CN114215872B - 一种基于压电阵列的主被动一体式阻尼器及隔振方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于压电阵列的主被动一体式阻尼器及隔振方法，该阻尼器包括被动阻尼段、预紧弹簧、预紧挡块、主轴杆、主轴杆保持套、直线定位轴承和主动阻尼段；被动阻尼段包括橡胶环固定盖，该橡胶环固定盖内置有O型橡胶环，橡胶环另一侧贴合垫片，垫片下端贴合预紧盖；主动阻尼段包括压电叠堆阵列套，该压电叠堆阵列套内部成等边三角形分布三个压电叠堆，三个压电叠堆通过球头分别连接三个顶杆，三个顶杆与主轴杆一端相顶，主轴杆的另一端依次穿过预紧挡块、预紧弹簧后与被动阻尼段连接。本发明在进行隔振时，将主动隔振、被动隔振相结合，采用多个压电叠堆分别产生不同位移，补偿阻尼器中主轴杆由于装配误差引起的径向偏转，提高了该阻尼器对微振动的隔振效果。
Description
技术领域
本发明涉及阻尼器，尤其涉及一种基于压电阵列的主被动一体式阻尼器及隔振方法。
背景技术
随着科技的快速发展，超精密加工、航空航天、激光通信、深空观测等领域对其机械系统的稳定性和控制精度有了更高的要求，而阻碍这些系统稳定性和精度进一步提高的一个重要因素就是来自系统内部或外部环境的微振动。
微振动是指微米量级以下的振动幅值、频带宽的微小振动。微振动由于振幅小，在机械结构中的传播机理复杂，且微振动测量易受环境噪声影响，所以一般的检测设备很难发现。
对于常规机械结构，微振动由于其幅值远小于机构的运动幅值，所以忽略微振动对其运动的影响；但对于高精密机械系统，其本身的运动幅值就在微米级及更小，所以微振动的存在降低其运动精度和工作稳定性。例如，在超精密加工中，光刻机设备在工作过程中受到周围环境包括地表及人走过时以及自身工作而产生微振动，随着加工精度的不断提高，这些微振动成为光刻机精度进一步提高的重要因素。由此可得，微振动对超精密系统的结构稳定性和运动精度都有较大影响，研究微振动的控制方法并对微振动实现有效抑制，对提高精密制造业水平有重大帮助。
对于振动的抑制，传统的方法有改善机械结构布置、采用质量阻尼减振器、使用隔振装置或加入滤波及信号处理装置，由于此类装置体积较大、性能固定、响应幅度大，故对大幅度、频域集中的振动信号能进行有效抑制，但对微振动的抑制效果不佳。究其原因，是因为微振动具有微振幅、宽频域和多自由度的特性，在传统的振动检测技术和控制方法下，难以实现对精密机械系统实现高精度和高稳定性的测量与控制。
随着智能材料技术的快速发展，越来越多的智能材料被用到隔振领域，智能材料因其具有优越的传感、反馈、识别、积累、响应、自诊断及自修复能力，很好的适应了微振动的微振幅、宽频域和多自由度的特点。利用智能材料设计智能结构来对微振动进行有效控制已成为微振动控制领域的研究热点。压电陶瓷材料具有高灵敏度、高作动精度、频带宽、响应快、易于控制等诸多优点，相比于其他智能材料性能更加突出。现有压电阻尼装置采用压电陶瓷片来实现减振，压电陶瓷片由于轻薄易于弯曲，振动时形变较大，故对微振动不能实现很好的控制。单纯使用压电陶瓷材料来实现减振也会造成能耗的增加。而如何对微振动进行有效控制成为亟需解决的技术问题。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术的不足，提供一种基于压电阵列的主被动一体式阻尼器及隔振方法，通过利用压电叠堆阵列代替单个压电叠堆或压电片，将主动隔振、被动隔振相结合，采用多个压电叠堆来补偿单个压电叠堆结构内由于装配间隙所导致的装配误差，进而实现对微振动的控制，提高了该阻尼器的微振动抑制效果，增加了阻尼器的普适性。
技术方案：本发明基于压电阵列的主被动一体式阻尼器包括被动阻尼段、预紧弹簧、预紧挡块、主轴杆、主轴杆保持套、直线定位轴承和主动阻尼段；其中：
被动阻尼段包括橡胶环固定盖、O型丁腈橡胶环、刚性垫片和预紧盖；O型丁腈橡胶环在橡胶环固定盖与刚性垫片的挤压下产生径向形变，产生对主轴杆的接触力，进而与主轴杆进行贴合连接；
主动阻尼段包括压电叠堆阵列套、压电叠堆阵列组件、直线定位轴承组件、顶杆组件和顶杆保持套；
主轴杆一端车外圆螺纹，依次穿过直线定位轴承、主轴杆保持套、预紧挡块、预紧弹簧、预紧盖、刚性垫片、O型丁腈橡胶环和橡胶环固定盖；主轴杆的另一端为光滑圆盘，在预紧弹簧的回复力作用下端面能够始终与主动阻尼段中的顶杆组件相抵。
被动阻尼段与主动阻尼段之间通过预紧挡块、预紧弹簧、主轴杆、主轴杆保持套和直线定位轴承连接。
被动阻尼段的橡胶环固定盖内置有圆形凹槽，O型丁腈橡胶环和刚性垫片内嵌于凹槽内，O型丁腈橡胶环下侧贴合刚性垫片；刚性垫片下端贴合预紧盖；预紧盖围绕其轴心布置四个螺纹孔，预紧盖和橡胶环固定盖通过螺杆连接。
压电叠堆阵列组件为带有半球头的多个压电叠堆，压电叠堆阵列组件布置于压电叠堆阵列套内。
主动阻尼段的压电叠堆阵列套尾部带有伸出螺纹杆，另一侧绕其轴心均匀布置三个盲孔；压电叠堆阵列组件为三个压电叠堆，分别设置于压电叠堆阵列套的盲孔内；顶杆组件为三个相同顶杆，顶杆的一端设置成内锥切面，与压电叠堆的力输出端相抵；顶杆的另一端设置成半球形，三个顶杆穿过直线定位轴承组件，通过直线定位轴承组件支撑在顶杆保持套内；顶杆保持套设有三个螺纹孔，通过螺杆与压电叠堆阵列套连接。
压电叠堆阵列组件由三个压电叠堆、6个陶瓷半球头组成，压电叠堆两端通过环氧树脂粘贴陶瓷半球头；三个压电叠堆成等边三角形布置于压电叠堆阵列套内，并且等边三角形的中心穿过压电叠堆阵列套的轴心。
压电叠堆阵列套的底部设置有三个出线孔，压电叠堆阵列组件导线通过线孔导出。
顶杆保持套上端面设置定位凸台；顶杆保持套内部围绕轴心设有三个阶梯孔，且布置方式与压电叠堆阵列组件相同。
主轴杆保持套内部沿轴心设有阶梯孔，该主轴杆保持套通过螺杆与预紧盖和顶杆保持套连接。
主被动一体式阻尼器的外围还设有检测单元及控制单元，检测单元包括激光轮廓检测仪；激光轮廓检测仪布置于橡胶环固定盖上，用于检测主轴杆的径向偏转。
控制单元包括A/D模块、控制器、D/A模块和压电叠堆功率放大器；检测信号通过激光轮廓检测仪检测，由A/D模块处理后输入控制器；控制器根据输入的信号输出控制信号，控制信号由D/A模块处理后输出给压电叠堆功率放大器；压电叠堆功率放大器将接收到的信号放大后输出给各个压电叠堆，驱动阻尼器内部的压电叠堆产生相应位移，纠正主轴杆的径向偏转。
本发明基于压电阵列的主被动一体式阻尼器的隔振方法如下：将一体式阻尼器的主轴杆与基础相连，一体式阻尼器中压电叠堆阵列套尾部伸出的螺纹杆与被隔振的物体相连，当系统受到振动时，主轴杆发生振动，O型丁腈橡胶环产生形变，对主轴杆产生阻尼力，消耗一部分振动信号来实现被动阻尼隔振；同时多个压电叠堆在补偿主轴杆径向误差的基础上同时作用，产生与振动信号相反的阻尼力来抵消振动，实现主动阻尼隔振。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明将阻尼器的被动阻尼段的O型丁腈橡胶环至于橡胶环固定盖的凹槽内，通过橡胶环固定盖与刚性垫片的挤压，使O型丁腈橡胶环产生径向形变，从而让O型丁腈橡胶环与主轴杆形成贴合连接；主轴杆的光滑圆盘端通过预紧挡块和预紧弹簧产生的预紧力与顶杆组件相抵，实现主轴杆与主动阻尼段的连接。因此，当主轴杆受到振动干扰时，主轴杆受到O型丁腈橡胶环由于变形产生的阻尼力，先消耗一部分振动信号，以此来实现被动阻尼隔振；同时多个压电叠堆在补偿主轴杆径向误差的基础上同时作用，产生与振动信号相反的阻尼力来抵消振动，实现主动阻尼隔振，进而实现对微振动的有效抑制。
(2)本发明中压电阵列组件中的每一个压电叠堆的两端使用环氧树脂粘有陶瓷半球头，其中一头与压电叠堆阵列套内部的盲孔最深处的锥面相抵，另一头与顶杆组件的内锥切面相抵，该方式使压电叠堆的受力方向始终保持在其轴线方向，避免压电叠堆由于受径向力而产生破坏，同时安装时无需考虑正反头及压电叠堆的同轴性，更利于压电叠堆的安装。
(3)本发明阻尼器的内部结构采用了压电叠堆构成的阵列结构替代传统的单个压电叠堆和压电陶瓷片；采用3个压电叠堆构成等边三角阵列智能结构；通过对各个压电叠堆进行位移补偿，纠正主轴杆由于装配误差产生的偏转，实现在微振动抑制中对阻尼器装配误差的补偿作用，提高了阻尼器精度。
附图说明
图1是本发明基于压电阵列的主被动一体式阻尼器的立体结构示意图；
图2是本发明基于压电阵列的主被动一体式阻尼器的轴向截面图；
图3是本发明基于压电阵列的主被动一体式阻尼器中的主轴杆保持套的结构示意图；
图4是本发明基于压电阵列的主被动一体式阻尼器中顶杆保持套的结构示意图；
图5是本发明基于压电阵列的主被动一体式阻尼器中压电叠堆组件布置示意图；
图6是本发明基于压电阵列的主被动一体式阻尼器内部压电叠堆控制过程示意图；
图7是本发明基于压电阵列的主被动一体式阻尼器装配误差示意图。
具体实施方式
实施例：
如图1，图2所示，本发明基于压电阵列的主被动一体式阻尼器包括被动阻尼段、预紧挡块5、预紧弹簧13、主轴杆7、主轴杆保持套6、直线定位轴承15和主动阻尼段；
被动阻尼段包括橡胶环固定盖2、O型丁腈橡胶环11、刚性垫片12和预紧盖4。主动阻尼段包括压电叠堆阵列套20、压电叠堆阵列组件、直线定位轴承组件16、顶杆组件17和顶杆保持套9。
被动阻尼段与主动阻尼段之间通过预紧挡块5、预紧弹簧13、主轴杆7、主轴杆保持套6、直线定位轴承15进行连接。主轴杆7上端依次穿过直线定位轴承15、主轴杆保持套6、预紧挡块5、预紧弹簧13和被动阻尼段；通过直线定位轴承15将主轴杆7支撑在主轴杆保持套6内。通过被动阻尼段内部的O型丁腈橡胶环11在受压后的径向变形，产生对主轴杆7的接触力。主轴杆7下端设置成光滑圆盘，与主动阻尼段上部顶杆组件17的三个顶杆相抵。本发明利用被动阻尼部分O型丁腈橡胶环11产生的形变来消耗主轴杆7所受振动信号，通过压电阵列主动阻尼部分对主轴杆7产生反向阻尼力完成对振动信号的主动控制，实现了对微振动的有效控制。
橡胶环固定盖2轴心处开有通孔，在橡胶环固定盖2上端围绕轴心均匀布置有4个通孔，四个通孔围绕橡胶环固定盖2轴心均匀布置，相邻两孔相对橡胶环固定盖2轴心连线的夹角为90°。在橡胶环固定盖2下端设有一放置橡胶环被动隔振材料的凹槽，凹槽内依次装入O型丁腈橡胶环11与刚性垫片12；O型丁腈橡胶环11外径与凹槽内径相同，安装时通过刚性垫片12提供的预紧力，实现O型丁腈橡胶环11与橡胶环固定盖2的紧密连接；为方便拆换，刚性垫片12的外径小于橡胶环固定盖2下端凹槽的外径；为给O型丁腈橡胶环提供足够预紧力，保证O型丁腈橡胶环11给主轴杆产生阻尼力，故刚性垫片厚度加上O型丁腈橡胶环11的线径应大于凹槽深度。预紧盖4上端围绕轴心均匀设至四个螺纹孔，相邻两孔相对预紧盖4轴心连线的夹角为90°。橡胶环固定盖2和预紧盖4通过螺杆1完成连接。该被动阻尼段通过调节刚性垫片12的厚度和螺杆1拧紧的程度来改变橡胶环11的形变量，从而调节相应的被动阻尼力，具有更高的普适性。
主轴杆7一端车外圆螺纹，另一端为光滑圆盘端，主轴杆7的螺纹端依次穿过直线定位轴承15、主轴杆保持套6、预紧挡块5、预紧弹簧13、预紧盖4、刚性垫片12、O型丁腈橡胶环11和橡胶环固定盖2。在主轴杆7的螺纹端穿过直线定位轴承15、主轴杆保持套6和预紧挡块5后，先通过紧定螺钉14将预紧挡块5固定在主轴杆7上，再穿过预紧弹簧13。在连接主轴杆7与被动阻尼段时保持O型丁腈橡胶环11处于不受预紧力的状态，方便主轴杆7穿过O型丁腈橡胶环11。
如图3所示，主轴杆保持套6内部沿轴心设有阶梯孔，阶梯孔分为三段，从主轴杆保持套6下端面往上孔径依次减小，主轴杆6最下端的内孔用于放置主轴杆7的光滑圆盘端，并且该孔还用于与顶杆保持套9上端面的定位凸台进行过渡配合，保证阻尼器的整体同轴度。
主轴杆保持套6中段孔用于安装直线定位轴承15，与直线定位轴承15进行过渡配合。主轴杆保持套6上端的孔用于通过主轴杆7的螺纹端。主轴杆保持套6的下端设置三个螺纹孔，相邻两孔相对主轴杆保持套6轴心连线的夹角为120°。主轴杆保持套6的上端设置四个螺纹孔，相邻两孔相对预紧盖4轴心连线的夹角为90°，主轴杆保持套6通过螺杆分别与预紧盖和顶杆保持套9连接。
主轴杆7的光滑圆盘端与主动阻尼段中的顶杆组件17相抵，通过预紧弹簧13在预紧挡块5和预紧盖4的压缩作用下发生的弹性变形提供预紧力，使主轴杆7与顶杆组件保持紧密接触。
如图4所示，顶杆保持套9上端面设置定位凸台，该凸台能较好保证主轴杆保持套6与顶杆保持套9的同轴度；顶杆保持套9其内部设有三个阶梯孔，阶梯孔布置方式为成等边三角形布置，且等边三角形的中心穿过顶杆保持套9轴心；阶梯孔的上端安装直线定位轴承组件，阶梯孔的下端用来通过压电叠堆；
本实施例中的主动阻尼段压电叠堆阵列套20尾部带有伸出螺纹杆，用于连接隔振系统。压电叠堆阵列套20的另一侧布置三个盲孔，三个盲孔成等边三角形布置于压电叠堆阵列套20内，并且等边三角形的中心穿过压电叠堆阵列套的轴心。
压电叠堆阵列组件内置于压电叠堆阵列套20；压电叠堆18的两头利用环氧树脂粘贴陶瓷半球头19，半个球头19的一头与压电叠堆阵列套相抵实现连接。顶杆组件17为三个相同顶杆，三个顶杆穿过直线定位轴承组件16，顶杆的一端设置成内锥切面，与压电叠堆的力输出端陶瓷半球头相抵；顶杆的另一端设置成半球形，与主轴杆7的光滑圆盘端相抵。直线定位轴承组件16由三个型号相等的直线定位轴承组成，且与顶杆保持套9上端的阶梯孔实行过渡配合。
如图5所示，压电叠堆阵列组件采用3个压电叠堆18构成等边三角形，等边三角形的中心穿过阻尼器轴心；通过使用三个压电叠堆来实现对装配误差的补偿，改善了阻尼器主轴杆的输出精度，提高了阻尼器微振动的抑制效果。
如图7所示，由于阻尼器内部主轴杆和导向件直线轴承间存在微米级的装配间隙，且装配时预紧弹簧及O型丁腈橡胶环也存在着安装不确定性，此类由于安装时产生的微小误差会导致主轴杆受力不均，容易导致主轴杆在阻尼器的内部产生偏角，在单一平面内产生角度θ的偏角，使主轴杆的力输出方向不沿着阻尼器轴线方向输出，影响阻尼器的微振动抑制效果；此外主轴杆由于偏转产生的径向误差会随着主轴杆的长度被放大，若直线轴承与主轴杆之间的装配间隙为δ，此时在主轴杆输出末端可能产生的最大径向误差在实际使用中，主轴杆的长度必然长于直线轴承的长度，即L>l，故/>由此可以看出/>且随着主轴杆长度的变长，/>也随之增大，主轴杆输出末端所产生的径向偏差也越大，通过使用四个激光轮廓检测仪检测出主轴杆在空间内的偏角，利用控制单元对阻尼器内部的压电叠堆进行驱动，修正主轴杆由于装配误差而产生的偏角。
如图1所示，阻尼器的外围还设有检测单元和控制单元，检测单元包括四个激光轮廓检测仪21，该激光轮廓检测仪21成环状布置于橡胶环固定盖2上表面，用于检测主轴杆7的径向偏转。
控制单元包括A/D模块、控制器、D/A模块和压电叠堆功率放大器；检测信号通过激光轮廓检测仪检测，由A/D模块处理后输入控制器；控制器根据输入的信号输出控制信号，控制信号由D/A模块处理后输出给压电叠堆功率放大器；压电叠堆功率放大器将接收到的信号放大后输出给各个压电叠堆，驱动阻尼器内部的压电叠堆产生相应位移，实现纠正主轴杆7的径向偏转。
压电阵列组件中的每一个压电叠堆的两端使用环氧树脂粘有陶瓷半球头，其中一头与压电叠堆阵列套内部的盲孔最深处的锥面相抵，另一头与顶杆组件的内锥切面相抵，该方式使压电叠堆的受力方向始终保持在其轴线方向，避免压电叠堆由于受径向力而产生破坏，同时安装时无需考虑正反头及压电叠堆的同轴性，更利于压电叠堆的安装。
本发明在进行隔振时，阻尼器主轴杆7与基础相连，阻尼器中压电叠堆阵列套20尾部伸出的螺纹杆与需要被隔振的物体相连。当系统受到振动时，主轴杆7发生振动，O型丁腈橡胶环11产生形变，对主轴杆7产生阻尼力，消耗一部分振动信号，以此来实现被动阻尼隔振；同时多个压电叠堆在补偿了主轴杆径向误差的基础上同时作用，产生与振动信号相反的阻尼力来抵消振动，实现主动阻尼隔振。
Claims (6)
1.一种基于压电阵列的主被动一体式阻尼器，其特征在于：所述主被动一体式阻尼器包括被动阻尼段、预紧弹簧(13)、预紧挡块(5)、主轴杆(7)、主轴杆保持套(6)、直线定位轴承(15)和主动阻尼段；
所述被动阻尼段包括橡胶环固定盖(2)、O型丁腈橡胶环(11)、刚性垫片(12)和预紧盖(4)；所述O型丁腈橡胶环(11)在橡胶环固定盖(2)与刚性垫片(12)的挤压下产生径向形变，产生对主轴杆(7)的接触力；
所述主动阻尼段包括压电叠堆阵列套(20)、压电叠堆阵列组件、直线定位轴承组件(16)、顶杆组件(17)和顶杆保持套(9)；
所述主轴杆(7)一端穿过直线定位轴承(15)、主轴杆保持套(6)、预紧挡块(5)、预紧弹簧(13)、预紧盖(4)、刚性垫片(12)、O型丁腈橡胶环(11)和橡胶环固定盖(2)，所述主轴杆(7)另一端在预紧弹簧(13)和预紧挡块(5)的作用下与顶杆组件(17)相抵；
所述压电叠堆阵列组件为带有半球头(19)的多个压电叠堆(18)，所述压电叠堆阵列组件布置于所述压电叠堆阵列套(20)内；
所述压电叠堆(18)受到振动时输出的阻尼力通过顶杆组件(17)传递至主轴杆(7)；
所述主轴杆保持套(6)内部设有阶梯孔，所述主轴杆保持套(6)通过螺杆与预紧盖(4)和顶杆保持套(9)连接。
2.根据权利要求1所述的基于压电阵列的主被动一体式阻尼器，其特征在于：所述被动阻尼段与主动阻尼段之间通过预紧挡块(5)、预紧弹簧(13)、主轴杆(7)、主轴杆保持套(6)和直线定位轴承(15)连接。
3.根据权利要求1所述的基于压电阵列的主被动一体式阻尼器，其特征在于：所述被动阻尼段中的橡胶环固定盖(2)开设有凹槽，O型丁腈橡胶环(11)和刚性垫片(12)内嵌于所述凹槽内。
4.根据权利要求1所述的基于压电阵列的主被动一体式阻尼器，其特征在于：所述主被动一体式阻尼器的外围还设有检测单元及控制单元，所述检测单元包括激光轮廓检测仪(21)；所述激光轮廓检测仪(21)布置于所述橡胶环固定盖(2)上，用于检测主轴杆的径向偏转。
5.根据权利要求4所述的基于压电阵列的主被动一体式阻尼器，其特征在于：所述控制单元包括A/D模块、控制器、D/A模块和压电叠堆功率放大器；检测信号通过激光轮廓检测仪检测，由A/D模块处理后输入控制器；所述控制器根据输入的信号输出控制信号，控制信号由D/A模块处理后输出给压电叠堆功率放大器；压电叠堆功率放大器将接收到的信号放大后输出给各个压电叠堆，驱动阻尼器内部的压电叠堆产生相应位移，纠正主轴杆(7)的径向偏转。
6.一种如权利要求1所述的基于压电阵列的主被动一体式阻尼器的隔振方法，其特征在于：所述隔振方法为：将所述一体式阻尼器的主轴杆(7)与基础相连，一体式阻尼器中压电叠堆阵列套(20)尾部伸出的螺纹杆与被隔振的物体相连，当系统受到振动时，主轴杆(7)发生振动，O型丁腈橡胶环(11)产生形变，对主轴杆(7)产生阻尼力，消耗一部分振动信号来实现被动阻尼隔振；同时多个压电叠堆(18)在补偿主轴杆(7)径向误差的基础上同时作用，产生与振动信号相反的阻尼力来抵消振动，实现主动阻尼隔振。
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