CN113639146A - 一种半主动控制的准零刚度并联机构隔振装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种半主动控制的准零刚度并联机构隔振装置，包括具有负刚度特性的Delta并联机构、具有正刚度的竖直弹簧结构、开关可控阻尼器、振动传感器和计算机；具有负刚度特性的Delta并联机构包括与外部基础平台连接的静平台、承载被隔振设备的动平台以及支链；竖直弹簧结构包括竖直弹簧和竖直弹簧导向柱；开关可控阻尼器的两端通过关节轴承安装在动平台和静平台形心处，动平台和静平台上分别设有振动传感器，振动传感器通过前置放大器与计算机相连接，计算机与开关可控阻尼器相连接。本发明还提供一种半主动控制的准零刚度并联机构隔振装置的控制方法。本发明可实现对该准零刚度并联机构隔振装置低频段共振峰的有效抑制，同时又可不改变高频段的隔振性能。
Description
技术领域
本发明涉及半主动控制的准零刚度并联机构隔振装置，尤其涉及一种半主动控制的准零刚度并联机构隔振装置及控制方法。
背景技术
车载高端测控仪器设备的安全性和可靠性对隔振装置的隔振效果提出了越来越高的要求，针对低频和超低频隔振问题，要求系统具有更低的固有频率，采用准零刚度隔振装置是一个很好的解决方案；针对多自由度隔振问题，最通常的做法是串联多个能隔离单个自由度上振动的单自由度隔振元件，从而实现多自由度隔振，结构复杂，体积庞大，采用并联机构实现多自由度的隔振，结构简单紧凑。
专利CN 110778649A中公开了一种可实现三自由度方向上的低频隔振的隔振平台，其将Delta并联机构直接演绎成为一种负刚度机构，通过与竖直弹簧并联获得具有准零刚度特性的隔振平台，实现了并联机构与准零刚度的有机结合，有效解决了三自由度低频、超低频隔振难题，结构简单紧凑，但也带来一个隔振系统普遍不可避免的问题：容易产生低频共振。
根据隔振理论，在隔离大于隔振系统固有频率的振动时，隔振系统的固有频率越低、阻尼越小，隔振效果也越好。增大系统的阻尼是抑制系统低频共振现象最有效的手段，但会导致高频段的隔振效果变差，产生了不同隔振频段对阻尼大小的需求不同的矛盾。
发明内容
为克服专利CN 110778649A公开的隔振装置的缺点，本发明提供一种半主动控制的准零刚度并联机构隔振装置及控制方法。
本发明的第一个方面提供一种半主动控制的准零刚度并联机构隔振装置，包括具有负刚度特性的Delta并联机构、具有正刚度的竖直弹簧结构、开关可控阻尼器、振动传感器和计算机；
所述具有负刚度特性的Delta并联机构包括与外部基础平台连接的静平台、承载被隔振设备的动平台以及支链；静平台和动平台均呈水平设置的平板状，以动平台的形心为圆心，每120度的径向设置一条支链，所述的径向构成动平台的形状对称线；支链架设在静平台的支撑架底板上，并通过转轴安装座与动平台相连接；支撑架底板设置在支撑架肋板与支撑架的顶面，所述支撑架与纵截面呈倒L型的支撑架肋板固定连接，并架设在静平台顶面所述的径向；支撑架底板上安装有沿所述的径向设置的水平弹簧和直线滑块导轨模组，直线滑块导轨模组包括径向设置的导轨，水平弹簧设置在水平弹簧安装座和转轴滑块之间；所述的支链包括：转轴滑块可滑动地设置在导轨上，并通过平行四边形机构连接动平台上的转轴安装座，平行四边形机构包括设置在转轴安装座上的第一转轴、设置在转轴滑块上的第二转轴、两端分别与第一转轴、第二转轴铰接的连杆，连杆平行于所述的径向，第一转轴和第二转轴垂直于所述的径向，平行四边形机构所在平面平行于动平台；
所述竖直弹簧结构包括竖直弹簧和竖直弹簧导向柱，在所述的径向位置动平台底面支撑有竖直弹簧，竖直弹簧的底部由设置在静平台上的竖直弹簧导向柱支撑；
所述具有负刚度特性的Delta并联机构和具有正刚度特性的竖直弹簧结构构成准零刚度系统；
所述开关可控阻尼器由一个或多个串联的开关可控阻尼器组成，开关可控阻尼器的两端通过关节轴承安装在动平台和静平台形心处，动平台和静平台的形心处分别设有用于与关节轴承连接的上关节轴承支座、下关节轴承支座；
所述动平台和静平台上分别设有振动传感器，振动传感器用于测量振动速度信号；振动传感器通过前置放大器与计算机相连接，计算机与开关可控阻尼器相连接；振动传感器将测量的振动速度信号经前置放大处理后传至计算机，计算机控制开关可控阻尼器切换阻尼大小、调整所述准零刚度并联机构隔振装置的阻尼参数。
进一步，所述竖直弹簧导向柱的顶部设有限位台阶，限位台阶上安装有竖直弹簧套筒，竖直弹簧的底部套设在竖直弹簧套筒顶部的凸台上。
进一步，所述水平弹簧设置在水平弹簧安装座和转轴滑块之间，通过改变水平弹簧安装座的安装位置调节水平弹簧的压缩量；竖直弹簧设置在动平台与竖直弹簧套筒之间，通过改变竖直弹簧套筒的厚度调节竖直弹簧的压缩量。
进一步，所述关节轴承包括外圈和置于外圈内的内圈，内圈的外壁呈球面结构，外圈的内壁设置为与内圈外壁相适应的球面；关节轴承实现任意角度的自由旋转摆动，其水平方向的两个平移运动不受开关可控阻尼器的影响。
本发明的第二个方面提供一种半主动控制的准零刚度并联机构隔振装置的控制方法，所述方法包括：
根据动平台、静平台的相对振动速度与静平台的振动速度的相位关系，切换开关可控阻尼器的开或关，实现对该隔振装置阻尼参数的实时调整，其控制策略表达为：
其中，vt为静平台竖直方向上的振动速度，v为动平台竖直方向上的振动速度；C为开关可控阻尼器实际阻尼值，Con为阻尼器得电状态，即表现为大阻尼状态的值、Coff为阻尼器得电状态，即表现为小阻尼状态的值；开关可控阻尼器产生的可控阻尼力Fc的方向仅与动平台速度v和静平台速度vt的差值有关，即仅与v-vt相关；切换开关可控阻尼器的开关状态，仅改变可阻尼力的大小；开关可控阻尼器在得电状态时，阻尼为大阻尼，阻尼力较大；在失电状态时，阻尼为小阻尼或无阻尼，阻尼力较小；
当可控阻尼力Fc与静平台的速度vt的方向相同时，即当动平台和静平台的相对速度与静平台的速度同向时，选择最大阻尼值，抑制动平台的运动；当可控阻尼力Fc与静平台的速度vt的方向相反时，即当动平台和静平台的相对速度与静平台的速度反向时，选择最小的阻尼值，减少振动的传递，从而使隔振装置具有更好的隔振效果，改善隔振装置在全频段的隔振性能。
本发明的有益效果是：
1.本发明可根据既定的控制策略适时开启和关闭开关可控阻尼器，实现对该准零刚度并联机构隔振装置低频段共振峰的有效抑制，同时又可不改变高频段的隔振性能。
2.本发明所提出的开关可控阻尼器只有开、关两种状态，易实现准零刚度隔振系统的半主动控制。同时，可控阻尼器在得电的时候表现为大阻尼，需要消耗外界能源，但相较于主动控制而言所消耗的能源较少，控制系统更加稳定可靠。
3.本发明提出的开关可控阻尼器与并联机构的动平台和静平台通过关节轴承连接，可以实现任意角度的旋转摆动，开关可控阻尼器不限制隔振平台水平方向上的平移运动。
附图说明
图1为本发明的半主动控制的准零刚度并联机构隔振装置的结构示意图。
图2为本发明的结构主视图。
图3为本发明的开关可控阻尼器与静平台和动平台的连接方式。
图4为本发明半主动控制系统结构示意图。
图5为本发明竖直方向上开关可控阻尼器处于分别为无控制算法、施加半主动控制算法两种状态时的动平台位移响应幅值曲线的仿真对比图。曲线一是无控制算法时的动平台位移响应幅值曲线，曲线二是使用本发明之后的动平台位移响应幅值曲线。
附图标记说明：1、静平台；2、下关节轴承支座；3、开关可控阻尼器；4、水平弹簧；5、连杆；6、竖直弹簧；7、动平台；8、上关节轴承支座；9、关节轴承；10、关节轴承螺钉；11、支撑架底板；12、转轴安装座；13、支撑架；14、直线滑块导轨模组；15、水平弹簧安装座；16、转轴滑块；17、竖直弹簧导向柱；18、支撑架肋板。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明专利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，如出现术语“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，如出现术语“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，如出现术语“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。
参照附图，一种半主动控制的准零刚度并联机构隔振装置，包括具有负刚度的Delta并联机构、具有正刚度的竖直弹簧结构、开关可控阻尼器、振动传感器和计算机；
所述负刚度特性的Delta并联机构包括与外部基础平台连接的静平台1、承载被隔振设备的动平台7以及支链；静平台1和动平台7都呈水平设置的平板状，动平台7从形心为圆心每120度的径向都连接一个支链，支链架设在静平台1的支撑架底板11上，所述的径向构成动平台7的形状对称线；动平台7通过转轴安装座12连接支链；
静平台1顶面在所述的径向对应位置设有支撑架13，所述支撑架13的侧面设置有支撑架肋板18，支撑架肋板18的纵截面呈倒L型，支撑架肋板18的竖边与支撑架13固定连接，支撑架肋板18的横边与支撑架13的顶端齐平，支撑架肋板18与支撑架13的顶面设有支撑架底板11，支撑架底板11上安装有沿所述的径向设置的水平弹簧4和直线滑块导轨模组14，直线滑块导轨模组14包括径向设置的导轨，水平弹簧4设置在水平弹簧安装座15和转轴滑块16之间，通过改变水平弹簧安装座15的安装位置调节水平弹簧的压缩量；所述的支链包括：转轴滑块16可滑动地设置在导轨上，转轴滑块16通过平行四边形机构连接动平台上的转轴安装座12，平行四边形机构包括设置在转轴安装座12上的第一转轴、设置在转轴滑块16上的第二转轴、两端分别与第一转轴、第二转轴铰接的连杆5，连杆5平行于所述的径向，第一转轴和第二转轴垂直于所述的径向，平行四边形机构所在平面平行于动平台7；
所述竖直弹簧结构包括竖直弹簧4和竖直弹簧导向柱17，在所述的径向位置动平台7底面支撑有竖直弹簧6，竖直弹簧6的底部由设置在静平台1上的竖直弹簧导向柱17支撑；竖直弹簧导向柱17的顶部设有限位台阶，限位台阶上安装有竖直弹簧套筒，竖直弹簧6的底部套设在竖直弹簧套筒顶部的凸台上，通过改变竖直弹簧套筒的厚度调节竖直弹簧6的压缩量。
所述具有负刚度特性的Delta并联机构和具有正刚度特性的竖直弹簧结构构成准零刚度系统；
所述开关可控阻尼器3两端通过关节轴承安装在动平台7和静平台1的形心处，动平台7和静平台1的形心处分别设有用于与关节轴承连接的上关节轴承支座8、下关节轴承支座2，可设置一个或多个串联的开关可控阻尼器。；关节轴承包括外圈和置于外圈内的内圈，内圈的外壁呈球面结构，外圈的内壁设置为与内圈外壁相适应的球面；关节轴承实现任意角度的自由旋转摆动，水平方向的两个平移运动不受开关可控阻尼器的影响。
所述动平台7和静平台1上分别设有振动传感器，振动传感器用于测量速度信号；振动传感器通过前置放大器与计算机电连接，计算机与开关可控阻尼器电连接；振动传感器将测量的速度信号经前置放大处理后传至计算机，计算机控制开关可控阻尼器3切换阻尼大小、调整所述准零刚度并联机构隔振装置的阻尼参数。
一种半主动控制的准零刚度并联机构隔振装置的控制方法，所述方法包括：
根据动平台、静平台的相对振动速度与静平台的振动速度的相位关系，切换开关可控阻尼器的开或关，实现对该隔振装置阻尼参数的实时调整，其控制策略表达为：
其中，vt为静平台竖直方向上的振动速度，v为动平台竖直方向上的振动速度；C为开关可控阻尼器实际阻尼值，Con为阻尼器得电状态，即表现为大阻尼状态的值、Coff为阻尼器得电状态，即表现为小阻尼状态的值。开关可控阻尼器产生的可控阻尼力Fc的方向仅与动平台速度v和静平台速度vt的差值有关，即仅与v-vt相关；切换开关可控阻尼器的开关状态，仅改变可阻尼力的大小；开关可控阻尼器在得电状态时，阻尼为大阻尼，阻尼力较大；在失电状态时，阻尼为小阻尼或无阻尼，阻尼力较小；
当可控阻尼力Fc与静平台的速度vt的方向相同时，即当动平台和静平台的相对速度与静平台的速度同向时，选择最大阻尼值，抑制动平台的运动；当可控阻尼力Fc与静平台的速度vt的方向相反时，即当动平台和静平台的相对速度与静平台的速度反向时，选择最小的阻尼值，减少振动的传递，从而使隔振装置具有更好的隔振效果，改善隔振装置在全频段的隔振性能。
具体的，设动平台7的质量为m，其振动位移为x，连杆5长度为L，水平弹簧4刚度为kh，竖直弹簧6刚度为kv，静平台1的振动位移为xt。
开关可控阻尼器结构图如图3所示，开关可控阻尼器3的两端装有关节轴承，分别通过关节轴承9与动、静平台相连接，可实现任意方向的转动，对原隔振系统水平两个方向上的平移运动无影响。
半主动控制的准零刚度并联机构隔振装置控制系统结构简图如图4所示，其工作原理为：动平台7的顶面与被隔振质量连接，在初始位置，动平台7、连杆5、水平弹簧4均处于水平状态。静平台1底面与激励基础相连接，在受到激励基础的扰动时，动平台7偏离平衡位置，并通过连杆5带动转轴滑块16运动，此时水平弹簧4在竖直方向上为并联机构提供负刚度，与竖直弹簧6产生的正刚度相抵消。在不同频率的激励扰动下，为了避免共振，在动平台和静平台上装有测量速度的振动传感器，其所测量的速度信号经前置放大器传至工控机，工控机根据实际振动状况，依据既定算法适时开、关可控阻尼器的状态，调整隔振系统的阻尼参数的大小，从而抑制低频段的共振、改善高频段的隔振效果。
表1半主动控制的准零刚度并联机构隔振平台实施例的有关参数
本发明的开关半主动控制的准零刚度并联机构隔振装置的控制策略表达为：
该共振峰抑制的准零刚度并联机构隔振装置的静平台受到外界激励后，两个传感器将测量得到的速度信号传至工控机，当vt(v-vt)≥0时，工控机输出开关切换信号使其处于开启状态，阻尼系数为Con；当vt(v-vt)＜0时，工控机调节开关可控阻尼器处于关闭状态，阻尼系数为Coff。
使用上述的开关控制算法，并结合本实施例，在Matlab/Simulink模块中进行仿真分析。分析曲线如图5中曲线二所示，仿真结果表明：使用所述的开关半主动控制算法后的低频段共振峰相较于无控制算法状态时大大降低，得到抑制；在高频频段，使用开关控制算法后的隔振装置的隔振效果与不安装阻尼器状态时的隔振装置的隔振性能基本相同。
本专利将变阻尼的半主动控制技术应用到专利CN 110778649A中公开的隔振系统中，依据动、静平台的相对振动速度与静平台的振动速度的相位关系为依据提出半主动控制策略，适时切换开关可控阻尼器，在高频段，控制策略使得隔振装置的阻尼表现为小阻尼，可以达到很好的高频隔振效果；在低频段，控制策略使得隔振装置的阻尼表现为大阻尼，可有效地抑制低频段共振。有效地化解了隔振装置为了达到优秀的隔振效果，在不同隔振频段对阻尼大小的需求不同这个矛盾，半主动控制的准零刚度并联机构隔振装置在全频段都可以实现较好的隔振效果。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (5)
1.一种半主动控制的准零刚度并联机构隔振装置，其特征在于：包括具有负刚度的Delta并联机构、具有正刚度的竖直弹簧结构、开关可控阻尼器、振动传感器和计算机；
所述具有负刚度特性的Delta并联机构包括与外部基础平台连接的静平台(1)、承载被隔振设备的动平台(7)以及支链；静平台(1)和动平台(7)均呈水平设置的平板状，以动平台(7)的形心为圆心，每120度的径向设置一条支链，所述的径向构成动平台的形状对称线；支链架设在静平台(1)的支撑架底板(11)上，并通过转轴安装座(12)与动平台(7)相连接；支撑架底板(11)设置在支撑架肋板(18)与支撑架(13)的顶面，所述支撑架(13)与纵截面呈倒L型的支撑架肋板(18)固定连接，并架设在静平台(1)顶面所述的径向；支撑架底板(11)上安装有沿所述的径向设置的水平弹簧(4)和直线滑块导轨模组(14)，直线滑块导轨模组(14)包括径向设置的导轨，水平弹簧(4)设置在水平弹簧安装座(15)和转轴滑块(16)之间；所述的支链包括：转轴滑块(16)可滑动地设置在导轨上，并通过平行四边形机构连接动平台(7)上的转轴安装座(12)，平行四边形机构包括设置在转轴安装座(12)上的第一转轴、设置在转轴滑块(16)上的第二转轴、两端分别与第一转轴、第二转轴铰接的连杆(5)，连杆(5)平行于所述的径向，第一转轴和第二转轴垂直于所述的径向，平行四边形机构所在平面平行于动平台(7)；
所述竖直弹簧结构包括竖直弹簧(4)和竖直弹簧导向柱(17)，在所述的径向位置动平台(7)底面支撑有竖直弹簧(6)，竖直弹簧(6)的底部由设置在静平台(1)上的竖直弹簧导向柱(17)支撑；
所述具有负刚度特性的Delta并联机构和具有正刚度特性的竖直弹簧结构构成准零刚度系统；
所述开关可控阻尼器(3)由一个或多个串联的开关可控阻尼器组成，开关可控阻尼器(3)的两端通过关节轴承安装在动平台(7)和静平台(1)形心处，动平台(7)和静平台(1)的形心处分别设有用于与关节轴承连接的上关节轴承支座(8)、下关节轴承支座(2)；
所述动平台(7)和静平台(1)上分别设有振动传感器，振动传感器用于测量振动速度信号；振动传感器通过前置放大器与计算机相连接，计算机与开关可控阻尼器相连接；振动传感器将测量的振动速度信号经前置放大处理后传至计算机，计算机控制开关可控阻尼器(3)切换阻尼大小、调整所述准零刚度并联机构隔振装置的阻尼参数。
2.如权利要求1所述的一种半主动控制的准零刚度并联机构隔振装置，其特征在于：所述竖直弹簧导向柱(17)的顶部设有限位台阶，限位台阶上安装有竖直弹簧套筒，竖直弹簧(6)的底部套设在竖直弹簧套筒顶部的凸台上。
3.如权利要求2所述的一种半主动控制的准零刚度并联机构隔振装置，其特征在于：所述水平弹簧(4)设置在水平弹簧安装座(15)和转轴滑块(16)之间，通过改变水平弹簧安装座(15)的安装位置调节水平弹簧的压缩量；竖直弹簧(6)设置在动平台(7)与竖直弹簧套筒之间，通过改变竖直弹簧套筒的厚度调节竖直弹簧(6)的压缩量。
4.如权利要求1所述的一种半主动控制的准零刚度并联机构隔振装置，其特征在于：所述关节轴承包括外圈和置于外圈内的内圈，内圈的外壁呈球面结构，外圈的内壁设置为与内圈外壁相适应的球面；关节轴承实现任意角度的自由旋转摆动，其水平方向的两个平移运动不受开关可控阻尼器的影响。
5.如权利要求1-4所述的任意一项半主动控制的准零刚度并联机构隔振装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
根据动平台、静平台的相对振动速度与静平台的振动速度的相位关系，切换开关可控阻尼器的开或关，实现对该隔振装置阻尼参数的实时调整，其控制策略表达为：
其中，vt为静平台竖直方向上的振动速度，v为动平台竖直方向上的振动速度；C为开关可控阻尼器实际阻尼值，Con为阻尼器得电状态，即表现为大阻尼状态的值、Coff为阻尼器得电状态，即表现为小阻尼状态的值；开关可控阻尼器产生的可控阻尼力Fc的方向仅与动平台速度v和静平台速度vt的差值有关，即仅与v-vt相关；切换开关可控阻尼器的开关状态，仅改变可阻尼力的大小；开关可控阻尼器在得电状态时，阻尼为大阻尼，阻尼力较大；在失电状态时，阻尼为小阻尼或无阻尼，阻尼力较小；
当可控阻尼力Fc与静平台的速度vt的方向相同时，即当动平台和静平台的相对速度与静平台的速度同向时，选择最大阻尼值，抑制动平台的运动；当可控阻尼力Fc与静平台的速度vt的方向相反时，即当动平台和静平台的相对速度与静平台的速度反向时，选择最小的阻尼值，减少振动的传递，从而使隔振装置具有更好的隔振效果，改善隔振装置在全频段的隔振性能。
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| CN202110783015.XA CN113639146A (zh) | 2021-07-12 | 2021-07-12 | 一种半主动控制的准零刚度并联机构隔振装置及控制方法 |
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2021
- 2021-07-12 CN CN202110783015.XA patent/CN113639146A/zh active Pending
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