CN113565913B - 一种主动式非线性宽频吸振器及其调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动式非线性宽频吸振器及其调控方法，主动式非线性宽频吸振器，它包括底板和吸振模块；吸振模块包括支撑机构、吸振质量块和调节机构，支撑机构包括第一安装座、垂直弹性件和第二安装座，第一安装座设置于底板上，垂直弹性件的一端与第一安装座相连、另一端与第二安装座相连，吸振质量块设置于第二安装座上，调节机构包括水平弹性件，调节机构设置于底板上，水平弹性件与第二安装座相连，调节机构用于产生垂直方向的非线性力进而动态调整支撑机构的刚度；吸振模块通过底板与主系统连接。可抑制在谐振频率处主系统的响应峰值，消除谐振频率处两侧的新的共振峰。通过动态调整吸振器的刚度，达到宽频吸振的效果，且结构简单。

Description

一种主动式非线性宽频吸振器及其调控方法

技术领域

本发明涉及振动控制技术领域，具体涉及一种主动式非线性宽频吸振器及其调控方法。

背景技术

对于精密的仪器设备而言，振动会降低机械加工的精度和光洁度，加剧构件的疲劳磨损，影响产品质量和生产效率。为了减少振动带来的危害，吸振器一直都是工程领域研究的重点。吸振器可以根据工作时是否需要外部提供能量分为主动式和被动式，主动式吸振器通常可以根据外部激励频率的变化而改变自身的吸振频率范围，能够适应更加复杂的工况。国内专利号200510094882.3的专利公开了一种磁流变弹性体移频式吸振器及其控制方法，其工作原理为磁流变弹性体在变化磁场的作用下，弹性模量发生改变，以此来控制磁流变弹性体的刚度，实现对吸振器固有频率的调节。上述专利虽然能够在一定频率范围内实现宽频吸振，但是其均是利用线性系统完成对主系统的吸振，这就会导致吸振器系统和主系统构成的耦合系统具有两个固有频率，从而导致在原系统谐振频率附近两侧引入新的共振峰，降低吸振器的吸振效果。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的上述缺陷，从而提供一种主动式非线性宽频吸振器及其调控方法。

本发明提供了一种主动式非线性宽频吸振器，它包括底板和吸振模块；吸振模块包括支撑机构、吸振质量块和调节机构，支撑机构包括第一安装座、垂直弹性件和第二安装座，第一安装座设置于底板上，垂直弹性件的一端与第一安装座相连、另一端与第二安装座相连，吸振质量块设置于第二安装座上，调节机构包括水平弹性件，调节机构设置于底板上，水平弹性件与第二安装座相连，调节机构用于产生垂直方向的非线性力进而动态调整支撑机构的刚度；吸振模块通过底板与主系统连接。

所述第一安装座包括座板和导柱，第一安装座通过座板与所述底板可拆卸连接；所述第二安装座包括顶板和底柱，顶板上设螺纹孔；所述垂直弹性件为弹簧，一端套于导柱上，另一端套于底柱外；所述吸振质量块通过螺杆连接于顶板螺纹孔处。

所述底板为矩形板，所述支撑机构设置于底板的长度方向中心，一对所述调节机构对称设置于支撑机构两侧。

所述调节机构包括水平弹簧和行程调节组件；行程调节组件包括弹簧架，弹簧架沿水方向往复运动；水平弹簧的一端与所述第二安装座相连、另一端与弹簧架相连。

所述行程调节组件还包括步进电机、联轴器、丝杆和轴承座；步进电机和轴承座安装于底板上，丝杆的一端通过联轴器与步进电机的输出轴相连、另一端与轴承座相连；所述弹簧架与丝杆螺纹连接。

所述弹簧架包括螺母座、立板和水平柱，立板的底端与螺母座相连，水平柱连接于立板的侧面，弹簧架通过螺母座与所述丝杆螺纹连接。

在一个实施例中，它还包括防倾组件，防倾组件包括弹簧片和片簧支架，弹簧片的一端与所述第二安装座的底面相连、另一端与片簧支架相连，片簧支架连接于所述底板上；一对防倾组件对称布置于第二安装座的两侧，防倾组件与所述调节机构垂直布置。

在一个实施例中，它还包括步进电机驱动器、控制器、加速度传感器和位移传感器；位移传感器固定在底板上，用于采集主系统的位移信号；加速度传感器用于采集外部激励的加速度信号；控制器对采集到的加速度信号以及位移信号进行分析处理，将控制信号传递到步进电机驱动器实现对步进电机的控制。

本发明还提供了一种上述主动式非线性宽频吸振器的调控方法，包括如下步骤：

S1：根据水平弹簧的刚度系数和初始长度，垂直弹性件的刚度系数、质量比和阻尼比得到三条主系统频响曲线；

S2：以三条频响曲线之间的交点对应的横坐标值为频率控制阈值，将激励频率划分为四段，区间段数据储存于控制器内；

S3：通过加速度传感器实时获得主系统的外部激励加速度，通过控制器进行傅里叶变换，判断外部激励加速度处于哪个区间段，经过数据处理输出至步进电机驱动器；

S4：步进电机驱动器接收控制器的信号，控制步进电机工作改变水平弹簧在垂直方向的非线性刚度，使得主系统处于对应的频响曲线中；

S5：通过位移传感器的数据判断主系统的位移相应是否满足预期要求，若满足则步骤结束，若不满足则跳转到S1中。

所述频响曲线的数量根据实际工况的需求设定，并根据每条频响曲线的交点划分频率曲线，得到若干个不同的频率区间。

本发明提供的一种主动式非线性宽频吸振器及其调控方法，这种调节机构用于产生垂直方向的非线性力进而动态调整支撑机构的刚度，实现非线性吸振。通过采用非线性吸振可以有效的抑制在谐振频率处主系统的响应峰值，消除谐振频率处两侧的新的共振峰，而不影响其他频率处的频响曲线。还可以实现对外界激励频率的追踪，通过动态调整吸振器的刚度，使得吸振器对主系统的位移响应始终有一个好的抑制效果，达到宽频吸振的效果，且结构简单，控制方便。

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为本发明优选实施例一的立体示意图。

图2为图1的主视示意图。

图3为本发明优选实施例二的布置示意图。

图4为本发明的原理图。

图5为本发明主系统激励频率区间段划分图。

图6为本发明提供的一种主动式非线性宽频吸振器的调控方法的流程图。

附图标记：

1、底板；

2、支撑机构；21、第一安装座；22、垂直弹性件；23、第二安装座；

3、吸振质量块；

4、调节机构；41、水平弹簧；42、行程调节组件；421、弹簧架；422、步进电机；423、联轴器；424、丝杆；425、轴承座；

5、防倾组件；51、弹簧片；52、片簧支架；

6、步进电机驱动器；

7、控制器；

8、加速度传感器；

9、位移传感器。

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。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的这种主动式非线性宽频吸振器它包括底板1和吸振模块，吸振模块包括支撑机构2、吸振质量块3、调节机构4和防倾组件5。

具体实施时，可将底板1设计为矩形板，其底面用以与主系统连接，其顶面用以安装吸振模块。

如图1、图2所示，吸振模块包括支撑机构2、吸振质量块3、调节机构4和防倾组件5，支撑机构2设置于底板1的长度方向中，吸振质量块3装配于支撑机构2的顶部，一对调节机构4沿X轴对称布置于支撑机构2两侧，一对防倾组件5沿Y轴对称布置于支撑机构2两侧。

支撑机构2包括第一安装座21、垂直弹性件22和第二安装座23。第一安装座21包括座板和导柱，第一安装座通过座板与底板通过紧固件锁紧；第二安装座23包括顶板和底柱，顶板上设螺纹孔；垂直弹性件22为弹簧，一端套于导柱上与座板固接，另一端套于底柱外与顶板固接。吸振质量块3通过螺杆连接于顶板的螺纹孔处。

调节机构4包括水平弹簧41和行程调节组件42。水平弹簧的一端与第二安装座23相连，另一端与行程调节组件42相连。行程调节组件42包括弹簧架421、步进电机422、联轴器423、丝杆424和轴承座425；步进电机422和轴承座425安装于底板1上，丝杆424的一端通过联轴器423与步进电机422的输出轴相连、另一端与轴承座425相连。弹簧架421包括螺母座、立板和水平柱，立板的底端与螺母座相连，水平柱连接于立板的侧面，弹簧架通过螺母座与丝杆424螺纹连接，通过水平柱和立板与水平弹簧41连接。具体布置时将一对调节机构呈左右分设于第二安装座23的两侧，用以产生垂直方向的非线性力。

防倾组件5包括弹簧片51和片簧支架52，弹簧片51的一端与第二安装座23的底面相连、另一端与片簧支架相连，片簧支架52连接于底板上；一对防倾组件5对称布置于第二安装座23的两侧用以防止吸振质量块3工作状态时发生前后方向的倾斜，保证了吸振器工作的稳定性。

初始状态时，两侧的水平弹簧、片簧均处于水平状态，与底板平行且并未发生上下方向的弯曲。当刚度可调的吸振模块处于初始状态时，弹簧架均垂直于底板。

本实施例在投入使用后，当右侧的步进电机发生转动时，步进电机会带动该侧的丝杆以及联轴器转动。此时弹簧架会发生向左或者向右的平移运动(平移方向与右步进电机转动方向有关)，从而导致该侧的水平弹簧产生拉伸或者压缩。左侧的调节机构作用方式与右侧相同。

实现对系统非线性力的调整进而动态调整吸振器的刚度，完成对吸振器工作频率范围的调整。采用非线性吸振可以有效的抑制在谐振频率处主系统的响应峰值，消除谐振频率处两侧的新的共振峰，而不影响其他频率处的频响曲线。本发明可以实现对外界激励频率的追踪，通过动态调整吸振器的刚度，使得吸振器对主系统的位移响应始终有一个好的抑制效果，达到宽频吸振的效果，且结构简单，控制方便。

实施例2

如图3所示，本实施例在实施例一的基础上增设了控制模块。控制模块包括步进电机驱动器6、控制器7、加速度传感器8和位移传感器9，加速度传感器8与外部环境激励连接，控制器7与加速度传感器8连接，步进电机驱动器6与控制器7连接，步进电机分别与步进电机驱动器6连接。位移传感器9用于采集主系统的位移信号，加速度传感器8用于采集外部激励的加速度信号，控制器7对采集到的加速度信号以及位移信号进行分析处理，将控制信号传递到步进电机驱动器6实现对步进电机的控制。

实施例3

本实施例提供了一种主动式非线性宽频吸振器的调控方法，如图4、图5、图6所示，本方法包括如下步骤：

S1：根据左侧水平弹簧的刚度系数和初始长度，右侧水平弹簧的刚度系数和初始长度，垂直弹性件的刚度系数、质量比和阻尼比得到三条主系统频响曲线；

S2：以三条频响曲线之间的交点对应的横坐标值为频率控制阈值，将激励频率划分为四段，区间段数据储存于控制器内；

S3：通过加速度传感器实时获得主系统的外部激励加速度，通过控制器进行傅里叶变换，判断外部激励加速度处于哪个区间段，经过数据处理输出至步进电机驱动器；

S4：步进电机驱动器接收控制器的信号，控制两步进电机按照相应方向转动相应圈速，从而改变两水平弹簧在垂直方向的非线性刚度，使得主系统处于对应的频响曲线中。

S5：通过位移传感器的数据判断主系统的位移相应是否满足预期要求，若满足则步骤结束，若不满足则跳转到S1中。

所述频响曲线的数量可根据实际工况的需求设定，并根据每条频响曲线的交点划分频率曲线，得到若干个不同的频率区间。

在本实施例中，选取的参数如下表所示：

区间段数据包括四段频率区间：[0，2.5]、[2.5，7]、[7，11]、[11，17.5]。分别对应左侧步进电机、右侧步进电机转动的圈数为A1，A2，A3以及A4，转动方向为B1，B2，B3以及B4。所述频响曲线的数量可以根据实际工况的需求设定，每条频响曲线都有其对应的左侧步进电机、右侧步进电机转动圈数以及方向，然后根据每条频响曲线的交点划分频率曲线。因此可以按照所提出的步骤，根据工况需求得到若干个不同的频率区间以及其对应的步进电机转动圈数以及方向。

所述吸振器在实际工作环境中，可以通过加速度传感器获取外部激励的加速度信号，再将加速度信号在控制器中进行傅里叶变换处理，得到外部激励的主要频率成分，根据已经划分好的频率区间，选择主系统频响曲线并输出其对应步进电机转动圈数以及方向的控制信号给步进电机驱动器，利用步进电机驱动器完成对步进电机的控制，同时利用位移传感器获取主系统的位移响应，控制器判断主系统的位移响应是否满足预期要求，若不满足则重新按照划分好的频率区间选择频响曲线。

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)

1.一种主动式非线性宽频吸振器的调控方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：根据水平弹簧的刚度系数和初始长度，垂直弹性件的刚度系数、质量比和阻尼比得到三条主系统频响曲线；

S2：以三条频响曲线之间的交点对应的横坐标值为频率控制阈值，将激励频率划分为四段，区间段数据储存于控制器内；

S3：通过加速度传感器实时获得主系统的外部激励加速度，通过控制器进行傅里叶变换，判断外部激励加速度处于哪个区间段，经过数据处理输出至步进电机驱动器；

S4：步进电机驱动器接收控制器的信号，控制步进电机工作改变水平弹簧在垂直方向的非线性刚度，使得主系统处于对应的频响曲线中；

S5：通过位移传感器的数据判断主系统的位移相应是否满足预期要求，若满足则步骤结束，若不满足则跳转到S1中；

其中主动式非线性宽频吸振器，包括底板和吸振模块；

吸振模块包括支撑机构、吸振质量块和调节机构，

支撑机构包括第一安装座、垂直弹性件和第二安装座，第一安装座设置于底板上，垂直弹性件的一端与第一安装座相连、另一端与第二安装座相连，

吸振质量块设置于第二安装座上，

调节机构包括水平弹性件，调节机构设置于底板上，水平弹性件与第二安装座相连，调节机构用于产生垂直方向的非线性力进而动态调整支撑机构的刚度；

吸振模块通过底板与主系统连接；

所述调节机构包括水平弹簧和行程调节组件；行程调节组件包括弹簧架，弹簧架沿水方向往复运动；水平弹簧的一端与所述第二安装座相连、另一端与弹簧架相连；

所述行程调节组件还包括步进电机、联轴器、丝杆和轴承座；步进电机和轴承座安装于底板上，丝杆的一端通过联轴器与步进电机的输出轴相连、另一端与轴承座相连；所述弹簧架与丝杆螺纹连接；

还包括步进电机驱动器、控制器、加速度传感器和位移传感器；位移传感器固定在底板上，用于采集主系统的位移信号；加速度传感器用于采集外部激励的加速度信号；控制器对采集到的加速度信号以及位移信号进行分析处理，将控制信号传递到步进电机驱动器实现对步进电机的控制。

2.根据权利要求1所述的一种主动式非线性宽频吸振器的调控方法，其特征在于，所述频响曲线的数量根据实际工况的需求设定，并根据每条频响曲线的交点划分频率曲线，得到若干个不同的频率区间。

3.根据权利要求1所述的一种主动式非线性宽频吸振器的调控方法，其特征在于：所述第一安装座包括座板和导柱，第一安装座通过座板与所述底板可拆卸连接；所述第二安装座包括顶板和底柱，顶板上设螺纹孔；所述垂直弹性件为弹簧，一端套于导柱上，另一端套于底柱外；所述吸振质量块通过螺杆连接于顶板螺纹孔处。

4.根据权利要求1所述的一种主动式非线性宽频吸振器的调控方法，其特征在于：所述底板为矩形板，所述支撑机构设置于底板的长度方向中心，一对所述调节机构对称设置于支撑机构两侧。

5.根据权利要求1所述的一种主动式非线性宽频吸振器的调控方法，其特征在于：所述弹簧架包括螺母座、立板和水平柱，立板的底端与螺母座相连，水平柱连接于立板的侧面，弹簧架通过螺母座与所述丝杆螺纹连接。

6.根据权利要求1所述的一种主动式非线性宽频吸振器的调控方法，其特征在于：它还包括防倾组件，防倾组件包括弹簧片和片簧支架，弹簧片的一端与所述第二安装座的底面相连、另一端与片簧支架相连，片簧支架连接于所述底板上；一对防倾组件对称布置于第二安装座的两侧，防倾组件与所述调节机构垂直布置。

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