CN112377561B - 基于主动电磁负刚度结构的三自由度隔微振器 - Google Patents

基于主动电磁负刚度结构的三自由度隔微振器 Download PDF

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Abstract

基于主动电磁负刚度结构的三自由度隔微振器属于精密隔振技术领域，包括上板、基板以及连接上板和基板的三套主动电磁负刚度结构。主动电磁负刚度结构利用同轴嵌套双磁环结构在垂向实现刚度不可调整的负刚度特性，并利用与双磁环负刚度结构同轴嵌套的通电线圈产生精密可控的励磁磁通，改变动磁环周围的偏置磁场，进而实现负刚度值的调整，适应隔振负载质量及激励频率的变化。偏置磁场由定磁环提供，线圈中只需较小的电流产生励磁磁通对偏置磁场进行调节，而无需持续的高能量输入，系统能耗低；采用双磁环负刚度结构与线圈并联的方式实现可调负刚度特性，系统兼具被动隔振系统的高稳定性以及主动隔振系统的高隔振性能。

Description

基于主动电磁负刚度结构的三自由度隔微振器
技术领域
本发明属于精密隔振技术领域，特别是一种基于主动电磁负刚度结构的三自由度隔微振器。
背景技术
环境中的低频微幅振动干扰已经成为限制精密仪器设备装调、测试和实验精度提高的重点问题之一，为精密仪器设备配备低频隔振器逐渐成为超精密工程领域抑制环境微振动的主要技术手段。在单自由度隔振方面，低频隔振器的相关研究已经很多，但是在更加符合现实情况的三自由度低频隔振方面的研究工作却很少。
专利号ZL201610230242.9公开了一种三自由度微振动抑制平台及其控制方法，该技术方案由被动隔振单元与闭环主动隔振单元复合而成；被动隔振单元通过更换不同刚度、不同材料的金属弹簧实现变刚度特性；闭环主动隔振单元由压电致动器、机械放大构件、动态力传感器及控制器形成，通过比例积分力反馈控制算法实现天棚阻尼效果，有效衰减固有频率处的共振峰值，抑制和隔离绕x轴、y轴转动及沿z轴平动三自由度的微振动。该技术方案的特征在于：主动隔振单元采用高精度力传感器及压电致动器实现负载运动的精确监控与衰减，成本及能耗高，稳定性差，控制算法复杂。
专利号201911154944.3公开了一种具有准零刚度特性的三自由度并联隔振平台，该技术方案包括静平台、动平台、支链和三个准零刚度机构。准零刚度机构由水平弹簧和竖直弹簧构成，通过改变水平弹簧和竖直弹簧的压缩量实现变刚度特性，满足空间三平移自由度的隔振需求。该技术方案的特征在于：采用被动方式调整弹簧的压缩量，进而达到刚度可调的效果，系统稳定性高但是可调性差。
综上，如何通过隔振结构与原理创新，提供一种高稳定性、低能耗、刚度可调的高性能三自由度低频隔微振器以实现不同负载质量、不同激励频率下的低频/超低频隔振效果，对进一步降低环境微振动干扰对精密仪器设备的装调、测试和实验精度的影响具有重大意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有被动式三自由度准零刚度隔振器可调性差，主被动复合式三自由度准零刚度隔振器成本及能耗高，稳定性差，控制算法复杂等问题，提出了一种基于主动电磁负刚度结构的三自由度隔微振器。主动电磁负刚度结构利用同轴嵌套双磁环结构在垂向实现刚度不可调整的负刚度特性，并利用与双磁环负刚度结构同轴嵌套的通电线圈产生精密可控的励磁磁通，改变动磁环周围的偏置磁场，进而实现负刚度值的调整，适应隔振负载质量及激励频率的变化。偏置磁场由定磁环提供，线圈中只需较小的电流产生励磁磁通对偏置磁场进行调节，而无需持续的高能量输入，系统能耗低；采用双磁环负刚度结构与线圈并联的方式实现可调负刚度特性，系统兼具被动隔振系统的高稳定性以及主动隔振系统的高隔振性能。
本发明的技术解决方案是：
一种基于主动电磁负刚度结构的三自由度隔微振器，包括上板、基板以及连接上板和基板的三套主动电磁负刚度结构；各套主动电磁负刚度结构顶端和上板的连接点在上板上沿圆周间隔120°均匀分布；各套主动电磁负刚度结构下端和基板的连接点在基板上沿圆周间隔120°均匀分布；各套主动电磁负刚度结构的中心轴线与基板上表面的夹角均为60°；上板相对于基板有沿着垂向z轴平动的自由度以及绕水平x和y轴转动的自由度；所述主动电磁负刚度结构的作动杆顶端通过柔性铰链与上板底部的固定连接件连接，主动电磁负刚度结构的支撑杆底部通过柔性铰链与基板上的固定连接件连接；主动电磁负刚度结构包括作动杆、定磁环固定件、定磁环、动磁环安装件、动磁环、线圈骨架、线圈、螺旋弹簧和支撑杆；定磁环固定件、定磁环、动磁环安装件、动磁环、线圈骨架和线圈由轴线沿半径向外依次同轴嵌套，整体结构呈轴对称；所述定磁环固定件为T形圆柱，底部通过螺纹与线圈骨架的底部固定连接；所述定磁环固定安装在定磁环固定件外壁，定磁环为沿轴向磁化的环形永磁体；动磁环安装件同轴嵌套在定磁环外侧，且与定磁环沿径向设有间隙，动磁环安装件为环形套筒，顶端通过螺纹与作动杆固定连接，底部设置环形凸台，凸台内设置环形凹槽；螺旋弹簧的顶端同轴固定安装在动磁环安装件底部的环形凹槽内，底部与线圈骨架固定连接；动磁环固定安装在动磁环安装件外壁，动磁环为沿轴向磁化的环形永磁体，动磁环与定磁环磁化方向相同，轴向高度中心等高；线圈骨架同轴嵌套在动磁环外侧，且与动磁环沿径向设有间隙，线圈骨架为外壁上、下端设有凸台的环形套筒，线圈骨架底部通过螺纹与支撑杆固定连接；线圈骨架上绕有线圈，线圈中通以精密可控的驱动电流，线圈关于动磁环的轴向高度中心对称。
优选的，所述线圈骨架底部设置环形凹槽，螺旋弹簧压紧固定安装在环形凹槽内。
优选的，所述环形凹槽底部设有垫片。
优选的，所述定磁环固定件、动磁环安装件、作动杆、螺旋弹簧和支撑杆的材料为不导磁或弱导磁的铝合金、钛合金或奥氏体不锈钢。
优选的，所述线圈骨架的材料为陶瓷、花岗岩、玻璃钢或硬质塑料。
本发明的技术创新性及产生的良好效果在于：
(1)该技术方案采用同轴嵌套双磁环结构与通电线圈并联实现可调负刚度特性，兼具被动隔振系统的稳定性以及主动隔振系统的高隔振性能。利用同轴嵌套双磁环结构在垂向实现刚度不可调整的负刚度特性，并利用与双磁环负刚度结构同轴嵌套的通电线圈产生精密可控的励磁磁通，改变动磁环周围的偏置磁场，进而实现负刚度值的调整；采用双磁环负刚度结构与线圈并联的方式实现可调负刚度特性，系统兼具被动隔振系统的高稳定性以及主动隔振系统的高隔振性能。这是本发明区别于现有技术的创新点之一。
(2)该技术方案利用通电线圈产生精密可控的励磁磁通对偏置磁场进行调节，通电线圈中无需持续的高能量输入，系统能耗低。利用定磁环与通电线圈分别产生偏置磁场和励磁磁通，励磁磁通与偏置磁场叠加改变动磁环周围的磁场，进而实现可调负刚度以适应隔振负载质量及激励频率的变化。偏置磁场由定磁环提供，线圈中只需较小的电流产生励磁磁通对偏置磁场进行调节，而无需持续的高能量输入，系统能耗低。这是本发明区别于现有技术的创新点之二。
附图说明
图1为基于主动电磁负刚度结构的三自由度隔微振器的三维模型；
图2为主动电磁负刚度结构的三维剖视示意图；
图3为主动电磁负刚度结构的正剖面视图；
图4为主动电磁负刚度结构的另一个实施例；
图中件号说明：1定磁环固定件、2定磁环、3动磁环安装件、4动磁环、5线圈骨架、6线圈、7作动杆、8螺旋弹簧、9支撑杆、10上板、11基板、12主动电磁负刚度结构、13柔性铰链、14固定连接件、15垫片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
一种基于主动电磁负刚度结构的三自由度隔微振器，包括上板10、基板11以及连接上板10和基板11的三套主动电磁负刚度结构12；各套主动电磁负刚度结构12顶端和上板10的连接点在上板10上沿圆周间隔120°均匀分布；各套主动电磁负刚度结构12下端和基板11的连接点在基板11上沿圆周间隔120°均匀分布；各套主动电磁负刚度结构12的中心轴线与基板11上表面的夹角均为60°；上板10相对于基板11有沿着垂向z轴平动的自由度以及绕水平x和y轴转动的自由度；主动电磁负刚度结构12的作动杆7顶端通过柔性铰链13与上板10底部的固定连接件14连接，主动电磁负刚度结构12的支撑杆9底部通过柔性铰链13与基板11上的固定连接件14连接；主动电磁负刚度结构12包括作动杆7、定磁环固定件1、定磁环2、动磁环安装件3、动磁环4、线圈骨架5、线圈6、螺旋弹簧8和支撑杆9；定磁环固定件1、定磁环2、动磁环安装件3、动磁环4、线圈骨架5和线圈6由轴线沿半径向外依次同轴嵌套，整体结构呈轴对称；所述定磁环固定件1为T形圆柱，底部通过螺纹与线圈骨架5的底部固定连接；所述定磁环2固定安装在定磁环固定件1外壁，定磁环2为沿轴向磁化的环形永磁体；动磁环安装件3同轴嵌套在定磁环2外侧，且与定磁环2沿径向设有间隙，动磁环安装件3为环形套筒，顶端通过螺纹与作动杆7固定连接，底部设置环形凸台，凸台内设置环形凹槽；螺旋弹簧8的顶端同轴固定安装在动磁环安装件3底部的环形凹槽内，底部与线圈骨架5固定连接；动磁环4固定安装在动磁环安装件3外壁，动磁环4为沿轴向磁化的环形永磁体，动磁环4与定磁环2磁化方向相同，轴向高度中心等高；线圈骨架5同轴嵌套在动磁环4外侧，且与动磁环4沿径向设有间隙，线圈骨架5为外壁上、下端设有凸台的环形套筒，线圈骨架5底部通过螺纹与支撑杆9固定连接；线圈骨架5上绕有线圈6，线圈6中通以精密可控的驱动电流，线圈6关于动磁环4的轴向高度中心对称。
作为一种具体的实施方式，线圈骨架5底部设置环形凹槽，螺旋弹簧8压紧固定安装在环形凹槽内。
作为一种具体的实施方式，环形凹槽底部设有垫片15。
作为一种具体的实施方式，定磁环固定件1、动磁环安装件3、作动杆7、螺旋弹簧8和支撑杆9的材料为不导磁或弱导磁的铝合金、钛合金或奥氏体不锈钢。
作为一种具体的实施方式，线圈骨架5的材料为陶瓷、花岗岩、玻璃钢或硬质塑料。
下面结合图1～图3给出本发明的一个实施例。
如图1所示，本发明包括上板10、基板11以及连接上板10和基板11的3套主动电磁负刚度结构12；各套主动电磁负刚度结构12顶端和上板10的连接点在上板10上沿圆周间隔120°均匀分布；各套主动电磁负刚度结构12下端和基板11的连接点在基板11上沿圆周间隔120°均匀分布；各套主动电磁负刚度结构12的中心轴线与基板11上表面的夹角均为60°；上板10相对于基板11有沿着垂向z轴平动的自由度以及绕水平x和y轴转动的自由度。每套主动电磁负刚度结构12的作动杆7顶端通过柔性铰链13上均匀分布的四个螺纹孔与上板10底部的固定连接件14连接，主动电磁负刚度结构12的支撑杆9底部通过柔性铰链13上均匀分布的四个螺纹孔与基板11上的固定连接件14连接。
如图2和图3所示，每套主动电磁负刚度结构12包括作动杆7、定磁环固定件1、定磁环2、动磁环安装件3、动磁环4、线圈骨架5、线圈6、螺旋弹簧8和支撑杆9。定磁环固定件1、定磁环2、动磁环安装件3、动磁环4、线圈骨架5和线圈6由轴线沿半径向外依次同轴嵌套，整体结构呈轴对称；定磁环固定件1为T形圆柱，材料为7075铝合金，底部通过沿圆周均匀分布的四个螺纹孔与线圈骨架5的底部固定连接；定磁环2固定安装在定磁环固定件1外壁，定磁环2为沿轴向正向磁化的环形永磁体，磁化方向如图3中箭头方向所示。动磁环安装件3同轴嵌套在定磁环2外侧，且与定磁环2沿径向设有间隙；动磁环安装件3为环形套筒，材料为7075铝合金，顶端通过沿圆周均匀分布的四个螺纹孔与作动杆7固定连接，底部设置环形凸台，凸台内设置环形凹槽；螺旋弹簧8的顶端同轴固定安装在动磁环安装件3底部的环形凹槽内，底部压紧固定安装在线圈骨架5的环形凹槽内，螺旋弹簧8的正刚度特性用以实现隔振负载的稳定支撑；动磁环4固定安装在动磁环安装件3外壁，动磁环4为与定磁环2磁化方向相同的环形永磁体，且与定磁环2的轴向高度中心等高，定磁环2与动磁环4的材料均为N50牌号钕铁硼，剩余磁感应强度为1.43T，相对磁导率为1.03。线圈骨架5同轴嵌套在动磁环4外侧，且与动磁环4沿径向设有间隙；线圈骨架5为采用99氧化铝陶瓷制成的环形套筒，环形套筒外壁的上、下端设有凸台，凸台用于防止线圈6的脱落。线圈骨架5底部通过沿圆周均匀分布的四个螺纹孔与支撑杆9固定连接；线圈骨架5上绕有线圈6，线圈6采用绝缘铜漆包线在线圈骨架5外表面缠绕形成，截面为圆形，线圈6关于动磁环4的轴向高度中心对称。线圈6中通以精密可控的驱动电流，最大电流密度为5A/mm2。主动电磁负刚度结构12工作时，控制信号经功率放大器放大后，输出驱动电流加载到线圈6中，根据电磁感应定律，通电线圈6周围产生精密可控的励磁磁通，励磁磁通与动磁环周围由定磁环2产生的偏置磁场叠加构成实现负刚度特性的磁场。线圈6中通以如3所示的逆时针电流时，励磁磁通与偏置磁场对动磁环4产生的磁力方向相同，且均使得外界激励干扰下，动磁环4偏离静平衡位置，线圈中的电流使得负刚度值增大，反之亦然。通过控制通电线圈6中所通电流的大小和方向可以精密控制励磁磁通的大小和方向，进而改变动磁环4所受磁力大小和方向，实现负刚度值的调整，适应隔振负载质量及激励频率的变化。
图4给出主动电磁负刚度结构12的另外一个实施例。本实施例中，线圈骨架5底部的环形凹槽内设有垫片15，通过调节垫片15的厚度可调节螺旋弹簧8的压缩量，保证不同隔振负载质量下，动磁环4与定磁环2的轴向高度中心等高，实现不同负载质量下的准零刚度隔振特性。

Claims (5)

1.一种基于主动电磁负刚度结构的三自由度隔微振器，包括上板(10)、基板(11)以及连接上板(10)和基板(11)的三套主动电磁负刚度结构(12)；各套主动电磁负刚度结构(12)顶端和上板(10)的连接点在上板(10)上沿圆周间隔120°均匀分布；各套主动电磁负刚度结构(12)下端和基板(11)的连接点在基板(11)上沿圆周间隔120°均匀分布；各套主动电磁负刚度结构(12)的中心轴线与基板(11)上表面的夹角均为60°；上板(10)相对于基板(11)有沿着垂向z轴平动的自由度以及绕水平x和y轴转动的自由度；其特征在于：所述主动电磁负刚度结构(12)的作动杆(7)顶端通过柔性铰链(13)与上板(10)底部的固定连接件(14)连接，主动电磁负刚度结构(12)的支撑杆(9)底部通过柔性铰链(13)与基板(11)上的固定连接件(14)连接；主动电磁负刚度结构(12)包括作动杆(7)、定磁环固定件(1)、定磁环(2)、动磁环安装件(3)、动磁环(4)、线圈骨架(5)、线圈(6)、螺旋弹簧(8)和支撑杆(9)；定磁环固定件(1)、定磁环(2)、动磁环安装件(3)、动磁环(4)、线圈骨架(5)和线圈(6)由轴线沿半径向外依次同轴嵌套，整体结构呈轴对称；所述定磁环固定件(1)为T形圆柱，底部通过螺纹与线圈骨架(5)的底部固定连接；所述定磁环(2)固定安装在定磁环固定件(1)外壁，定磁环(2)为沿轴向磁化的环形永磁体；动磁环安装件(3)同轴嵌套在定磁环(2)外侧，且与定磁环(2)沿径向设有间隙，动磁环安装件(3)为环形套筒，顶端通过螺纹与作动杆(7)固定连接，底部设置环形凸台，凸台内设置环形凹槽；螺旋弹簧(8)的顶端同轴固定安装在动磁环安装件(3)底部的环形凹槽内，底部与线圈骨架(5)固定连接；动磁环(4)固定安装在动磁环安装件(3)外壁，动磁环(4)为沿轴向磁化的环形永磁体，动磁环(4)与定磁环(2)磁化方向相同，轴向高度中心等高；线圈骨架(5)同轴嵌套在动磁环(4)外侧，且与动磁环(4)沿径向设有间隙，线圈骨架(5)为外壁上、下端设有凸台的环形套筒，线圈骨架(5)底部通过螺纹与支撑杆(9)固定连接；线圈骨架(5)上绕有线圈(6)，线圈(6)中通以精密可控的驱动电流，线圈(6)关于动磁环(4)的轴向高度中心对称。
2.根据权利要求1所述的基于主动电磁负刚度结构的三自由度隔微振器，其特征在于：所述线圈骨架(5)底部设置环形凹槽，螺旋弹簧(8)压紧固定安装在环形凹槽内。
3.根据权利要求2所述的基于主动电磁负刚度结构的三自由度隔微振器，所述环形凹槽底部设有垫片(15)。
4.根据权利要求1所述的基于主动电磁负刚度结构的三自由度隔微振器，其特征在于：所述定磁环固定件(1)、动磁环安装件(3)、作动杆(7)、螺旋弹簧(8)和支撑杆(9)的材料为不导磁或弱导磁的铝合金、钛合金或奥氏体不锈钢。
5.根据权利要求1所述的基于主动电磁负刚度结构的三自由度隔微振器，其特征在于：所述线圈骨架(5)的材料为陶瓷、花岗岩、玻璃钢或硬质塑料。
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