CN112943848B - 一种水平式布置六自由度恒刚度机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种水平式布置六自由度恒刚度机构，包括上平台、底板、复合球铰、球铰、支杆、导轨滑块组件以及六个结构相同的电磁式可调刚度单元；电磁式可调刚度单元中固定有永磁体的轴的两端通过轴支座固定于底板上，电磁式可调刚度单元中轴向运动的壳体通过滑块垫板固定于导轨滑块组件的滑块上，导轨滑块组件固定在底板上；壳体的顶部安装有球铰，上平台的底部均布安装有三个复合球铰，支杆的一端与球铰通过螺纹连接，另一端与复合球铰螺纹连接。该水平式布置六自由度恒刚度机构，当系统位姿或外界负载发生变化时，能通过电流控制来保持系统刚度恒定。

Description

一种水平式布置六自由度恒刚度机构
技术领域
本发明涉及隔振系统技术领域，特别是涉及一种水平式布置六自由度恒刚度机构。
背景技术
在现今工业设计中，诸多设计标准及经验表明，机械装置的机构刚度、机构的承载能力及灵敏度等因素，都从很大程度上决定了机械设备功能及使用寿命。其中，机构的刚度作为机械系统的固有属性，表征着系统的承载力及抵抗外界干扰的能力。同时，对于同一机械设备，在运转过程中机构位置或姿态的变化往往导致系统刚度变化，而刚度变化可能造成系统承载能力的下降，甚至改变系统固有频率而引发共振。
发明内容
本发明的目的是提供一种水平式布置六自由度恒刚度机构，以解决上述现有技术存在的问题，当系统位姿或外界负载发生变化时，能通过电流控制来保持系统刚度恒定。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种水平式布置六自由度恒刚度机构，包括上平台、底板、复合球铰、球铰、支杆、导轨滑块组件以及六个结构相同的电磁式可调刚度单元；所述电磁式可调刚度单元中固定有永磁体的轴的两端通过轴支座固定于所述底板上，所述电磁式可调刚度单元中轴向运动的壳体通过滑块垫板固定于所述导轨滑块组件的滑块上，所述导轨滑块组件固定在所述底板上；所述壳体的顶部安装有所述球铰，所述上平台的底部均布安装有三个所述复合球铰，支杆的一端与所述球铰通过螺纹连接，另一端与所述复合球铰螺纹连接。
优选地，六个所述电磁式可调刚度单元分别为第一电磁式可调刚度单元、第二电磁式可调刚度单元、第三电磁式可调刚度单元、第四电磁式可调刚度单元、第五电磁式可调刚度单元和第六电磁式可调刚度单元，所述第一电磁式可调刚度单元和第二电磁式可调刚度单元平行设置且两端对齐，所述第三电磁式可调刚度单元和第四电磁式可调刚度单元平行设置且两端对齐，所述第五电磁式可调刚度单元和第六电磁式可调刚度单元平行设置且两端对齐；所述第一电磁式可调刚度单元、第三电磁式可调刚度单元和第五电磁式可调刚度单元的垂线相交于所述底板的中心处，且相邻两垂线间的夹角为120°。
优选地，所述支杆的数量为六个，六个支杆分别为第一支杆、第二支杆、第三支杆、第四支杆、第五支杆和第六支杆，三个复合球铰分别为第一复合球铰、第二复合球铰和第三复合球铰；所述第一支杆的一端与所述第一电磁式可调刚度单元的壳体顶部的球铰相连接，另一端与第三复合球铰相连接；所述第二支杆的一端与所述第二电磁式可调刚度单元的壳体顶部的球铰相连接，另一端与第一复合球铰相连接；所述第三支杆的一端与所述第三电磁式可调刚度单元的壳体顶部的球铰相连接，另一端与所述第二复合球铰相连接；所述第四支杆的一端与所述第四电磁式可调刚度单元的壳体顶部的球铰相连接，另一端与所述第三复合球铰相连接；所述第五支杆的一端与所述第五电磁式可调刚度单元的壳体顶部的球铰相连接，另一端与所述第一复合球铰相连接；所述第六支杆的一端与所述第六电磁式可调刚度单元的壳体顶部的球铰相连接，另一端与所述第二复合球铰相连接。
优选地，所述电磁式可调刚度单元包括第一轴支座、第一螺旋弹簧、左端盖、右端盖、第二螺旋弹簧、第二轴支座和心轴；所述心轴的两端分别装配在所述第一轴支座和第二轴支座上，所述第一螺旋弹簧、左端盖、壳体、右端盖和第二螺旋弹簧从左至右顺次装配在所述心轴上，且第一螺旋弹簧的左端与第一轴支座抵接，第二螺旋弹簧的右端与第二轴支座抵接。
优选地，所述电磁式可调刚度单元还包括电磁线圈和永磁体；壳体内腔中通过内壁设置的台阶与左端盖固定有六个电磁线圈，电磁线圈与壳体之间无相对滑动，相邻的两个电磁线圈紧密接触，且相邻两个电磁线圈内所通的电流大小相等、方向相反；所述永磁体安装在位于所述壳体内的心轴上，电磁线圈的内径大于永磁体的外径。
优选地，所述电磁式可调刚度单元还包括第一滑动轴承、第一永磁体固定环、第二永磁体固定环和滑动轴承，壳体的左右两端加工有螺纹孔，通过螺栓将左端盖和右端盖固定在壳体上，左端盖上加工有螺纹孔，第一滑动轴承通过螺栓固定在左端盖上，右端盖上也加工有螺纹孔，滑动轴承通过螺栓螺母固定在右端盖上；所述第一永磁体固定环和第二永磁体固定环分别对永磁体的两侧进行限位。
优选地，所述复合球铰包括底座、球窝端盖和两个球铰头；其中底座通过螺栓固定于上平台底面，两个球铰头穿过球窝端盖后通过螺纹与支杆连接。
本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
(1)可以通过改变单元两端弹簧的刚度、单元中永磁体及线圈的层数以及控制线圈中电流的大小，改变永磁体与电磁线圈之间的电磁力与弹簧的回复力，调节各关节的刚度，从而控制整个系统刚度恒定。
(2)该系统的刚度调节单元并非安装于每个支腿上，而是水平布置于下平台之上，有效降低了支腿的转动惯量，有利于降低系统非线性的影响，提高系统刚度可调性能。
(3)可以根据负载大小、外界激励强度以及抗振等级要求，主动调节装置的系统刚度并保持恒定，最终达到提高装置抵抗不同强度干扰的能力、扩大系统刚度可调范围以及装置适用范围的目的。同时，由于电磁力的大小可以通过调节电流的大小来实现，故而该系统可以适应不同的负载要求。此外，当上平台处于空间中不同位姿时，每个关节可通过弹簧力及可调的电磁力来进行刚度控制，最终实现系统的刚度恒定。即该系统对于不同的负载情况、上平台的位姿状态等均能保持恒刚度。
(4)由机构的自由度计算公式，该系统的自由度数为6，实现了空间内六个自由度的恒刚度，进一步提高了对复杂振源的适应能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为水平式布置六自由度恒刚度机构的轴测图；
图2为水平式布置六自由度恒刚度机构的主视图；
图3为电磁式可调刚度单元的主视图；
图4为电磁式可调刚度单元的俯视图；
图5为电磁式可调刚度单元的剖视图；
图6为复合球铰的结构示意图；
图7为支杆的结构示意图；
图8为球铰的结构示意图；
图9中9a、9b、9c、9d、9e和9f分别为初始状态时，系统在各个方向上的传递率；
图10中10a、10b、10c、10d、10e和10f分别为上平台俯仰3°时，系统在各个方向上的传递率；
其中，1上平台；2复合球铰；201球窝端盖；202底座；203球铰头；204球铰头；3支杆；4球铰；401球铰头；402底座；5电磁式可调刚度单元；501第一轴支座；502第一螺旋弹簧；503左端盖；504壳体；505右端盖；506第二螺旋弹簧；507第二轴支座；508心轴；509第一滑动轴承；510第一永磁体固定环；511电磁线圈；512永磁体；513第二永磁体固定环；514滑动轴承；6导轨滑块组件；601滑块垫板；602滑块；603导轨；7底板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
本发明的目的是提供一种水平式布置六自由度恒刚度机构，以解决上述现有技术存在的问题，当系统位姿或外界负载发生变化时，能通过电流控制来保持系统刚度恒定。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-10所示，本实施例提供一种水平式布置六自由度恒刚度机构，包括上平台1、底板7、复合球铰2、球铰4、支杆3、导轨滑块组件6以及六个结构相同的电磁式可调刚度单元5；电磁式可调刚度单元5中固定有永磁体512的轴的两端通过轴支座固定于底板7上，电磁式可调刚度单元5中轴向运动的壳体504通过滑块垫板601固定于导轨滑块组件的滑块602上，导轨滑块组件6固定在底板7上；壳体504的顶部安装有球铰4，上平台1的底部均布安装有三个复合球铰2，支杆3的一端与球铰4通过螺纹连接，另一端与复合球铰2螺纹连接。
六个电磁式可调刚度单元5分别为第一电磁式可调刚度单元、第二电磁式可调刚度单元、第三电磁式可调刚度单元、第四电磁式可调刚度单元、第五电磁式可调刚度单元和第六电磁式可调刚度单元，第一电磁式可调刚度单元和第二电磁式可调刚度单元平行设置且两端对齐，第三电磁式可调刚度单元和第四电磁式可调刚度单元平行设置且两端对齐，第五电磁式可调刚度单元和第六电磁式可调刚度单元平行设置且两端对齐；第一电磁式可调刚度单元、第三电磁式可调刚度单元和第五电磁式可调刚度单元的垂线相交于底板7的中心处，且相邻两垂线间的夹角为120°。
支杆3的数量为六个，六个支杆分别为第一支杆、第二支杆、第三支杆、第四支杆、第五支杆和第六支杆，三个复合球铰分别为第一复合球铰、第二复合球铰和第三复合球铰；第一支杆的一端与第一电磁式可调刚度单元的壳体顶部的球铰相连接，另一端与第三复合球铰相连接；第二支杆的一端与第二电磁式可调刚度单元的壳体顶部的球铰相连接，另一端与第一复合球铰相连接；第三支杆的一端与第三电磁式可调刚度单元的壳体顶部的球铰相连接，另一端与第二复合球铰相连接；第四支杆的一端与第四电磁式可调刚度单元的壳体顶部的球铰相连接，另一端与第三复合球铰相连接；第五支杆的一端与第五电磁式可调刚度单元的壳体顶部的球铰相连接，另一端与第一复合球铰相连接；第六支杆的一端与第六电磁式可调刚度单元的壳体顶部的球铰相连接，另一端与第二复合球铰相连接。
本实施例中，如图3-5所示，可调刚度单元由第一轴支座501、第一螺旋弹簧502、左端盖503、壳体504、右端盖505、第二螺旋弹簧506、第二轴支座507和心轴508、第一滑动轴承509、第一永磁体固定环510、电磁线圈511、永磁体512、第二永磁体固定环513、滑动轴承514组成。其中，壳体504通过滑块垫板601与滑块602固定，滑块602可沿滑轨603滑动。
壳体504通过内壁设置的台阶与左端盖503固定有六个电磁线圈511，电磁线圈511与壳体之间无相对滑动。相邻的两个电磁线圈511彼此紧密接触，为了便于观察电磁线圈511的安装是否到位，壳体504上加工有槽。使用过程时与外部电源相连接，相邻两组电磁线圈511内的所通的电流大小相等、方向相反。电磁线圈511的内径大于永磁体512的外径，因此当壳体504通过两端的第一滑动轴承509、滑动轴承514于心轴508上做轴向运动时，电磁线圈511与永磁体512之间不会发生运动干涉。
壳体504的左右两端加工有螺纹孔，通过螺栓将左端盖503和右端盖505固定。左端盖503上加工有螺纹孔，可将第一滑动轴承509通过螺栓与之固定，右端盖505加工有螺纹孔，可通过螺栓螺母固定滑动轴承514。
壳体504上表面加工有定位孔和螺纹孔，可将球铰4的底座402通过螺栓固定。上平台1下平面同样加工有螺纹孔，可将复合球铰2通过螺栓固定之上。轴支座501右表面加工有定位孔，可将第一螺旋弹簧502左端进行定位。
如图6所示，复合球铰2由底座202，球窝端盖201和球铰头204、球铰头203组成。其中底座202可通过螺栓固定于上平台1上。球铰头203、球铰头204通过螺纹与支杆3连接。
如图3-5所示，当上平台有负载且处于某要求位姿时，通过支杆3、球铰4将负载力传递给壳体504，壳体产生沿心轴508的轴向运动，假设第一螺旋弹簧502或第二螺旋弹簧506产生形变量d和恢复力F1，该力通过第一滑动轴承509、滑动轴承514作用于壳体504上，方向沿心轴508的轴向；同时，由于永磁体512和通电的电磁线圈511发生磁场相对作用而产生电磁力F2，且该电磁力也作用于壳体504上且沿心轴508的轴向。工作时，调整电磁线圈内的电流方向，使电磁力F2的方向与F1相反，则壳体受到的合力为F＝F1-F2，刚度表达式为
Figure BDA0002923259960000071
改变电磁线圈511内通过的电流大小，可以改变电磁力F2的大小，从而改变单元刚度。显然，可根据需求调节线圈电流大小，进而调节系统刚度为预期值，当电流不变时，系统对外表现的刚度亦将恒定。如图2所示，六个可变刚度模块交叉并列布置，各个单元的刚度可独立调节，由系统刚度与单元刚度的关系可知，当各单元刚度恒定时，系统刚度也将确定且保持不变。
需要说明的是，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基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，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，因此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。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种水平式布置六自由度恒刚度机构，其特征在于：包括上平台、底板、复合球铰、球铰、支杆、导轨滑块组件以及六个结构相同的电磁式可调刚度单元；所述电磁式可调刚度单元中固定有永磁体的轴的两端通过轴支座固定于所述底板上，所述电磁式可调刚度单元中轴向运动的壳体通过滑块垫板固定于所述导轨滑块组件的滑块上，所述导轨滑块组件固定在所述底板上；所述壳体的顶部安装有所述球铰，所述上平台的底部均布安装有三个所述复合球铰，支杆的一端与所述球铰通过螺纹连接，另一端与所述复合球铰螺纹连接；
所述电磁式可调刚度单元包括第一轴支座、第一螺旋弹簧、左端盖、右端盖、第二螺旋弹簧、第二轴支座和心轴；所述心轴的两端分别装配在所述第一轴支座和第二轴支座上，所述第一螺旋弹簧、左端盖、壳体、右端盖和第二螺旋弹簧从左至右顺次装配在所述心轴上，且第一螺旋弹簧的左端与第一轴支座抵接，第二螺旋弹簧的右端与第二轴支座抵接；
所述电磁式可调刚度单元还包括电磁线圈和永磁体；壳体内腔中通过内壁设置的台阶与左端盖固定有六个电磁线圈，电磁线圈与壳体之间无相对滑动，相邻的两个电磁线圈紧密接触，且相邻两个电磁线圈内所通的电流大小相等、方向相反；所述永磁体安装在位于所述壳体内的心轴上，电磁线圈的内径大于永磁体的外径；
所述电磁式可调刚度单元还包括第一滑动轴承、第一永磁体固定环、第二永磁体固定环和滑动轴承，壳体的左右两端加工有螺纹孔，通过螺栓将左端盖和右端盖固定在壳体上，左端盖上加工有螺纹孔，第一滑动轴承通过螺栓固定在左端盖上，右端盖上也加工有螺纹孔，滑动轴承通过螺栓螺母固定在右端盖上；所述第一永磁体固定环和第二永磁体固定环分别对永磁体的两侧进行限位。
2.根据权利要求1所述的水平式布置六自由度恒刚度机构，其特征在于：六个所述电磁式可调刚度单元分别为第一电磁式可调刚度单元、第二电磁式可调刚度单元、第三电磁式可调刚度单元、第四电磁式可调刚度单元、第五电磁式可调刚度单元和第六电磁式可调刚度单元，所述第一电磁式可调刚度单元和第二电磁式可调刚度单元平行设置且两端对齐，所述第三电磁式可调刚度单元和第四电磁式可调刚度单元平行设置且两端对齐，所述第五电磁式可调刚度单元和第六电磁式可调刚度单元平行设置且两端对齐；所述第一电磁式可调刚度单元、第三电磁式可调刚度单元和第五电磁式可调刚度单元的垂线相交于所述底板的中心处，且相邻两垂线间的夹角为120°。
3.根据权利要求2所述的水平式布置六自由度恒刚度机构，其特征在于：所述支杆的数量为六个，六个支杆分别为第一支杆、第二支杆、第三支杆、第四支杆、第五支杆和第六支杆，三个复合球铰分别为第一复合球铰、第二复合球铰和第三复合球铰；所述第一支杆的一端与所述第一电磁式可调刚度单元的壳体顶部的球铰相连接，另一端与第三复合球铰相连接；所述第二支杆的一端与所述第二电磁式可调刚度单元的壳体顶部的球铰相连接，另一端与第一复合球铰相连接；所述第三支杆的一端与所述第三电磁式可调刚度单元的壳体顶部的球铰相连接，另一端与所述第二复合球铰相连接；所述第四支杆的一端与所述第四电磁式可调刚度单元的壳体顶部的球铰相连接，另一端与所述第三复合球铰相连接；所述第五支杆的一端与所述第五电磁式可调刚度单元的壳体顶部的球铰相连接，另一端与所述第一复合球铰相连接；所述第六支杆的一端与所述第六电磁式可调刚度单元的壳体顶部的球铰相连接，另一端与所述第二复合球铰相连接。
4.根据权利要求1所述的水平式布置六自由度恒刚度机构，其特征在于：所述复合球铰包括底座、球窝端盖和两个球铰头；其中底座通过螺栓固定于上平台底面，两个球铰头穿过球窝端盖后通过螺纹与支杆连接。
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