CN113202898B - 一种固有频率实时可调的超低频隔振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种固有频率实时可调的超低频隔振装置，包括承载板、承载杆、隔振器壳体；隔振器壳体内部固定连接有沿承载杆的水平轴线对称布置的第一动力组件和第二动力组件；第一动力组件包括第一音圈电机定子、第一音圈电机动子和第一刚性杆；第一音圈电机动子可移动地置于第一音圈电机定子内，第一音圈电机定子对第一音圈电机动子施加有第一作用力；第一刚性杆的一端与第一音圈电机动子铰接，另一端与承载杆铰接；第二动力组件结构与第一动力组件相同，其音圈电机定子对动子施加有与第一作用力方向相反的第二作用力。本发明通过控制第一作用力和第二作用力的大小，即可获得所需要的负刚度特性，从而实现对固有频率的实时调节和控制。

Description

一种固有频率实时可调的超低频隔振装置
技术领域
本发明涉及超低频减振隔振技术领域，具体涉及一种固有频率实时可调的超低频隔振装置。
背景技术
随着超精密加工和测量技术不断发展，其加工与测量精度也越来越接近物理极限，因此微小的环境振动都有可能导致其加工或检测失效，而低频超低频振动已经成为了制约加工、测量精度实现的关键因素。传统的隔振器一般采用刚弹簧或橡胶弹弹簧，其固有频率很难低于4Hz，因而无法有效隔离超低频振动。为了进一步降低隔振器的固有频率并保证其承载能力，负刚度特性被引入到隔振器的设计中。通过将负刚度机构引入隔振器的结构设计，能够在不改变其静态承载力的情况下，显著地降低隔振器的固有频率，并显著提升其低频隔振性能。
申请号为CN201310142491.9的发明专利提出了一种基于正刚度空气弹簧和负刚度磁弹簧并联的减振器，正刚度空气弹簧和负刚度磁弹簧并联布置，负刚度磁弹簧安装在空气弹簧腔室内。虽然能够在一定程度降低隔振器的固有频率，实现对低频振动的隔离和抑制，然而当负刚度机构的设计参数一旦确定，隔振系统的固有频率便固定下来，无法改变，这使得隔振器在无法适应不同应用场合的需求。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服上述缺陷，从而提供一种固有频率实时可调的超低频隔振装置。
为此，所述固有频率实时可调的超低频隔振装置包括承载板、承载杆、隔振器壳体和置于隔振器壳体底部的第一弹性支撑元件；所述承载杆的一端与承载板连接，另一端与第一弹性支撑元件连接；所述隔振器壳体内部固定连接有沿承载杆的水平轴线对称布置的第一动力组件和第二动力组件；
所述第一动力组件包括第一音圈电机定子、第一音圈电机动子和第一刚性杆；所述第一音圈电机动子可移动地置于所述第一音圈电机定子内，所述第一音圈电机定子对第一音圈电机动子施加有第一作用力；所述第一刚性杆的一端与第一音圈电机动子铰接，另一端与承载杆铰接；
所述第二动力组件包括第二音圈电机定子、第二音圈电机动子和第二刚性杆；所述第二音圈电机动子可移动地置于所述第二音圈电机定子内，所述第二音圈电机定子对第二音圈电机动子施加有第二作用力，所述第一作用力与第二作用力方向相反；所述第二刚性杆的一端与第二音圈电机动子铰接，另一端与承载杆铰接。
优选地，还包括第二弹性支撑元件，所述第二弹性支撑元件包括等角度布置的第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧，所述第一弹簧、所述第二弹簧、所述第三弹簧和所述第四弹簧的一端分别与承载杆固定连接，另一端分别与隔振器壳体固定连接；第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧和第四弹簧分别与承载杆垂直。
优选地，所述第一弹簧、所述第二弹簧、所述第三弹簧和所述第四弹簧位于同一平面内。
优选地，所述承载杆包括互相垂直的第一杆体和第二杆体；所述第一杆体的一端与承载板连接，另一端与第一弹性支撑元件连接；所述第二杆体的一端与第一刚性杆铰接，另一端与第二刚性杆铰接。
优选地，所述第一音圈电机动子与第二音圈电机动子的移动方向相反，且位于同一水平线上。
优选地，所述第一音圈电机动子包括第一音圈电机动子元件和第一连接杆，所述第一音圈电机动子元件与第一连接杆连接；所述第一音圈电机定子远离隔振器壳体的一端设置有第一导向轴承；所述第一连接杆沿第一导向轴承向第一音圈电机定子外侧伸出，与第一刚性杆铰接；所述第二音圈电机动子包括第二音圈电机动子元件和第二连接杆，所述第二音圈电机动子元件与第二连接杆连接；所述第二音圈电机定子远离隔振器壳体的一端设置有第二导向轴承；所述第二连接杆沿第二导向轴承向第二音圈电机定子外侧伸出，与第二刚性杆铰接。
优选地，所述第一动力组件还包括第一安装座，所述第一安装座与所述隔振器壳体固定连接，且套接于第一音圈电机定子外侧；所述第二动力组件还包括第二安装座，所述第二安装座与隔振器壳体固定连接，且套接于第二音圈电机定子外侧。
优选地，所述第一刚性杆和所述第一音圈电机动子铰接处安装有第一旋转编码器，用于测量第一刚性杆转动的角度；所述第二刚性杆和所述第二音圈电机动子铰接处安装有第二旋转编码器，用于测量第二刚性杆转动的角度。
本发明提供的一种固有频率实时可调的超低频隔振装置，通过控制第一作用力和第二作用力的大小，即可获得所需要的负刚度特性，从而实现对固有频率的实时调节和控制。通过以上提出的超低频隔振装置，既可以满足隔振装置对超低固有频率的要求，同时能够根据需要对隔振装置的固有频率进行调控，从而实现优异的低频隔振性能以及隔振装置的适用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明提供的一种固有频率实时可调的超低频隔振装置的外观示意图；
图2为本发明提供的一种固有频率实时可调的超低频隔振装置的A-A剖面示意图；
图3为本发明提供的一种固有频率实时可调的超低频隔振装置的B-B剖面示意图；
图4为本发明提供的一种固有频率实时可调的超低频隔振装置的C-C剖面示意图；
图5为本发明提供的一种固有频率实时可调的超低频隔振装置在扰动时产生垂直向上位移时A-A剖面示意图；
图6为本发明提供的一种固有频率实时可调的超低频隔振装置在扰动时产生垂直向下位移时A-A剖面示意图。
附图标记：1、承载板；2、承载杆；3、隔振器壳体；4、第一弹性支撑元件；5、第一动力组件；51、第一音圈电机定子；52、第一音圈电机动子；521、第一音圈电机动子元件；522、第一连接杆；53、第一刚性杆；54、第一导向轴承；55、第一安装座；56、第一旋转编码器；6、第二动力组件；61、第二音圈电机定子；62、第二音圈电机动子；621、第二音圈电机动子元件；622、第二连接杆；63、第二刚性杆；64、第二导向轴承；65、第二安装座；66、第二旋转编码器；7、第二弹性支撑元件；71、第一弹簧；72、第二弹簧；73、第三弹簧；74、第四弹簧。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“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”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1至图4所示，本实施例提供一种固有频率实时可调的超低频隔振装置，包括承载板1、承载杆2、隔振器壳体3和置于隔振器壳体3底部的第一弹性支撑元件4；所述承载杆2的一端与承载板1连接，另一端与第一弹性支撑元件4连接；所述隔振器壳体3内部固定连接有沿承载杆2的水平轴线对称布置的第一动力组件5和第二动力组件6；
所述第一动力组件5包括第一音圈电机定子51、第一音圈电机动子52和第一刚性杆53；所述第一音圈电机动子52可移动地置于所述第一音圈电机定子51内，所述第一音圈电机定子51对第一音圈电机动子52施加有第一作用力；所述第一刚性杆53的一端与第一音圈电机动子52铰接，另一端与承载杆2铰接；
所述第二动力组件6包括第二音圈电机定子61、第二音圈电机动子62和第二刚性杆63；所述第二音圈电机动子62可移动地置于所述第二音圈电机定子61内，所述第二音圈电机定子61对第二音圈电机动子62施加有第二作用力，所述第一作用力与第二作用力方向相反；所述第二刚性杆63的一端与第二音圈电机动子62铰接，另一端与承载杆2铰接。
在本实施例中，承载板1、承载杆2以及第一弹性支撑元件4的垂向轴线在同一垂线上；第一音圈电机动子52和第二音圈电机动子62在工作状态下只能在水平方向发生位移，且通过分别控制第一音圈电机和第二音圈电机中的电流大小，就可以对第一作用力和第二作用力的大小进行调控。
当隔振装置处于额定载荷并且没有外部扰动的情况下，承载杆2的水平轴承线、第一刚性杆53、第二刚性杆63以及第一音圈电机动子52、第二音圈电机动子62的轴线在同一水平线上。
如图5所示，当隔振装置在外部扰动下发生振动的时候，如果承载板1以及承载杆2发生垂直向上的位移，第一刚性杆53随承载杆的移动而产生转动，此时，由于电流的作用，第一音圈电机定子51对第一音圈电机动子52施加有第一作用力，第一音圈电机动子52将向右产生水平位移，并沿着第一刚性杆53的轴线方向对第一刚性杆53产生作用力F2。第二刚性杆63随承载杆移动而产生转动，此时由于电流的作用，第二音圈电机定子61对第二音圈电机动子62施加有第二作用力，第二音圈电机动子62将向左发生水平位移，并沿着第二刚性杆63的轴线方向对第二刚性杆63产生作用力F1，最终作用力F1和F2将在承载杆2的垂直方向产生向上的合力F，因为合力F的方向与产生的位移方向一致，因此将在垂直方向产生垂直向上的负刚度特性。
同理，如图6所示，当隔振装置在外部振动下发生振动的时候，如果承载板1以及承载杆2产生垂直向下的位移，第一音圈电机定子51对第一音圈电机动子52施加有第一作用力，第一音圈电机动子52将向右发生水平位移，并沿着第一刚性杆53的轴线方向对第一刚性杆53产生作用力F2。第二音圈电机定子61对第二音圈电机动子62施加有第二作用力，第二音圈电机动子62将向左发生水平位移，并沿着第二刚性杆63的轴线方向对第二刚性杆63产生作用力F1，最终作用力F1和F2将在承载杆2的垂直方向产生向下的合力F，因为合力F的方向与产生的位移方向一致，因此将在垂直方向产生垂直向下的负刚度特性。
当承载板1以及承载杆2产生垂直向上或者向下的位移时，通过改变第一音圈电机定子51和第二音圈电机定子61内电流的大小，即可改变第一作用力和第二作用力的大小进而改变F1和F2的大小，即可获得所需要的负刚度特性，从而实现对固有频率的实时调节和控制。
所述隔振装置还包括第二弹性支撑元件7，所述第二弹性支撑元件7包括等角度布置的第一弹簧71、第二弹簧72、第三弹簧73和第四弹簧74，所述第一弹簧71、所述第二弹簧72、所述第三弹簧73和所述第四弹簧74的一端分别与承载杆2固定连接，另一端分别与隔振器壳体3固定连接；第一弹簧71、第二弹簧72、第三弹簧73和第四弹簧74分别与承载杆2垂直。所述第一弹簧71、所述第二弹簧72、所述第三弹簧73和所述第四弹簧74位于同一平面内。
在本实施例中，在第一弹簧71、第二弹簧72、第三弹簧73、第四弹簧74和第一弹性支撑元件4的约束下，承载杆2和承载板1只能在垂直方向发生运动，因此构成了一个被动隔振系统。
所述承载杆2包括互相垂直的第一杆体21和第二杆体22；所述第一杆体21的一端与承载板1连接，另一端与第一弹性支撑元件4连接；所述第二杆体22的一端与第一刚性杆53铰接，另一端与第二刚性杆63铰接。
在本实施例中，第一杆体21为垂直方向，第二杆体22为水平方向。
所述第一音圈电机动子52与第二音圈电机动子62的移动方向相反，且位于同一水平线上。
在本实施例中，第一音圈电机动子52与第二音圈电机动子62的移动方向相反，可以确保第一音圈电机动子52沿第一刚性杆53的轴线方向对第一刚性杆53产生的作用力F2、第二音圈电机动子62沿第二刚性杆63的轴线方向对第二刚性杆63产生的作用力F1在承载杆2的垂直方向产生合力F，进而形成负刚度特性，实现对固有频率的调节和控制。
所述第一音圈电机动子52包括第一音圈电机动子元件521和第一连接杆522，所述第一音圈电机动子元件521与第一连接杆522连接；所述第一音圈电机定子51远离隔振器壳体3的一端设置有第一导向轴承54；所述第一连接杆522沿第一导向轴承54向第一音圈电机定子51外侧伸出，与第一刚性杆53铰接；所述第二音圈电机动子62包括第二音圈电机动子元件621和第二连接杆622，所述第二音圈电机动子元件621与第二连接杆622连接；所述第二音圈电机定子61远离隔振器壳体3的一端设置有第二导向轴承64；所述第二连接杆622沿第二导向轴承64向第二音圈电机定子61外侧伸出，与第二刚性杆63铰接。
在本实施例中，第一音圈电机动子52在第一导向轴承54的约束下，只能在水平方向发生位移；第二音圈电机动子62在第二导向轴承64的约束下，只能在水平方向发生位移。
所述第一动力组件5还包括第一安装座55，所述第一安装座55与所述隔振器壳体3固定连接，且套接于第一音圈电机定子51外侧；所述第二动力组件6还包括第二安装座65，所述第二安装座65与隔振器壳体3固定连接，且套接于第二音圈电机定子61外侧。
在本实施例中，第一安装座55和第二安装座65的水平轴线在同一水平线上，分别用于安装固定第一音圈电机定子51和第二音圈电机定子61。
所述第一刚性杆53和所述第一音圈电机动子52铰接处安装有第一旋转编码器56，用于测量第一刚性杆53转动的角度；所述第二刚性杆63和所述第二音圈电机动子62铰接处安装有第二旋转编码器66，用于测量第二刚性杆63转动的角度。
在本实施例中，当承载板1以及承载杆2产生垂直向上或者向下的位移时，第一音圈电机动子52和第一刚性杆53之间的角度可以通过第一旋转编码器56测量得到，第二音圈电机动子62和第二刚性杆63之间的角度可以第二旋转编码器66测量得到。为了使得承载杆2在垂直方向运动而在水平方向没有位移，F1和F2的大小应该相等，因此垂向分力F＝(F1+F2)sinα，可以通过分别控制第一作用力和第二作用力的大小对F1和F2进行控制。
在本实施例中，可以根据第一旋转编码器56测得的第一音圈电机动子52和第一刚性杆53之间的角度、第二旋转编码器66测得的第二音圈电机动子62和第二刚性杆63之间的角度和所需要的负刚度特性，通过分别控制第一作用力和第二作用力，在F1＝F2的前提下对F1和F2进行控制，从而实现对负刚度特性的调控，并进一步实现对固有频率的调节和控制。
通过以上提出的超低频隔振装置，既可以满足隔振装置对超低固有频率的要求，同时能够根据需要对隔振装置的固有频率进行调控，从而实现优异的低频隔振性能以及隔振装置的适用性。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种固有频率实时可调的超低频隔振装置，包括承载板（1）、承载杆（2）、隔振器壳体（3）和置于隔振器壳体（3）底部的第一弹性支撑元件（4）；所述承载杆（2）的一端与承载板（1）连接，另一端与第一弹性支撑元件（4）连接；其特征在于：
所述隔振器壳体（3）内部固定连接有沿承载杆（2）的水平轴线对称布置的第一动力组件（5）和第二动力组件（6）；
所述第一动力组件（5）包括第一音圈电机定子（51）、第一音圈电机动子（52）和第一刚性杆（53）；所述第一音圈电机动子（52）可移动地置于所述第一音圈电机定子（51）内，所述第一音圈电机定子（51）对第一音圈电机动子（52）施加有第一作用力；所述第一刚性杆（53）的一端与第一音圈电机动子（52）铰接，另一端与承载杆（2）铰接；
所述第二动力组件（6）包括第二音圈电机定子（61）、第二音圈电机动子（62）和第二刚性杆（63）；所述第二音圈电机动子（62）可移动地置于所述第二音圈电机定子（61）内，所述第二音圈电机定子（61）对第二音圈电机动子（62）施加有第二作用力，所述第一作用力与第二作用力方向相反；所述第二刚性杆（63）的一端与第二音圈电机动子（62）铰接，另一端与承载杆（2）铰接；
所述承载杆（2）包括互相垂直的第一杆体（21）和第二杆体（22）；所述第一杆体（21）的一端与承载板（1）连接，另一端与第一弹性支撑元件（4）连接；所述第二杆体（22）的一端与第一刚性杆（53）铰接，另一端与第二刚性杆（63）铰接；
所述第一音圈电机动子（52）包括第一音圈电机动子元件（521）和第一连接杆（522），所述第一音圈电机动子元件（521）与第一连接杆（522）连接；所述第一音圈电机定子（51）远离隔振器壳体（3）的一端设置有第一导向轴承（54）；所述第一连接杆（522）沿第一导向轴承（54）向第一音圈电机定子（51）外侧伸出，与第一刚性杆（53）铰接；所述第二音圈电机动子（62）包括第二音圈电机动子元件（621）和第二连接杆（622），所述第二音圈电机动子元件（621）与第二连接杆（622）连接；所述第二音圈电机定子（61）远离隔振器壳体（3）的一端设置有第二导向轴承（64）；所述第二连接杆（622）沿第二导向轴承（64）向第二音圈电机定子（61）外侧伸出，与第二刚性杆（63）铰接。
2.根据权利要求1所述的一种固有频率实时可调的超低频隔振装置，其特征在于，还包括第二弹性支撑元件（7），所述第二弹性支撑元件（7）包括等角度布置的第一弹簧（71）、第二弹簧（72）、第三弹簧（73）和第四弹簧（74），所述第一弹簧（71）、所述第二弹簧（72）、所述第三弹簧（73）和所述第四弹簧（74）的一端分别与承载杆（2）固定连接，另一端分别与隔振器壳体（3）固定连接；第一弹簧（71）、第二弹簧（72）、第三弹簧（73）和第四弹簧（74）分别与承载杆（2）垂直。
3.根据权利要求2所述的一种固有频率实时可调的超低频隔振装置，其特征在于，所述第一弹簧（71）、所述第二弹簧（72）、所述第三弹簧（73）和所述第四弹簧（74）位于同一平面内。
4.根据权利要求1所述的一种固有频率实时可调的超低频隔振装置，其特征在于，所述第一音圈电机动子（52）与第二音圈电机动子（62）的移动方向相反，且位于同一水平线上。
5.根据权利要求1所述的一种固有频率实时可调的超低频隔振装置，其特征在于，所述第一动力组件（5）还包括第一安装座（55），所述第一安装座（55）与所述隔振器壳体（3）固定连接，且套接于第一音圈电机定子（51）外侧；所述第二动力组件（6）还包括第二安装座（65），所述第二安装座（65）与隔振器壳体（3）固定连接，且套接于第二音圈电机定子（61）外侧。
6.根据权利要求1所述的一种固有频率实时可调的超低频隔振装置，其特征在于，所述第一刚性杆（53）和所述第一音圈电机动子（52）铰接处安装有第一旋转编码器（56），用于测量第一刚性杆（53）转动的角度；所述第二刚性杆（63）和所述第二音圈电机动子（62）铰接处安装有第二旋转编码器（66），用于测量第二刚性杆（63）转动的角度。
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