CN113153968B - 一种基于Stewart构型的主动变刚度减振平台 - Google Patents

一种基于Stewart构型的主动变刚度减振平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于Stewart构型的主动变刚度减振平台，包括结构相同的负载上平台和基础下平台，所述负载上平台底部两两成对均匀环设有六个第一安装角座，所述基础下平台上部两两成对均匀环设有六个第二安装角座，每对两个第一安装角座的竖直投影均分别位于相邻两对第二安装角座的竖直投影之间，所述第一安装角座和第二安装角座之间固定连接有六个单腿减振单元，相邻两个所述单腿减振单元的中心延长线相交设置，相对两个所述单腿减振单元的平行设置；所述单腿减振单元能够实现变刚度调节。本发明能够利用MFC的形变来调节永磁体之间的电磁作用力，以改变其垂直方向上的刚度，从而实现主动变刚度减振。

Description

一种基于Stewart构型的主动变刚度减振平台
技术领域
本发明涉及减振技术领域，特别是涉及一种基于Stewart构型的主动变刚度减振平台。
背景技术
近年来，各种设备的性能要求日益提高，对其减振的要求也变高。减振平台的原理及构型有很多，在这当中，基于Stewart构型的减振平台无疑是最有效的方法之一。
减振系统的性能主要由系统刚度和系统阻尼决定，半主动控制减振通过控制系统刚度和系统阻尼的改变，以实现减振性能的提升，既可以达到主动控制减振的控制效果，又具有被动减振结构简单，系统稳定的特点。
常见的变刚度减振采用电磁负刚度、空气弹簧等原理，有着结构复杂、精度低等缺点。MFC(压电纤维复合材料)具有轻薄、精度高、响应快等特点，因此可以利用MFC的形变，来调节一方向上永磁体之间的电磁作用力，使得其垂直方向上的刚度发生改变，以实现变刚度效果。
中国专利文献CN109281971B提供了一种可变刚度的减振器，通过支撑金属丝网和支撑弹簧的压缩量实现变刚度，使得减振器在正常负载下始终处在低刚度区间内。但是该减振器不能实现闭环控制，且可调性差，不能根据实际需求进行更改低刚度区间。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于Stewart构型的主动变刚度减振平台，以解决上述现有技术存在的问题，能够利用MFC的形变来调节永磁体之间的电磁作用力，以改变其垂直方向上的刚度，从而实现主动变刚度减振。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种基于Stewart构型的主动变刚度减振平台，包括结构相同的负载上平台和基础下平台，所述负载上平台底部两两成对均匀环设有六个第一安装角座，所述基础下平台上部两两成对均匀环设有六个第二安装角座，每对两个第一安装角座的竖直投影均分别位于相邻两对第二安装角座的竖直投影之间，所述第一安装角座和第二安装角座之间固定连接有六个单腿减振单元，相邻两个所述单腿减振单元的中心延长线相交设置，相对两个所述单腿减振单元的平行设置，六个单腿减振单元呈立方体构型，方便解耦；所述单腿减振单元能够实现变刚度调节。
可选的，所述负载上平台为圆环状结构，所述负载上平台上均匀开设有两两成组设置的六个凹槽，凹槽均为方形结构，相邻两组所述凹槽与所述负载上平台中心连线之间的夹角为120°，每组的两个所述凹槽在所述负载上平台上成角度设置，所述凹槽内开设有用于固定连接所述第一安装角座的螺纹孔；所述基础下平台与所述负载上平台结构相同，所述基础下平台的凹槽内开设有用于固定连接所述第二安装角座的螺纹孔。
可选的，所述单腿减振单元包括结构相同且上下布置的第一膜片弹簧和第二膜片弹簧，所述第一膜片弹簧和第二膜片弹簧之间固定连接有四个减振组件，所述第一膜片弹簧上方设置有第一支撑杆，所述第一支撑杆一端与所述第一安装角座螺纹连接，另一端与其中一个所述减振组件螺纹连接，所述第二膜片弹簧下方设置有第二支撑杆，所述第二支撑杆一端与所述第二安装角座螺纹连接，另一端与另一个所述减振组件螺纹连接。
可选的，所述减振组件包括螺纹连接的长中心杆和短中心杆，所述长中心杆和短中心杆之间固定连接有水平设置的MFC，MFC电连接有控制器，所述MFC末端通过粘贴固定连接有永磁体；四个所述减振组件依次上下交错设置，位于上方的两个所述MFC位于同一直线上，且其竖直投影与位于下方的两个在同一直线上的所述MFC的竖直投影垂直设置；所述第一支撑杆一端与其中一个所述减振组件的短中心杆螺纹连接，所述第二支撑杆一端与另一个所述减振组件的长中心杆螺纹连接。
可选的，所述膜片弹簧为镂空设计，镂空区域的形状为设备名称；所述第一支撑杆和第二支撑杆两端均为螺纹杆；所述长中心杆两端均为螺纹孔；短中心杆的一端为螺纹杆，另一端为螺纹孔。
可选的，所述第一安装角座的纵截面上方为直角梯形结构，下方为矩形结构，所述第一安装角座的底面和上方斜面上均开设有螺纹孔，所述第一安装角座底面上的螺纹孔用于与所述负载上平台固定连接，所述第一安装角座斜面上的螺纹孔用于与所述单腿减振单元一端固定连接；所述第二安装角座与所述第一安装角座结构相同，所述第二安装角座底面上的螺纹孔用于与所述基础下平台螺纹固定连接。
可选的，所述第一安装角座和第二安装角座的斜面倾斜角度均为40°～60°之间。
本发明减振平台的系统刚度由固定刚度和可变刚度组成，固定刚度主要由第一膜片弹簧和第二膜片弹簧提供，可变刚度由MFC、永磁体、长中心杆、短中心杆组成的可调磁间距结构提供。固定刚度作为被动减振，保障减振平台的稳定性，当可变刚度失效时，保证减振平台仍有一定的减振效果。根据实际需求，固有刚度可以通过改变两个膜片弹簧的形状和镂空设计进行调整。减振平台的可变刚度作为主动减振，保障减振平台的高性能，采用主动控制方法对系统刚度进行控制，具体包括步骤：通过传感器检测振动干扰信号；将振动干扰信号传递给控制器，通过合适的控制算法，计算得到相应的输出控制信号；将输出控制信号传递给驱动器，实时地改变每组MFC的形变量，以调整每组永磁体之间的间距，进而改变系统刚度。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明减振平台采用MFC作为调节磁铁间距的元件，具有轻薄、精度高、响应快等特点，可以根据振动干扰信号，快速地、实时地调节系统刚度。本发明减振平台使用长、短中心杆交错连接的方法，使得每个单腿减振单元都有多个可调的永磁体间距，可以增大刚度调节范围。使用膜片弹簧作为弹性元件，可以根据实际需求，通过改变膜片弹簧的形状和镂空设计，获得不同的固定刚度。本发明结构简单，性能稳定，成本低，并且具有较好的减振效果。
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为本发明基于Stewart构型的主动变刚度减振平台的总体结构示意图；
图2为本发明基于Stewart构型的主动变刚度减振平台的负载上平台和基础下平台结构示意图；
图3为本发明基于Stewart构型的主动变刚度减振平台的安装角座结构示意图；
图4为本发明基于Stewart构型的主动变刚度减振平台的单腿减振单元结构示意图；
图5为本发明基于Stewart构型的主动变刚度减振平台的膜片弹簧结构示意图；
图6为本发明基于Stewart构型的主动变刚度减振平台的支撑杆结构示意图；
图7为本发明基于Stewart构型的主动变刚度减振平台的短中心杆结构示意图；
图8为本发明基于Stewart构型的主动变刚度减振平台的长中心杆结构示意图；
图9为本发明基于Stewart构型的主动变刚度减振平台中Stewart构型的几何原理示意图；
图10(a)为传统被动减振平台作用机理示意图；
图10(b)为本发明基于Stewart构型的主动变刚度减振平台作用机理示意图；
图11为传统被动减振平台、本发明所述减振平台的磁间距为L、L/2、L/3的传递率曲线对比图；
其中，100为基于Stewart构型的主动变刚度减振平台、1a为负载上平台、1b为基础下平台、2a为第一安装角座、2b为第二安装角座、3为单腿减振单元、31a为第一支撑杆、31b为第二支撑杆、32a为第一膜片弹簧、32b为第二膜片弹簧、33为短中心杆、34为MFC、35为永磁体、36为长中心杆。
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基于Stewart构型的主动变刚度减振平台，以解决上述现有技术存在的问题，能够利用MFC的形变来调节永磁体之间的电磁作用力，以改变其垂直方向上的刚度，从而实现主动变刚度减振。
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。
参考附图1～附图9所示，本发明提供一种基于Stewart构型的主动变刚度减振平台100，包括结构相同的负载上平台1a和基础下平台1b，负载上平台1a底部两两成对均匀环设有六个第一安装角座2a，基础下平台1b上部两两成对均匀环设有六个第二安装角座2b，每对两个第一安装角座2a的竖直投影均分别位于相邻两对第二安装角座2b的竖直投影之间，第一安装角座2a和第二安装角座2b之间固定连接有六个单腿减振单元3，相邻两个单腿减振单元3的中心延长线相交设置，相对两个单腿减振单元3的平行设置，六个单腿减振单元3呈立方体构型，方便解耦；单腿减振单元3能够实现变刚度调节。
具体的，负载上平台1a为圆环状结构，从而可以减轻质量，负载上平台1a上均匀开设有两两成组设置的六个凹槽，凹槽均为方形结构，相邻两组凹槽与负载上平台1a中心连线之间的夹角为120°，每组的两个凹槽在负载上平台1a上成角度设置，凹槽内开设有用于固定连接第一安装角座2a的螺纹孔；基础下平台1b与负载上平台1a结构相同，基础下平台1b的凹槽内开设有用于固定连接第二安装角座2b的螺纹孔。单腿减振单元3包括结构相同且上下布置的第一膜片弹簧32a和第二膜片弹簧32b，第一膜片弹簧32a和第二膜片弹簧32b为减振平台提供固定刚度，保障减振平台的稳定性，根据实际需求，可更改第一膜片弹簧32a和第二膜片弹簧32b的形状和镂空设计，以获得不同的固定刚度，同时可作为防抄袭标志，本实施例中膜片弹簧的镂空设计为“SHU”，第一膜片弹簧32a和第二膜片弹簧32b之间固定连接有四个减振组件，第一膜片弹簧32a上方设置有第一支撑杆31a，第一支撑杆31a一端与第一安装角座2a螺纹连接，另一端与其中一个减振组件螺纹连接，第二膜片弹簧32b下方设置有第二支撑杆31b，第二支撑杆31b一端与第二安装角座2b螺纹连接，另一端与另一个减振组件螺纹连接。
减振组件包括螺纹连接的长中心杆36和短中心杆33，长中心杆36和短中心杆33之间固定连接有水平设置的MFC34，即压电纤维复合材料，MFC34电连接有控制器，MFC34末端通过粘贴固定连接有永磁35体，永磁体35与MFC34共同组成可调磁间距，采用主动控制方法，通过实时改变MFC驱动器的控制信号，控制MFC34的形变量，以实现永磁体35间距的调整，使得整体刚度发生改变；四个减振组件依次上下交错设置，即四个减振组件的长中心杆36、短中心杆33分别上下交错连接，为MFC34及永磁体35的安装提供多层间隙，安装间隙的层数可根据实际需求更改，本实施例中采用两层安装间隙，位于上方的两个MFC34位于同一直线上，且其竖直投影与位于下方的两个在同一直线上的MFC34的竖直投影垂直设置；第一支撑杆31a一端与其中一个减振组件的短中心杆33螺纹连接，第二支撑杆31b一端与另一个减振组件的长中心杆36螺纹连接。膜片弹簧为镂空设计，镂空区域的形状为设备名称；第一支撑杆31a和第二支撑杆31b两端均为螺纹杆；长中心杆36两端均为螺纹孔；短中心杆33的一端为螺纹杆，另一端为螺纹孔。
第一安装角座2a的纵截面上方为直角梯形结构，下方为矩形结构，第一安装角座的底面和上方斜面上均开设有螺纹孔，第一安装角座2a底面上的螺纹孔用于与负载上平台固定连接，第一安装角座2a斜面上的螺纹孔用于与单腿减振单元3一端固定连接；第二安装角座2b与第一安装角座2a结构相同，第二安装角座2b底面上的螺纹孔用于与基础下平台1b螺纹固定连接。第一安装角座2a和第二安装角座2b的斜面倾斜角度均为40°～60°之间，本实例中的倾斜角度为54.74°，使得整体呈立方体构型。
本发明减振平台采用Stewart构型。Stewart构型是一种并联式机构，由两个平台及六条单腿减振单元组成，具有精度高、动态误差小、误差不累积、工作空间小、位置反解易求等特点。本发明减振平台采用立方体构型，可以实现天然解耦。
本发明负载上平台1a、基础下平台1b、第一安装角座2a、第二安装角座2b、单腿减振单元3组成减振平台的被动减振单元；MFC34、永磁体35为作动器，与外加的传感器、控制器组成闭环回路，组成减振平台的主动控制减振单元。当主动控制减振单元不工作时，减振平台为被动减振，当其工作时，减振平台为半主动控制。
如图10(a)所示，传统被动减振平台可以等效为质量-弹簧-阻尼系统，其传递函数可以表示为：
Figure BDA0003064197900000071
该式在复数域范围计算，其中Xi为负载上平台受振动干扰信号后的位移响应，X0为基础下平台所受振动干扰信号的激励位移，M是负载上平台的质量，C为减振平台的等效阻尼，K为减振平台的等效刚度。
如图10(b)所示，本发明减振平台是在传统被动减振平台的基础上，使系统刚度作为可调项。根据实际的振动干扰信号，实时地改变系统刚度，使得减振平台实现更好的减振效果。
本发明减振平台在正常工作时，振动干扰信号传递到基础下平台后，部分能量由膜片弹簧的振动所消耗，剩余能量传递到负载上平台。传感器检测到负载上平台的振动信号后，经由导线传递给控制器，控制器通过合适的控制算法进行计算，将计算得到的输出控制信号经由导线传递给MFC驱动器，MFC驱动器将驱动MFC产生相应的形变，使得永磁铁间距发生改变，实现变刚度的作用，以获得更好的减振效果。
如图11所示，从传统被动减振平台和本发明所述减振平台的传递率曲线对比图中可以发现，传统被动减振平台在低频共振处的减振效果较差，且共振频率很高。图中横轴为频率(Hz)，纵轴为幅值(dB)，虚线、点画线、点线分别表示本发明所述减振平台在磁间距为L、L/2、L/3时的传递率曲线，从图中可得，当不断增大磁间距时，永磁体之间的电磁作用力减小，使得系统刚度降低，共振频率前移，共振处的减振效果也得到改善。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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)

1.一种基于Stewart构型的主动变刚度减振平台，其特征在于：包括结构相同的负载上平台和基础下平台，所述负载上平台底部两两成对均匀环设有六个第一安装角座，所述基础下平台上部两两成对均匀环设有六个第二安装角座，每对两个第一安装角座的竖直投影均分别位于相邻两对第二安装角座的竖直投影之间，所述第一安装角座和第二安装角座之间固定连接有六个单腿减振单元，相邻两个所述单腿减振单元的中心延长线相交设置，相对两个所述单腿减振单元的平行设置；所述单腿减振单元能够实现变刚度调节；所述单腿减振单元包括结构相同且上下布置的第一膜片弹簧和第二膜片弹簧，所述第一膜片弹簧和第二膜片弹簧之间固定连接有四个减振组件，所述第一膜片弹簧上方设置有第一支撑杆，所述第一支撑杆一端与所述第一安装角座螺纹连接，另一端与其中一个所述减振组件螺纹连接，所述第二膜片弹簧下方设置有第二支撑杆，所述第二支撑杆一端与所述第二安装角座螺纹连接，另一端与另一个所述减振组件螺纹连接；所述减振组件包括螺纹连接的长中心杆和短中心杆，所述长中心杆和短中心杆之间固定连接有水平设置的MFC，所述MFC末端固定连接有永磁体；四个所述减振组件依次上下交错设置，位于上方的两个所述MFC位于同一直线上，且其竖直投影与位于下方的两个在同一直线上的所述MFC的竖直投影垂直设置；所述第一支撑杆一端与其中一个所述减振组件的短中心杆螺纹连接，所述第二支撑杆一端与另一个所述减振组件的长中心杆螺纹连接；所述第一膜片弹簧和所述第二膜片弹簧为镂空设计，所述第一支撑杆和第二支撑杆两端均为螺纹杆；所述长中心杆两端均为螺纹孔；短中心杆的一端为螺纹杆，另一端为螺纹孔。
2.根据权利要求1所述的基于Stewart构型的主动变刚度减振平台，其特征在于：所述负载上平台为圆环状结构，所述负载上平台上均匀开设有两两成组设置的六个凹槽，相邻两组所述凹槽与所述负载上平台中心连线之间的夹角为120°，每组的两个所述凹槽在所述负载上平台上成角度设置，所述凹槽内开设有用于固定连接所述第一安装角座的螺纹孔；所述基础下平台与所述负载上平台结构相同，所述基础下平台的凹槽内开设有用于固定连接所述第二安装角座的螺纹孔。
3.根据权利要求2所述的基于Stewart构型的主动变刚度减振平台，其特征在于：所述第一安装角座的纵截面上方为直角梯形结构，下方为矩形结构，所述第一安装角座的底面和上方斜面上均开设有螺纹孔，所述第一安装角座底面上的螺纹孔用于与所述负载上平台固定连接，所述第一安装角座斜面上的螺纹孔用于与所述单腿减振单元一端固定连接；所述第二安装角座与所述第一安装角座结构相同，所述第二安装角座底面上的螺纹孔用于与所述基础下平台螺纹固定连接。
4.根据权利要求3所述的基于Stewart构型的主动变刚度减振平台，其特征在于：所述第一安装角座和第二安装角座的斜面倾斜角度均为40°~60°之间。
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