天器上低频附件的振动或推进剂的液体晃动以及帆板驱动机构引起的航天器刚体运动响应。
优选的，在使用时外部载荷安装于上平台(1)，外部载荷的质心须与上平台(1)的形心重合，与3个三接头准零转动刚度铰链(2)、6个碳纤维杆(3)、6个两接头准零转动刚度铰链(4)共同配合的运动学解耦，联合实现带外部载荷情况下上平台(1)六自由度方向振动的正交化；
高频微振动，是指由于航天器内部的反作用轮、磁带机、低温制冷器工作时引起结构振动响应。
优选的，每个三接头准零转动刚度铰链(2)具有一个固定端和两个活动端、两个定位球以及张紧绳；固定端为有厚度直角三角形结构，形成直角三角形结构的直角端的两个相互垂直的面上，分别设有两个球窝，两个球窝相对直角三角形斜边的中垂线对称；两个球窝之间开有弧形通孔，将两个球窝连通；活动端，为一面为弧形的长方体；(即对长方体的一个平面加工成弧形面，形成的结构)，活动端的弧形面上设有球窝，球窝底部设有通孔作为张紧绳预紧装置安装孔；张紧绳预紧装置的安装孔为螺纹孔；张紧绳预紧装置为螺柱结构，能够与张紧绳预紧装置的安装孔螺纹配合，
两个定位球上沿球的直径方向开有通孔，与两个球窝之间的弧形通孔位置对应；定位球置于固定端球窝与活动端球窝组成的空间内；张紧绳穿过两个定位球以及两个球窝之间的弧形通孔，张紧绳两端分别与张紧绳预紧装置的端部相连；通过调节张紧绳预紧装置在张紧绳预紧装置安装孔中的位置，调节张紧绳的预紧力；
活动端还设有与6个碳纤维杆(3)的连接端。
优选的，在不影响两活动端±0.2°范围内摆动干涉的情况下，两个球窝的球心距应尽量小。
优选的，活动端，为一面为弧形的长方体，具体为：对长方体的一个平面加工成弧形面后形成的结构。
优选的，每个两接头准零转动刚度铰链(4)包括两个活动端、一个定位球、一根张紧绳以及两套张紧装置；一活动端为长方体，端面设有球窝，另一活动端为弧形面端面的长方体，弧形面端面上设有球窝，球窝底部设有通孔作为张紧绳预紧装置安装孔；张紧绳预紧装置的安装孔为螺纹孔；张紧绳预紧装置为螺柱结构，能够与张紧绳预紧装置的安装孔螺纹配合。
定位球上沿球的直径方向开有通孔，与两个球窝之间的弧形通孔位置对应；定位球置于平面端球窝与弧面端球窝组成的空间内；张紧绳穿过定位球以及两球窝之间的通孔，张紧绳两端分别与张紧绳预紧装置的端部相连；通过调节张紧绳预紧装置在张紧绳预紧装置安装孔中的位置，调节张紧绳的预紧力；
平面端还设有与6个碳纤维杆(3)的连接端，弧面端设有与6个直线隔振机构(5)连接端。
优选的，主被动一体化的直线隔振机构(5)，包括：8个悬臂梁式隔振器、芯轴、云台、直线轴承、加速度传感器、位移传感器以及外壳；
悬臂梁式隔振器的一端为悬臂梁，另一端为折叠梁；悬臂梁一端与折叠梁相连，另一端与外壳相连；
云台有两个，每个云台为中空矩形，中空部分为圆柱形，以芯轴的第三圆柱段的外缘尺寸配合；
芯轴，包括：第一圆柱段、第二圆柱段、第三圆柱段；第一圆柱段、第二圆柱段和第三圆柱段同轴；第一圆柱段、第二圆柱段、第三圆柱段依次连接；第一圆柱段的直径大于第二圆柱段的直径、第二圆柱段的直径大于第三圆柱段的直径；
直线轴承内侧套在芯轴的第二圆柱段上，外侧与外壳固定连接；
一个云台套在芯轴的第三圆柱段上，且位于靠近第二圆柱段的一端；另一云台套在芯轴的第三圆柱段上，且位于远离第二圆柱段的一端；
每个云台的四个侧面分别与四个悬臂梁式隔振器的折叠梁固定连接；
加速度传感器安装在芯轴的第三圆柱段远离第二圆柱段的一端的端面上、位移传感器安装在外壳上，与加速度传感器相对设置，能够测量加速度传感器的位移，从而获得芯轴的位移；加速度传感器用于测量芯轴沿轴向的振动加速度。
进一步优选的，每个悬臂梁式隔振器包括：悬臂梁(5.1)、压电作动器(5.2)、粘弹性橡胶板(5.3)、粘结层(5.4)以及折叠梁(5.5)；
折叠梁，包括：第一纵直梁、第二纵直梁、第三纵直梁、第四纵直梁、第一横直梁、第二横直梁、第三横直梁；第一纵直梁的一端作为折叠梁的连接端1；第一纵直梁的另一端垂直连接第一横直梁的一端，第一横直梁的另一端连接第二纵直梁的一端，第二纵直梁的另一端垂直连接第二横直梁的一端，第二横直梁的另一端垂直连接第三纵直梁的一端，第三纵直梁的另一端垂直连接第三横直梁的一端，第三横直梁的另一端连接第四纵直梁的一端，第四纵直梁的另一端，作为折叠梁的连接端2；折叠梁的连接端2连接云台；
悬臂梁，为中空长方体，中空长方体的上表面和下表面之间设有横隔板，横隔板的一端与中空长方体相连，该一端作为悬臂梁根部，悬臂梁的另一端作为悬臂梁头部，另一端悬空；横隔板平行于中空长方体的上表面和下表面；在中空长方体内横隔板的上下两侧均装满粘弹性橡胶板，且横隔板与中空长方体的上表面之间的粘弹性橡胶板，一侧与横隔板粘接固定，另一侧与中空长方体的上表面内侧粘接固定；横隔板与中空长方体的下表面之间的粘弹性橡胶板，一侧与横隔板粘接固定，另一侧与中空长方体的下表面内侧粘接固定；
悬臂梁头部与折叠梁的连接端1固连，且悬臂梁中的横隔板垂直于折叠梁的第一纵直梁；
悬臂梁根部与悬臂梁式隔振器的外壳连接。
优选的，每个云台的四个侧面分别与四个悬臂梁式隔振器的折叠梁固定连接，相邻两个折叠梁所在的平面呈90°角。
优选的，与每个三接头准零转动刚度铰链(2)铰接的2个碳纤维杆(3)呈90°角。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的一种悬臂梁式主被动一体化正交六自由度隔振装置，可以实现航天器结构振动向大型光学载荷传递的高频隔离与低频抑制，大大提高航天器上大型光学载荷以及激光设备的指向精度和稳定性。
(2)本发明采用粘弹性阻尼与多层压电作动一体化的悬臂梁式隔振器，通过折叠梁实现悬臂梁末端自由约束条件以及悬臂梁弯曲振动向心轴的直线作动的转化，在实现振动隔离与抑制的同时具有质量超轻和驱动冗余的技术优势。
(3)本发明上下铰链均采用无刚度的球形铰链代替弹性铰链，实现了上平台六自由度方向的刚度解耦。
(4)本发明上铰链采用三接头准零转动刚度铰链，三接头准零转动刚度铰链的两个活动端可自动实现相互垂直，进一步地两个活动端的转动中心近乎重合，从而实现了运动学解耦。
(5)本发明该隔振装置采用六套粘弹性阻尼材料和压电薄膜一体化的悬臂梁作为阻尼器和作动器，实现了作动器的轻量化和双重备份；弹性铰链采用准零转动刚度铰链，实现了刚度解耦；上平台弹性铰链采用一体化设计，实现了运动学解耦。将这六套作动器根据Gough-Stewart并联机构的构型组合构成了一套主被动一体化正交六自由度振系统，实现对外部航天器在轨低频、高频微振动进行隔离和抑制，以减小外部航天器微振动对与上平台连接的外部载荷的稳定度和指向精度的影响。
附图说明
图1为本发明隔振装置示意图。
图2为本发明三接头准零转动刚度铰链示意图。
图3为本发明两接头准零转动刚度铰链示意图。
图4为本发明主被动一体化直线隔振机构示意图。
图5为本发明悬臂梁式隔振器示意图。
图6为本发明正交六自由度隔振装置布局示意图。
图7为本发明主被动一体化直线隔振机构控制回路示意图。
图8为本发明隔振装置输入和输出以及控制力的曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种悬臂梁式主被动一体化正交六自由度隔振装置，包括：上平台(1)、3个三接头准零转动刚度铰链(2)、6个碳纤维杆(3)、6个两接头准零转动刚度铰链(4)、6个主被动一体化的直线隔振机构(5)；上平台(1)通过3个三接头准零转动刚度铰链(2)分别与6个碳纤维杆(3)的一端连接，每个三接头准零转动刚度铰链(2)与2个碳纤维杆(3)的一端铰接；每个个碳纤维杆(3)的另一端通过两接头准零转动刚度铰链(4)与主被动一体化的直线隔振机构(5)铰接，每个主被动一体化的直线隔振机构(5)与外部航天器固定连接，上平台(1)与外部载荷连接；低频在外部航天器沿六自由度方向运动时产生的低频和高频微振动，通过3个三接头准零转动刚度铰链(2)、6个碳纤维杆(3)、6个两接头准零转动刚度铰链(4)共同配合，以解耦的形式转换成沿主被动一体化的直线隔振机构(5)的轴向振动，由主被动一体化的直线隔振机构(5)进行高频微振动的隔离和低频微振动的抑制，以减小外部航天器微振动对与上平台(1)连接的外部载荷的稳定度和指向精度的影响。
本发明涉及一种悬臂梁式主被动一体化正交六自由度隔振装置，主要用于实现航天器微振动向大型光学载荷、激光载荷传递的高频隔离与低频抑制，大大提高航天器上大型光学载荷以及激光设备的指向精度和稳定性。
本发明采用粘弹性阻尼与多层压电作动一体化的悬臂梁式隔振器，通过折叠梁实现悬臂梁末端自由约束条件以及悬臂梁弯曲振动向心轴的直线作动的转化，在实现振动隔离与抑制的同时具有质量超轻和驱动冗余的技术优势。
本发明上下铰链均采用无刚度的球形铰链代替弹性铰链，实现了12个铰链刚度在上平台六自由度方向等效刚度
为零，实现悬臂梁式隔振器(5)的轴向刚度和弹性铰链刚度在上平台六自由度方向等效刚度为对角矩阵，进而实现整体刚度解耦：
式中：Kj(j＝1～12)为上下12个弹性铰链刚度在工作空间的表示，kJTJ为六个悬臂梁式隔振器(5)的轴向刚度k在上平台六自由度的等效刚度，J为Stewart平台的雅克比矩阵。
(4)本发明上铰链采用三接头准零转动刚度铰链，三接头准零转动刚度铰链的两个活动端可自动实现相互垂直，进一步地两个活动端的转动中心近乎重合，从而实现了运动学解耦，即下式为对角阵。
JTJ＝diag(6,6)
J为Stewart平台的雅克比矩阵。
本发明一种悬臂梁式主被动一体化正交六自由度隔振装置，优选方案为：包括：上平台(1)、3个三接头准零转动刚度铰链(2)、6个碳纤维杆(3)、6个两接头准零转动刚度铰链(4)、6个主被动一体化的直线隔振机构(5)；
上平台(1)通过3个三接头准零转动刚度铰链(2)分别与6个碳纤维杆(3)的一端连接，每个三接头准零转动刚度铰链(2)与2个碳纤维杆(3)的一端铰接；每个碳纤维杆(3)的另一端通过两接头准零转动刚度铰链(4)与主被动一体化的直线隔振机构(5)铰接，每个主被动一体化的直线隔振机构(5)与外部航天器固定连接，上平台(1)与外部载荷连接；
外部星体在轨中高频微振动，通过主被动一体化的直线隔振机构(5)的刚度和阻尼将沿主被动一体化的直线隔振机构(5)轴向的高频振动进行隔离，并对沿主被动一体化的直线隔振机构(5)轴向的低频振动进行抑制，在外部载荷沿六自由度方向运动时产生的中高频微振动时，通过3个三接头准零转动刚度铰链(2)、6个碳纤维杆(3)、6个两接头准零转动刚度铰链(4)共同配合，以解耦的形式将上平台(1)的六自由度振动转换成沿主被动一体化的直线隔振机构(5)的轴向一维振动，由主被动一体化的直线隔振机构(5)按一维振动进行高频微振动的隔离和低频微振动的抑制。
低频微振动，优选是指因为低频附件的振动或推进剂的液体晃动以及帆板驱动机构引起的航天器刚体运动响应。
高频微振动，优选是指由于航天器内部的反作用轮、磁带机、低温制冷器等工作时引起结构振动响应。
与每个三接头准零转动刚度铰链(2)铰接的2个碳纤维杆(3)呈90度，具体为：每个三接头准零转动刚度铰链(2)固定端为有厚度直角三角形结构，形成直角三角形结构的直角端的两个相互垂直的面上，两个活动端弧面相切与固定端的两个直角端实现两个活动端轴线相互垂直，2个碳纤维杆(3)通过与活动端的同轴连接自动保证相互垂直。
外部星体在轨中高频微振动，通过主被动一体化的直线隔振机构(5)的刚度和阻尼将沿主被动一体化的直线隔振机构(5)轴向的高频振动进行隔离，并对沿主被动一体化的直线隔振机构(5)轴向的低频振动进行抑制，具体为：
在外部载荷沿六自由度方向运动时产生的中高频微振动时，通过3个三接头准零转动刚度铰链(2)、6个碳纤维杆(3)、6个两接头准零转动刚度铰链(4)共同配合，以解耦的形式，转换成沿主被动一体化的直线隔振机构(5)的轴向振动，由主被动一体化的直线隔振机构(5)进行高频微振动的隔离和低频微振动的抑制，具体为：
上平台(1)，优选方案具体为：厚度优选为10mm、宽度优选为100mm的中空等边三角型，三个角端与三个三接头准零转动刚度铰链(2)相连，上平台(1)用于在没有外部载荷时将三接头准零转动刚度铰链(2)连接为一体，进行整个六自由度平台隔振性能的调试和试验。
碳纤维杆(3)，优选方案具体为：外径优选为40mm、厚度优选为1.5mm的中空碳纤维管状结构，碳纤维杆(3)两头分别设置有与三接头准零转动刚度铰链(2)和两接头准零转动刚度铰链(4)连接。
优选方案为：每个三接头准零转动刚度铰链(2)具有一个固定端和两个活动端、两个定位球以及张紧绳；固定端为有厚度直角三角形结构，形成直角三角形结构的直角端的两个相互垂直的面上，分别设有两个球窝，两个球窝相对直角三角形斜边的中垂线对称；两个球窝之间开有弧形通孔，将两个球窝连通；活动端，为一面为弧形的长方体；(即对长方体的一个平面加工成弧形面，形成的结构)，活动端的弧形面上设有球窝，球窝底部设有通孔作为张紧绳预紧装置安装孔；张紧绳预紧装置的安装孔为螺纹孔；张紧绳预紧装置为螺柱结构，能够与张紧绳预紧装置的安装孔螺纹配合，
两个定位球上沿球的直径方向开有通孔，与两个球窝之间的弧形通孔位置对应；定位球置于固定端球窝与活动端球窝组成的空间内；张紧绳穿过两个定位球以及两个球窝之间的弧形通孔，张紧绳两端分别与张紧绳预紧装置的端部相连；通过调节张紧绳预紧装置在张紧绳预紧装置安装孔中的位置，调节张紧绳的预紧力；
活动端还设有与6个碳纤维杆(3)的连接端.
两个球窝的球心距，优选要求为在不影响两活动端±0.2°范围内摆动干涉的情况下，优选两个球窝的球心距应尽量小。
活动端，为一面为弧形的长方体，优选方案为：对长方体的一个平面加工成弧形面后形成的结构。
优选方案为：每个两接头准零转动刚度铰链(4)包括两个活动端、一个定位球、一根张紧绳以及两套张紧装置；一活动端为长方体，端面设有球窝，另一活动端为弧形面端面的长方体，弧形面端面上设有球窝，球窝底部设有通孔作为张紧绳预紧装置安装孔；张紧绳预紧装置的安装孔为螺纹孔；张紧绳预紧装置为螺柱结构，能够与张紧绳预紧装置的安装孔螺纹配合。
定位球上沿球的直径方向开有通孔，与两个球窝之间的弧形通孔位置对应；定位球置于平面端球窝与弧面端球窝组成的空间内；张紧绳穿过定位球以及两球窝之间的通孔，张紧绳两端分别与张紧绳预紧装置的端部相连；通过调节张紧绳预紧装置在张紧绳预紧装置安装孔中的位置，调节张紧绳的预紧力；
平面端还设有与6个碳纤维杆(3)的连接端，弧面端设有与6个直线隔振机构(5)连接端。
优选方案为：每个主被动一体化的直线隔振机构(5)，包括：8个悬臂梁式隔振器(4.1)、芯轴(4.2)、云台(4.3)、直线轴承(4.4)、加速度传感器(4.5)、位移传感器(4.6)以及外壳(4.7)；
悬臂梁式隔振器的一端为悬臂梁，另一端为折叠梁；悬臂梁一端与折叠梁相连，另一端与外壳相连；
云台有两个，每个云台为中空矩形，中空部分为圆柱形，以芯轴的第三圆柱段的外缘尺寸配合；
芯轴，包括：第一圆柱段、第二圆柱段、第三圆柱段；第一圆柱段、第二圆柱段和第三圆柱段同轴；第一圆柱段、第二圆柱段、第三圆柱段依次连接；第一圆柱段的直径大于第二圆柱段的直径、第二圆柱段的直径大于第三圆柱段的直径；
直线轴承内侧套在芯轴的第二圆柱段上，外侧与外壳固定连接；
一个云台套在芯轴的第三圆柱段上，且位于靠近第二圆柱段的一端；另一云台套在芯轴的第三圆柱段上，且位于远离第二圆柱段的一端；
每个云台的四个侧面分别与四个悬臂梁式隔振器的折叠梁固定连接；
加速度传感器安装在芯轴的第三圆柱段远离第二圆柱段的一端的端面上、位移传感器安装在外壳上，与加速度传感器相对设置，能够测量加速度传感器的位移，从而获得芯轴的位移；加速度传感器用于测量芯轴沿轴向的振动加速度。
优选方案为：每个悬臂梁式隔振器(5)、包括：悬臂梁(5.1)、压电作动器(5.2)、粘弹性橡胶板(5.3)、粘结层(5.4)以及折叠梁(5.5)；
折叠梁，包括：第一纵直梁、第二纵直梁、第三纵直梁、第四纵直梁、第一横直梁、第二横直梁、第三横直梁；第一纵直梁的一端作为折叠梁的连接端1；第一纵直梁的另一端垂直连接第一横直梁的一端，第一横直梁的另一端连接第二纵直梁的一端，第二纵直梁的另一端垂直连接第二横直梁的一端，第二横直梁的另一端垂直连接第三纵直梁的一端，第三纵直梁的另一端垂直连接第三横直梁的一端，第三横直梁的另一端连接第四纵直梁的一端，第四纵直梁的另一端，作为折叠梁的连接端2；折叠梁的连接端2连接云台；
悬臂梁，为中空长方体，中空长方体的上表面和下表面之间设有横隔板，横隔板的一端与中空长方体相连，该一端作为悬臂梁根部，悬臂梁的另一端作为悬臂梁头部，另一端悬空；横隔板平行于中空长方体的上表面和下表面；在中空长方体内横隔板的上下两侧均装满粘弹性橡胶板，且横隔板与中空长方体的上表面之间的粘弹性橡胶板，一侧与横隔板粘接固定，另一侧与中空长方体的上表面内侧粘接固定；横隔板与中空长方体的下表面之间的粘弹性橡胶板，一侧与横隔板粘接固定，另一侧与中空长方体的下表面内侧粘接固定；
悬臂梁头部与折叠梁的连接端1固连，且悬臂梁中的横隔板垂直于折叠梁的第一纵直梁；
悬臂梁根部与悬臂梁式隔振器的外壳连接。
优选的，每个云台的四个侧面分别与四个悬臂梁式隔振器的折叠梁固定连接，相邻两个折叠梁所在的平面呈90°角。
优选方案为：三接头准零转动刚度铰链(2)与碳纤维杆(3)连接的两个接头相互垂直，上平台(1)通过3个三接头准零转动刚度铰链(2)与6个碳纤维杆(3)的一端连接，每个三接头准零转动刚度铰链(2)垂直端与2个碳纤维杆(3)的一端连接，实现一对碳纤维杆相互垂直。
主被动一体化的直线隔振机构(5)在两接头准零转动刚度铰链下端与碳纤维杆(3)相连，大幅提高了单杆的横向频率。
三接头准零转动刚度铰链(2)的两个相互垂直的接头球面体通过张紧绳实现接头球面与中间楔形体的定位和约束。
6个碳纤维杆(3)通过6个两接头准零转动刚度铰链(4)与6个主被动一体化的直线隔振机构(5)的心轴连接，6个主被动一体化的直线隔振机构(5)的壳体与星体固定连接。
两接头准零转动刚度铰链(4)的是通过张紧绳穿过中间球体实现两接头球/平面体与中间球体的定位和约束。
主被动一体化的直线隔振机构(5)包括两组各4个呈90°周向阵列分布的粘弹性阻尼与多层压电作动一体化的悬臂梁式隔振器，折叠梁、心轴、端部直线轴承、尾部高精度加速度传感器、尾部高精度位移传感器以及外壳，悬臂梁根部与外壳连接，悬臂梁端部通过折叠梁与心轴连接。
悬臂梁式隔振器根部与直线隔振机构(5)外壳连接，悬臂梁端部通过折叠梁与心轴连接，折叠梁沿悬臂梁方向刚度为悬臂梁横向刚度的1/10来保证悬臂梁的末端接近自由的边界条件。
图1是本发明一种悬臂梁式主被动一体化正交六自由度隔振装置结构装配与组成图，本发明一种悬臂梁式主被动一体化正交六自由度隔振装置：包括上平台(1)、3个三接头准零转动刚度铰链(2)、6个碳纤维杆(3)、6个两接头准零转动刚度铰链(4)、6个主被动一体化的直线隔振机构(5)。上平台(1)通过3个三接头准零转动刚度铰链(2)与6个碳纤维杆(3)的一端连接，6个碳纤维杆(3)通过6个两接头准零转动刚度铰链(4)与6个主被动一体化的直线隔振机构(5)的心轴连接，6个主被动一体化的直线隔振机构(5)的壳体与星体固定连接。
图2是三接头准零转动刚度铰链，平面端与上平台连接，两个相互垂直的接头球面体通过张紧绳实现接头球面与中间楔形体的定位和约束，套管穿过孔，绳子在套管内保证不磨损，螺母+叠簧垫片实现预紧。
图3是两接头准零转动刚度铰链，两接头准零转动刚度铰链(4)的是通过张紧绳穿过中间球体实现两接头球/平面体与中间球体的定位和约束，中间球体保证定位和相对转动自由度，套管穿过孔，绳子在套管内保证不磨损，螺母+叠簧垫片实现预紧。
图4是主被动一体化直线隔振机构，包括两组各4个呈90°周向阵列分布的粘弹性阻尼与多层压电作动一体化的悬臂梁式隔振器，折叠梁、心轴、端部直线轴承、尾部高精度加速度传感器、尾部高精度位移传感器以及外壳，悬臂梁根部与外壳连接，悬臂梁端部通过折叠梁与心轴连接。加速度传感器、位移传感器的位置和作用。
图5是悬臂梁式隔振器包括‘曰’字型悬臂梁、粘弹性橡胶板以及多层压电作动器，2块粘弹性橡胶板胶结与‘曰’字型悬臂梁内的空白层，多层压电作动器胶结与曰’字型悬臂梁上下外表面。
所述张紧绳可以是芳纶Ⅲ或者凯夫拉绳等能够柔软弯曲并且表面比较丝滑的材料，所述套管应由不与张紧绳摩擦产生静电的硅橡胶等高分子材料制成，这是为了保证张紧绳在套管内的低摩擦和低磨损。
本发明进一步优选的具体实施方案，如图6所示，为本发明正交六自由度隔振装置布局示意图，每根杆的直线隔振机构(5)的参数主要分为刚度k、阻尼系数c和作动力f；每两根杆成90°组装，按120°周向分布构成Gough-Stewart并联机构，并联机构的上平台与外部载荷相连，在其圆心处建立坐标系Ou，六根杆与外部航天器连接，在其圆心处建立坐标系Od。
进一步地设Od到Ou的矢量为
Ou到上铰点的矢量为
Od到下铰点的矢量为
下铰点到上铰点的矢量为
四个矢量
形成封闭矢量四边形，这样就把上下铰点的距离li表示成上平台六个自由度q＝[xp,yp,zp,α,β,γ]T的函数，即:li＝fi(xp,yp,zp,α,β,γ)，上平台的运动就可以通过雅克比矩阵转化为杆的伸缩运动，关系如下式。
进一步地，在解耦的前提下，通过对单杆运动
的控制可以实现对上平台运动
的控制。
进一步优选的具体方案，如图7所示，为本发明主被动一体化直线隔振机构控制回路示意图，
为底部扰动加速度，k和c主被动一体化直线隔振机构轴向刚度和阻尼，m为外部载荷折算到杆伸缩运动方向的质量，
为杆的伸缩加速度，刚度k和阻尼c由悬臂梁式隔振器(5)的梁和阻尼层实现。如图8所示为本发明隔振装置输入和输出以及控制力的曲线示意图，通过输入和输出以及控制力曲线，能够证明本发明的隔振装置的效果显著。
进一步地，加速度传感器(4.5)检测到
后经过低通滤波后由增益为kI积分控制反馈给压电作动器(5.2)实现控制力f。
本发明上下铰链均采用无刚度的球形铰链代替弹性铰链，实现了上平台六自由度方向的刚度解耦，且本发明上铰链采用三接头准零转动刚度铰链，三接头准零转动刚度铰链的两个活动端可自动实现相互垂直，进一步地两个活动端的转动中心近乎重合，从而实现了运动学解耦。
本发明的一种悬臂梁式主被动一体化正交六自由度隔振装置，可以实现航天器结构振动向大型光学载荷传递的高频隔离与低频抑制，大大提高航天器上大型光学载荷以及激光设备的指向精度和稳定性，且本发明采用粘弹性阻尼与多层压电作动一体化的悬臂梁式隔振器，通过折叠梁实现悬臂梁末端自由约束条件以及悬臂梁弯曲振动向心轴的直线作动的转化，在实现振动隔离与抑制的同时具有质量超轻和驱动冗余的技术优势。
Claims (7)
1.一种悬臂梁式主被动一体化正交六自由度隔振装置，包括：上平台(1)、3个三接头准零转动刚度铰链(2)、6个碳纤维杆(3)、6个两接头准零转动刚度铰链(4)、6个主被动一体化的直线隔振机构(5)；
上平台(1)通过3个三接头准零转动刚度铰链(2)分别与6个碳纤维杆(3)的一端连接，每个三接头准零转动刚度铰链(2)与2个碳纤维杆(3)的一端铰接；每个碳纤维杆(3)的另一端通过两接头准零转动刚度铰链(4)与主被动一体化的直线隔振机构(5)铰接，每个主被动一体化的直线隔振机构(5)与外部航天器固定连接，上平台(1)与外部载荷连接；
在航天器沿六自由度方向运动时产生的低、高频微振动，通过3个三接头准零转动刚度铰链(2)、6个碳纤维杆(3)、6个两接头准零转动刚度铰链(4)共同配合，以解耦的形式，转换成沿主被动一体化的直线隔振机构(5)的轴向振动，由主被动一体化的直线隔振机构(5)进行高频微振动的隔离和低频微振动的抑制；
每个三接头准零转动刚度铰链(2)具有一个固定端和两个活动端、两个定位球以及张紧绳；固定端为有厚度直角三角形结构，形成直角三角形结构的直角端的两个相互垂直的面上，分别设有两个球窝，两个球窝相对直角三角形斜边的中垂线对称；两个球窝之间开有弧形通孔，将两个球窝连通；活动端，为一面为弧形的长方体；活动端的弧形面上设有球窝，球窝底部设有通孔作为张紧绳预紧装置安装孔；张紧绳预紧装置的安装孔为螺纹孔；张紧绳预紧装置为螺柱结构，能够与张紧绳预紧装置的安装孔螺纹配合，
两个定位球上沿球的直径方向开有通孔，与两个球窝之间的弧形通孔位置对应；定位球置于固定端球窝与活动端球窝组成的空间内；张紧绳穿过两个定位球以及两个球窝之间的弧形通孔，张紧绳两端分别与张紧绳预紧装置的端部相连；通过调节张紧绳预紧装置在张紧绳预紧装置安装孔中的位置，调节张紧绳的预紧力；
活动端还设有与6个碳纤维杆(3)的连接端；
每个两接头准零转动刚度铰链(4)包括两个活动端、一个定位球、一根张紧绳以及两套张紧装置；一活动端为长方体，端面设有球窝，另一活动端为弧形面端面的长方体，弧形面端面上设有球窝，球窝底部设有通孔作为张紧绳预紧装置安装孔；张紧绳预紧装置的安装孔为螺纹孔；张紧绳预紧装置为螺柱结构，能够与张紧绳预紧装置的安装孔螺纹配合；
定位球上沿球的直径方向开有通孔，与两个球窝之间的弧形通孔位置对应；定位球置于平面端球窝与弧面端球窝组成的空间内；张紧绳穿过定位球以及两球窝之间的通孔，张紧绳两端分别与张紧绳预紧装置的端部相连；通过调节张紧绳预紧装置在张紧绳预紧装置安装孔中的位置，调节张紧绳的预紧力；
平面端还设有与6个碳纤维杆(3)的连接端，弧面端设有与6个直线隔振机构(5)连接端；
主被动一体化的直线隔振机构(5)，包括：8个悬臂梁式隔振器、芯轴、云台、直线轴承、加速度传感器、位移传感器以及外壳；
悬臂梁式隔振器的一端为悬臂梁，另一端为折叠梁；悬臂梁一端与折叠梁相连，另一端与外壳相连；
云台有两个，每个云台为中空矩形，中空部分为圆柱形，与芯轴的第三圆柱段的外缘尺寸配合；
芯轴，包括：第一圆柱段、第二圆柱段、第三圆柱段；第一圆柱段、第二圆柱段和第三圆柱段同轴；第一圆柱段、第二圆柱段、第三圆柱段依次连接；第一圆柱段的直径大于第二圆柱段的直径、第二圆柱段的直径大于第三圆柱段的直径；
直线轴承内侧套在芯轴的第二圆柱段上，外侧与外壳固定连接；
一个云台套在芯轴的第三圆柱段上，且位于靠近第二圆柱段的一端；另一云台套在芯轴的第三圆柱段上，且位于远离第二圆柱段的一端；
每个云台的四个侧面分别与四个悬臂梁式隔振器的折叠梁固定连接；
加速度传感器安装在芯轴的第三圆柱段远离第二圆柱段的一端的端面上、位移传感器安装在外壳上，与加速度传感器相对设置，能够测量加速度传感器的位移，从而获得芯轴的位移；加速度传感器用于测量芯轴沿轴向的振动加速度。
2.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式主被动一体化正交六自由度隔振装置，其特征在于：6个碳纤维杆(3)共分三组，每组中，每个三接头准零转动刚度铰链(2)与2个碳纤维杆(3)的一端铰接，与同一个三接头准零转动刚度铰链(2)连接的2个碳纤维杆(3)为一组；分别通过3个三接头准零转动刚度铰链(2)实现组内2个碳纤维杆的相互垂直，实现直线隔振机构(5)的刚度向上平台(1)传递的正交化；6个碳纤维杆分别通过三接头准零转动刚度铰链(2)和两接头准零转动刚度铰链(4)实现碳纤维杆相对上平台(1)和外部航天器的准零刚度转动。
3.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式主被动一体化正交六自由度隔振装置，其特征在于：低频微振动，主要是指因为航天器上低频附件的振动或推进剂的液体晃动以及帆板驱动机构引起的航天器刚体运动响应。
4.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式主被动一体化正交六自由度隔振装置，其特征在于：在使用时外部载荷安装于上平台(1)，外部载荷的质心须与上平台(1)的形心重合，与3个三接头准零转动刚度铰链(2)、6个碳纤维杆(3)、6个两接头准零转动刚度铰链(4)共同配合的运动学解耦，联合实现带外部载荷情况下上平台(1)六自由度方向振动的正交化。
5.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式主被动一体化正交六自由度隔振装置，其特征在于：高频微振动，是指由于航天器内部的反作用轮、磁带机、低温制冷器工作时引起结构振动响应。
6.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式主被动一体化正交六自由度隔振装置，其特征在于：在不影响两活动端±0.2°范围内摆动干涉的情况下，两个球窝的球心距应尽量小。
7.根据权利要求1所述的一种悬臂梁式主被动一体化正交六自由度隔振装置，其特征在于：活动端，为一面为弧形的长方体，具体为：对长方体的一个平面加工成弧形面后形成的结构。
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