CN112268095A - 一种平衡位置自动调节的准零刚度隔振装置 - Google Patents

一种平衡位置自动调节的准零刚度隔振装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种平衡位置自动调节的准零刚度隔振装置。隔振装置由一组非线性倾斜弹簧与上层垂向弹簧并联而成的上层准零刚度隔振系统和由下层垂向弹簧和线性阻尼组合而成的线性隔振器;其中,上层负刚度机构下方对称布置电动控制装置,利用电动控制装置对负刚度机构在竖直方向上的位置进行调控,使隔振系统一直满足零刚度条件。电动控制装置通过对采集到的质量信号以及位移反馈信号分析处理,发出控制指令调控继电器状态来控制负刚度机构在竖直方向上的位置。通过在隔振器中引入此种作动机构,来实现在不同承载质量情况下,仍能够使系统具有较低的动刚度,使隔振系统一直处于准零刚度状态。同时,中间质量块的惯性力能平衡掉一部分由上层隔振器传来的力,从而使被隔振设备与基座之间的力传递率减小,可以有效减小振动带来的负面影响。

Description

一种平衡位置自动调节的准零刚度隔振装置
技术领域
本发明涉及低频隔振技术领域,尤其涉及一种平衡位置自动调节的准零刚度隔振系统。
背景技术
振动是一种十分普遍的物理现象,振动会在工业生产中造成各种危害,在精密机械方面对系统隔振性能的要求日益提高,在精密和超精密加工过程中,振动会对加工过程产生非常大的影响,使机械产品的加工质量和生产效率难以得到保障,所以隔离低频振动,保护人们和其它机械不受低频振动的影响就显得尤为必要。
由传统的减振理论可知,线性隔振器的起始隔振频率为系统固有频率的
Figure DEST_PATH_IMAGE001
倍。为了实现低频隔振,要尽可能降低系统的固有频率ω0。由系统固有频率ω0、系统刚度k、被隔振体质量m之间的关系:
Figure DEST_PATH_IMAGE002
可知,减小k或增大m均可使ω0减小。
但是系统刚度k减小或被隔振体质量m增大会导致被隔振物体的静位移过大,稳定性变差,因此,在隔离低频振动时,传统的线性隔振器面临着系统的承载能力和隔振效果之间的矛盾。因此,发明一种既能消减低频振动又能保证承载能力的隔振器就显得尤为必要;与此同时,在实际应用中还需要考虑承载物体存在质量变化的情形,所以目前急需解决的问题是如何保证隔振系统在承载质量发生变化的情况下仍旧具有“高静低动”特性。
发明内容
本发明目的在于提供一种平衡位置自动调节的准零刚度隔振装置,用以解决上述提到的如何保证隔振系统在承载质量发生变化的情况下仍旧具有“高静低动”特性的问题。通过在准零刚度隔振系统中引入作动机构,来实现在不同承载质量情况下仍能够使系统具有较低的动态刚度,使隔振系统一直处于准零刚度状态。并且,为了达到减小系统起始隔振频率、增宽隔振频带宽的目的,在平衡位置自动调节的单自由度准零刚度隔振器的基础上,引入中间质量块和阻尼器来构成双自由度平衡位置自动调节的准零刚度隔振器。
本发明提出的一种平衡位置自动调节的准零刚度隔振装置,具体包括上层准零刚度隔振器、下层线性隔振器、电动控制装置和水平调节装置:上层准零刚度隔振器包括承重平台、上层阻尼器、上层垂向弹簧、套筒、非线性倾斜弹簧、活塞柱;下层线性隔振器包括下层垂向弹簧、下层阻尼器、中间质量块;水平调节装置由滑轨、横向调节器、水平滑块和竖直滑块组成;电动控制装置由PLC控制器、继电器、电动推杆、质量传感器和位移传感器组成。
进一步地,所述上、下两层垂向弹簧承受承重平台与中间质量块重量自由压缩;所述非线性倾斜弹簧一端通过活塞柱与承重平台铰接,所述非线性倾斜弹簧另一端与套筒固定;所述上层垂向弹簧上端与承重平台底部固定,所述上层垂向弹簧下端与中间质量块固定;所述下层垂向弹簧上端与中间质量块固定,所述下层垂向弹簧下端与基座固定。
进一步地,基座侧边底部沿侧壁对称设置的两个继电器,所述继电器上均依次设置有由继电器控制的电动推杆。
进一步地,所述基座侧壁开设有滑槽,所述竖直滑块安装在滑槽内;所述水平滑块安装在竖直滑块内部;所述套筒通过连杆铰接在水平滑块上,所述套筒内安装有非线性倾斜弹簧。
进一步地,所述承重平台上设置有质量传感器;所述液压控制装置还包括PLC控制器、电源、位移传感器、继电器等均通过导线与PLC控制器和电源分别连接。
与现有的技术相比,本发明的优势为:该发明引入了电动控制装置和阻尼器,同时还引入了水平调节装置,通过引入的作动机构以及选择合理的结构参数和力学参数,不仅可以减小系统的起始隔振频率,增宽隔振频带,而且还可以实现在不同承载质量的情况下仍能够使系统具有较低的动态刚度,并且,所引入的作动机构还具有自锁作用,通过引入的阻尼器可以减小系统的振动幅度以及适应复杂多变的振动环境。本发明可以应用于手术台和精密加工机床上,通过自适应调节控制使隔振系统一直处于准零刚度状态,最大程度减小低频振动带来的负面影响。
附图说明
图1为本发明初始状态时整体结构示意图。
图2为本发明平衡状态时整体结构示意图。
图3为本发明电动控制系统图。
图中:1-基座、2-PLC控制器、3-继电器、4-电动推杆、5-下层垂向弹簧、6-下层阻尼器、7-中间质量块、8-滑轨、9-水平调节装置、10-水平滑块、11-竖直滑块、12-套筒、13-非线性倾斜弹簧、14-活塞柱、15-上层阻尼器、16-上层垂向弹簧、17-承重平台、18-质量传感器、19-被隔振体质量、20-位移传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图,对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示,本发明提供了一种平衡位置自动调节的双层准零刚度隔振器,采用电动控制的方法来调节负刚度机构的位置(电动控制系统原理图如图3示)。具体包括基座1、通过上层垂向弹簧16和上层阻尼器15以及中间质量块7安装在基座中部的承重平台17,所述基座1底部沿侧壁对称设置有2个继电器3,所述继电器3上均依次设置有由继电器控制的电动推杆4和由电动推杆驱动的安装在基座滑槽内的竖直滑块11,电动推杆推动竖直滑块11在滑轨8上移动,所述竖直滑块11内有水平滑块10,水平滑块10与套筒12铰接,所述套筒12内安装有非线性倾斜弹簧13,所述非线性倾斜弹簧13通过活塞柱14与承重平台17活动连接,所述非线性倾斜弹簧13在安装时具有一定的压缩量。
所述上层垂向弹簧16上端与承重平台17底部固定,所述上层垂向弹簧16下端与中间质量块7固定;所述下层垂向弹簧5上端与中间质量块7固定,所述下层垂向弹簧5下端与基座1固定;所述上、下层垂向弹簧安装时均具有一定的压缩量,用来承受承重平台17的重量而自由压缩;所述承重平台17上设置有质量传感器18;所述对称设置的活塞柱14、非线性倾斜弹簧13、上层垂向弹簧16、上层阻尼器15以及承重平台17组成一组负刚度机构。
所述电动推杆4对竖直滑块11具有支撑定位作用,在工作过程中电动推杆4推动竖直滑块11上下移动;所述电动推杆4和继电器3均固定在基座1上,电动推杆4与继电器3固定连接,电动推杆4的推力通过电流驱动减速器提供,通过继电器3对电动推杆4的控制,进而使得电动推杆4输出所需要的推力,推动竖直滑块11到指定的位置;质量传感器18安装在承重平台17上,感知承重平台17上的质量变化。
本发明的工作原理是:如图所示,当未放置被隔振体19时,上层非线性弹簧13处于倾斜状态。将被隔振体19放置于承重平台17的上表面时,上层垂向弹簧16与下层垂向弹簧5都会被压缩,可以调节水平调节装置9使得上层准零刚度系统满足零刚度条件,如果被隔振体19的质量发生改变时,通过质量传感器18检测承载质量的变化并将检测信号传递到PLC控制器2中,在PLC控制器中2对检测信号处理分析并将控制信号传递到继电器3来控制其通断状态,从而控制电动推杆4在竖直方向上运动,然后通过电动推杆4上的位移传感器20检测的信号与质量传感器18检测的信号进行对比来控制继电器3,从而使整个隔振系统重新回到平衡状态。通过选择合适的系统结构参数和力学参数,结合使用水平调节装置9与垂向的电动控制装置,使得系统的刚度为零。当被隔振体19在平衡位置附近振动时,系统的固有频率较低,承载能力较大。因此,该隔振系统可以实现低频减振的目标。
具体的,可以建立此隔振系统上层准零刚度系统部分的回复力f1的方程:
Figure 528469DEST_PATH_IMAGE003
其中,kv1为上层垂向弹簧16的刚度,kh1为非线性倾斜弹簧13的刚度,
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为非线性倾斜弹簧13的原长,
Figure 757194DEST_PATH_IMAGE005
未调节水平调节装置9时的长度,
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为置在横向产生的调整量,
Figure 740194DEST_PATH_IMAGE007
别表示承重平台17以及中间质量块7的位移。
对方程(1)关于进行求导可以得到系统的刚度方程:
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为使系统在平衡位置(平衡位置为负刚度机构和承重平台在同一水平线的位置,此时
Figure 197720DEST_PATH_IMAGE009
)处刚度为零,即达到本发明所述的准零刚度特性,将
Figure 356300DEST_PATH_IMAGE009
代入到方程(2)中,令
Figure DEST_PATH_IMAGE010
,整理得到:
Figure 506658DEST_PATH_IMAGE011
即在本发明设计中,满足方程(3)才能达到本发明所述的准零刚度特性,所以在设计中应综合考虑上层垂向弹簧16的刚度、非线性倾斜弹簧13的刚度及其原长与压缩量等参数。
本发明的主要工作过程是:当在承重平台17上放置的隔振体19质量增加
Figure DEST_PATH_IMAGE012
时,由于重量的变化,垂向弹簧进一步受到压缩,承重平台17在原平衡位置处会产生向下的位移x,此时增加的质量不再由垂向弹簧完全承载,而是由垂向弹簧和负刚度机构共同承载,系统已经不满足零刚度条件,隔振效果也相应变差,此时,安装在承重平台17上的质量传感器18感知质量的变化,将增加的质量信号传递给PLC控制器2。为了让所增加的质量完全由垂向弹簧承载,本发明引入液压作动机构推动竖直滑块11向下移动,移动位移为x,从而保证承重平台和负刚度机构在同一水平线上,使系统重新达到准零刚度状态。
以上内容是结合具体附图对本发明做出的优选实施方式,本发明的具体实现不受上述实施方式的限制。应当指出,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可做出改进或变型,这些改进或变型都应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种平衡位置自动调节的准零刚度隔振装置,其特征在于:包括上层准零刚度隔振器、下层线性隔振器、电动控制装置和水平调节装置:上层准零刚度隔振器包括套筒(12)、非线性倾斜弹簧(13)、活塞柱(14)、上层阻尼器(15)、上层垂向弹簧(16)、承重平台(17);下层线性隔振器包括下层垂向弹簧(5)、下层阻尼器(6)、中间质量块(7);水平调节装置由滑轨(8)、横向调节器(9)、水平滑块(10)和竖直滑块(11)组成;竖直方向控制装置由PLC控制器(2)、继电器(3)、电动推杆(4)、质量传感器(18)和位移传感器(20)组成。
2.根据权利要求1所述的一种平衡位置自动调节的准零刚度隔振装置,其特征在于:基座(1)侧边底部沿侧壁对称设置的两个继电器(3),所述继电器上均依次设置有由继电器控制的电动推杆(4)。
3.根据权利要求1所述的一种平衡位置自动调节的准零刚度隔振装置,其特征在于:所述上、下两层垂向弹簧承受承重平台(17)与中间质量块(7)的重量自由压缩;所述非线性倾斜弹簧(13)一端通过活塞柱(14)与承重平台(17)铰接,所述非线性倾斜弹簧(13)另一端与套筒(12)固定;所述上层垂向弹簧(16)上端与承重平台(17)底部固定,所述上层垂向弹簧(16)下端与中间质量块(7)固定;所述下层垂向弹簧(5)上端与中间质量块(7)固定,所述下层垂向弹簧下端(5)与基座(1)固定。
4.根据权利要求1所述的一种平衡位置自动调节的准零刚度隔振装置,其特征在于:所述基座(1)侧壁开设有滑槽,所述竖直滑块(11)安装在滑槽内;所述水平滑块(10)安装在竖直滑块(11)内部;所述套筒(12)铰接在水平滑块(10)上,所述套筒(12)内安装有非线性倾斜弹簧(13)。
5.根据权利要求1所述的一种平衡位置自动调节的准零刚度隔振装置,其特征在于;所述承重平台(17)上设置有质量传感器(18);所述电动控制装置还包括PLC控制器(2)、电源、位移传感器(20)、继电器(3)均通过导线与控制器和电源分别连接。
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