CN114673758B - 一种基于正负刚度减振技术的钻孔装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于正负刚度减振技术的钻孔装置，属于隔振装置设计技术领域。所述钻孔装置包括用于提供横向减振的正负刚度装置、提供纵向负刚度效应的隔振支座以及机械臂末端钻孔执行元件；所述用于提供横向减振的正负刚度装置包括“十”字状三维正负刚度蜂窝结构、变刚度弹簧装置、限位杆和法兰盘，所述“十”字状三维正负刚度蜂窝结构由两个二维单胞蜂窝结构交叉构成。本发明采用正负刚度相结合的“十”字状三维正负刚度蜂窝结构，减少钻孔时产生的横向振动，还采用隔振支座来减少纵向振动带来的影响，降低钻孔力对机械臂的振动，并提高钻孔的精度。此外，本发明通过改变负刚度蜂窝状单细胞结构的曲梁横截面、厚度，实现负刚度自适应调节。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于正负刚度减振技术的钻孔装置，属于隔振装置设计技术领域。
背景技术
在电梯导轨安装领域，在机械臂末端关节上安装钻孔电锤，可在井道壁面上进行自动打孔，完成电梯导轨安装支架孔的自动钻孔工作，避免了安装工人在“危、繁、脏、重”的工作环境下手工钻孔，大大降低了工人的劳动强度。机械臂上安装电锤进行钻孔工作时，产生的钻孔力是具有一定激励的外载荷，施加在机械臂的末端关节上，会使机械臂的各个关节和臂连杆单元产生振动，一方面影响机械臂的工作寿命，另一方面又会导致机械臂在钻孔时偏离原来设定的钻孔加工位置，产生钻孔位置误差。为了在钻孔时降低机械臂受到的振动力，需要设计一个能有效进行吸能的减振装置。
然而，现有的钻孔减振装置存在以下三个问题。第一，钻孔减振装置仅采用减振弹簧装置进行缓冲，对于机械臂执行钻孔高精度要求的场合，不能有效地隔振减振、减少冲击，同时弹簧的反弹性也会影响钻孔的精度。第二，钻孔减振装置仅单方向的缓冲减振，这样不能完全消除振动带来的影响；并且在钻孔时也很难保证力集中于一点，从而导致机械臂在钻孔时偏离原来设定的钻孔加工位置，产生钻孔位置误差。第三，二维负刚度单胞蜂窝结构大部分采用单级耗能的方式，提供的负刚度减振吸能效应并不明显，且其力学性能差、吸能效率低，受多次挤压后无法恢复原状。
专利CN210552201U公开一种钻孔机减振支架，其利用定位套对钻孔机轴向定位，导向套用于引导钻孔的方向，以保证钻孔方向的准确性；利用位于支脚上水平布置的弹簧圈，将支脚因受力转动的角度转化为弹簧的形变，从而将冲击力转化为弹簧的弹性势能，减小钻孔时产生的振动。但这种方式不能适用于要求钻孔高精度的场合，弹簧的反弹性也会导致支脚再次发生转动影响钻孔的精度，单方向的缓冲减振效果不明显。
专利CN210978325U公开一种负刚度单胞蜂窝减振结构，该负刚度单胞蜂窝减振结构通过采用外部耗能单元以及内部耗能单元来承载和多级耗能，以达到提高结构的承载力、耗能力和可重复使用性的目的。然而该装置不适用于渐变载荷的场合，当一边的载荷过大时，会导致内部耗能单元曲梁发生错位变形，且受多次挤压后无法恢复原状。
专利CN110792710A公开一种复合型负刚度吸能蜂窝结构，该二维单胞蜂窝结构通过采用软材料和硬材料结合的两种材料来构建负刚度结构，以达到减振并提高力学性能的目的。但是，该装置的力学性能会受到最低弹性性能材料的限制，且叠加后的各材料屈曲效应不同，稳定性差。由于其横向强度和层间剪切强度差，不能适用于受横向载荷的场合。
专利CN110985581A公开一种斥力型磁力负刚度蜂窝结构，该二维负刚度结构是由负刚度蜂窝单胞结构通过相互对称的上部结构和下部结构连接而成。上下部结构分别设置磁性相反的磁体结构。由相斥的磁铁提供正刚度，蜂窝单胞结构提供负刚度，实现正负刚度结合，从而达到隔振的目的。然而该装置通过曲梁塑性变形吸收能量，限制了能量吸收，且由相斥磁铁提供正刚度的方法不适用于高载荷的场合，受多次挤压后负刚度蜂窝结构无法恢复原状。
发明内容
本发明针对上述技术存在的问题，提供了一种基于正负刚度减振技术的钻孔装置。该装置通过采用“十”字状三维正负刚度蜂窝结构以及变刚度弹簧装置，得到高的静刚度和低的动刚度。高的静刚度使得系统的静变形量很小，低的动刚度可以减小系统的固有频率，从而可以扩大隔振区间，保证了系统既具有软弹簧的隔振优点，又具有较小的固有频率。进一步，通过在机械臂末端依次设置横向减振的正负刚度结构以及提供纵向负刚度效应的隔振支座，有效地减少了横向振动和纵向振动的影响，从而能提高钻孔的精度和机械臂的使用寿命。此外，该装置通过采用“十”字状三维正负刚度蜂窝结构，其中第二曲梁厚度D大于第一曲梁厚度d，将“十”字状三维正负刚度蜂窝结构均匀的分布在变刚度弹簧装置的四周，解决了装置受变载荷时负刚度结构受力不均匀、可重用性差的问题。通过采用多级耗能的方式，尤其将曲梁改成贯通状六边形结构，其中间结点用弹性板连接两边，大大提高负刚度结构受压时的减振耗能能力以及力学性能，提高结构的负刚度，以达到机械臂钻孔减振的目的。
本发明提供了一种基于正负刚度减振技术的钻孔装置，包括用于提供横向减振的正负刚度装置、提供纵向负刚度效应的隔振支座以及机械臂末端钻孔执行元件；
所述用于提供横向减振的正负刚度装置包括“十”字状三维正负刚度蜂窝结构、变刚度弹簧装置、限位杆和法兰盘，所述“十”字状三维正负刚度蜂窝结构由多个二维单胞蜂窝结构交叉构成；
所述用于提供纵向负刚度效应的隔振支座包括上支座、下支座和滑块，所述上支座与下支座通过滑块活动连接，所述上支座背离滑块的一端连接有机械臂末端钻孔执行元件；
所述法兰盘和下支座通过限位杆连接；所述“十”字状三维正负刚度蜂窝结构上梁与下支座固定连接，“十”字状三维正负刚度蜂窝结构下梁与法兰盘连接；所述变刚度弹簧装置的一端与下支座固定连接，另一端与法兰盘连接。
本发明的一种实施方式中，所述二维单胞蜂窝结构的数量为两个，“十”字状三维正负刚度蜂窝结构由两个二维单胞蜂窝结构在中心轴处成九十度交叉构成；所述“十”字状三维正负刚度蜂窝结构的数量为偶数个，偶数个“十”字状三维正负刚度蜂窝结构均匀对称分布在变刚度弹簧装置的四周。
本发明的一种实施方式中，所述“十”字状三维正负刚度蜂窝结构包括第一曲梁、第二曲梁、中间梁、刚性板、第一弹簧、第二弹簧和传递杆；所述第二曲梁的厚度D大于第一曲梁的厚度d；所述刚性板位于第一曲梁和第二曲梁的二分之一处；所述第一弹簧设置在中间梁二分之一处的正上方，末端连接传递杆；所述第二弹簧设置在中间梁二分之一处的正下方，末端也连接传递杆；两个传递杆分别与“十”字状三维正负刚度蜂窝结构的上梁和下梁固定连接。
本发明的一种实施方式中，所述第一曲梁和第二曲梁为贯通状六边形结构，六边形结构的中间结点处连接有弹性板。
本发明的一种实施方式中，所述上支座设有凸起的第一拱球面，所述下支座设有凸起的第二拱球面，所述滑块的两端分别设有第一曲面和第二曲面，所述第一曲面与第一拱球面相配合，所述第一曲面与第一拱球面的曲率半径相同，所述第一曲面与第一拱球面承压接触。
本发明的一种实施方式中，所述用于提供纵向负刚度效应的隔振支座还包括弹性限位块、凸起曲面滑块和插销孔；所述第二拱球面上设置有与第二拱球面相同曲率的多组凸起曲面滑块，所述凸起曲面滑块的末端设置成插销状，在所述第二拱球面上设置多个插销孔，所述凸起曲面滑块嵌入所述插销孔内固定；所述第二曲面与多组凸起曲面滑块组成的曲面曲率半径相同，所述第二曲面和多组凸起曲面滑块组成的曲面相配合。
本发明的一种实施方式中，所述第二拱球面上还设有弹性限位块，所述弹性限位块位于多组凸起曲面滑块的两侧；所述弹性限位块的末端设置成插销状，弹性限位块嵌入在第二拱球面的插销孔内进行固定；所述弹性限位块的背离插销孔的一端采用弹性材料金属橡胶制成。
本发明的一种实施方式中，所述变刚度弹簧装置包括第一预压弹簧、预压套筒、第一挡板、杆件、第二预压弹簧和第二挡板，所述第一预压弹簧安装在预压套筒上，且第一预压弹簧与预压套筒一并固定在下支座外表面的中心处；所述第一挡板固定在预压套筒的末端，所述第二挡板与杆件一并固定在法兰盘的中心凹槽底端；所述第二预压弹簧安装在杆件上，布置在第一挡板与第二挡板之间。
本发明的一种实施方式中，所述限位杆与法兰盘和下支座通过螺帽连接；所述限位杆对称布置于法兰盘两侧；所述法兰盘设置有通孔，所述通孔用于将所述基于正负刚度减振技术的钻孔装置固定在机械臂上；所述法兰盘开设有用于放置“十”字状三维正负刚度蜂窝结构的凹槽，“十”字状三维正负刚度蜂窝结构下梁放置在法兰盘对应位置的凹槽内；所述变刚度弹簧装置的一端固定在下支座外表面的中心处，另一端嵌入在法兰盘的中心凹槽内。
本发明的一种实施方式中，所述机械臂末端钻孔执行元件包括电机和电钻钻头，电机设置在上支座内部，电钻钻头处于上支座外表面中心处。
有益效果
本发明提供的基于正负刚度减振技术的钻孔装置，不仅采用正负刚度相结合的“十”字状三维正负刚度蜂窝结构，减少钻孔时产生的横向振动，还采用隔振支座来减少纵向振动带来的影响，降低钻孔力对机械臂的振动，并提高钻孔的精度。此外，本发明通过改变负刚度蜂窝状单细胞结构的曲梁横截面、厚度，实现负刚度自适应调节。与已有的公知技术相比，本发明还具有如下优点：
(1)通过限制滑块的最大位移，从而有效控制隔振支座的位移，保证装置的安全性。在下支座的第二拱球面上设置弹性限位块。弹性限位块的末端做成插销状，通过改变弹性限位块嵌入插销孔的位置，来限制中间滑块的最大位移，从而达到减小结构反应、限制支座位移的目的，保证装置的安全性。
(2)通过自由调节滑块所受摩擦力大小，从而增大缓冲减振的效果。在隔振支座下支座的第二拱球面上设置具有若干相同曲率的凸起曲面滑块。凸起曲面滑块末端做成插销状，嵌入到第二拱球面的插销孔内固定。通过改变凸起曲面滑块之间的间距以及材料，可以有效增加摩擦耗能并延长结构周期，增大缓冲减振的效果。
(3)通过调节隔振支座的负刚度大小，从而降低隔振层刚度，有效控制隔振层因加速度响应引起的位移。在下支座的第二拱球面上设置具有相同曲率半径的凸起曲面滑块，通过改变多组凸起曲面滑块组成的曲面以及滑块第二曲面的曲率半径，并且保证多组凸起曲面滑块组成的曲面与滑块第二曲面的曲率半径相同。曲率半径越大，隔振支座提供的负刚度越大，从而降低隔振层刚度，有效控制隔振层的加速度响应。
(4)通过将负刚度蜂窝单胞结构曲梁的截面设置成贯通状的六边形结构，其中间结点由弹性材料金属橡胶构成的弹性板连接，从而提高负刚度结构单位质量的能量吸收。此时曲梁上下受载时截面类比成连杆机构，随着竖向位移增加，中间结点对弹性板的拉力增加，使得弹性板更容易被拉长，产生二次负刚度行为。在卸载过程中借助材料自身粘弹性使结构逐渐恢复到原来形状，从而形成一个周期内结构的力—位移滞回曲线，实现提高负刚度结构比吸能的目的。
(5)通过采用“十”字状三维正负刚度蜂窝结构，其中第二曲梁厚度D大于第一曲梁厚度d的。此外还将“十”字状三维正负刚度蜂窝结构均匀对称的分布在变刚度弹簧装置的四周。能够根据上支座所受载荷面积的大小，将第二曲梁厚度D与第一曲梁厚度d的比例设置一个合理的值，提高受载部分结构的负刚度，从而实现提高负刚度结构的能量吸收率、力学性能的目的。
(6)通过采用“十”字状三维正负刚度蜂窝结构，实现正负刚度的组合。正刚度由第一弹簧和第二弹簧提供，负刚度由蜂窝单胞结构提供，从而得到高的静刚度和低的动刚度，高静刚度使得系统的静变形量很小，低动刚度可以减小系统的固有频率。
(7)通过采用变刚度弹簧装置，从而减小整个缓冲装置的后座力。此外也能提供负刚度蜂窝单胞结构恢复原状的恢复力，从而提高负刚度结构的可重用性。
附图说明
图1是本发明基于正负刚度减振技术的钻孔装置的总体结构示意图；
图2是本发明用于提供横向减振的正负刚度装置的剖面结构示意图；
图3是本发明提供纵向负刚度的隔振支座的结构示意图；
图4是本发明的提供纵向负刚度的隔振支座上、下支座发生相对滑动时的状态图；
图5是图2中“十”字状三维蜂窝单胞结构的结构示意图；
图6是图4中“十”字状三维正负刚度蜂窝结构的半剖面示意图；
图7是图5中“十”字状三维正负刚度蜂窝结构的曲梁截面结构示意图；
图8是本发明负刚度蜂窝单胞结构的曲梁变种结构的示意图；
图9是图1中沿I-I剖线的俯视图；
图10是本发明变刚度弹簧装置的结构示意图。
图中：1、上支座；2、弹性限位块；3、螺帽；4、“十”字状正负刚度蜂窝结构；5、法兰盘；6、变刚度弹簧装置；7、第一预压弹簧；8、第一弹簧；9、通孔；10、限位杆；11、凸起曲面滑块；12、滑块；13、电钻钻头；14、电机；15、刚性块；16、第一曲梁；17、传递杆；18、第二弹簧；19、第二曲梁；20、中间梁；21、预压套筒；22、第一挡板；23、杆件；24、第二挡板；25、第二预压弹簧；26、下支座；27、插销孔；28、弹性板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向。使用的词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
实施例1
一种基于正负刚度减振技术的钻孔装置，如图1-3所示，包括用于提供横向减振的正负刚度装置、提供纵向负刚度效应的隔振支座以及机械臂末端钻孔执行元件；所述横向减振的正负刚度结构与提供纵向负刚度效应的隔振支座并联作为减振装置，用来提供横向和纵向的缓冲力，以达到减振目的，提高钻孔的精度。所述横向减振的正负刚度装置包括“十”字状三维正负刚度蜂窝结构4、变刚度弹簧装置6、限位杆10和法兰盘5。所述提供纵向负刚度效应的隔振支座包括上支座1、下支座26、滑块12和凸起曲面滑块11。所述法兰盘5和下支座26之间通过限位杆10和螺帽3连接固定，同时实现第一预压弹簧7的预压状态。所述限位杆10对称布置于法兰盘5两侧；所述法兰盘5设置有通孔9，以便装置固定在机械臂上。
如图2所示，图2为用于提供横向减振的正负刚度装置的剖面结构示意图，所述“十”字状三维正负刚度蜂窝结构4上梁焊接固定在下支座26的外表面，所述法兰盘5开设有用于放置“十”字状三维正负刚度蜂窝结构4的凹槽，“十”字状三维正负刚度蜂窝结构4下梁放置在法兰盘5对应位置的凹槽内。所述变刚度弹簧装置6上端焊接固定在下支座26外表面的中心处，下端嵌入在法兰盘5的中心凹槽内。在装置钻孔时，变刚度弹簧装置6只发生横向的变形，提供“十”字状三维正负刚度蜂窝结构4的恢复力，减小缓冲装置的后座力。
如图1所示，所述钻孔执行元件包括电机14和电钻钻头13。所述钻孔执行元件设置在隔振支座的末端，电机设置在上支座1内部，电钻钻头13处于上支座1外表面中心处，以便机械臂打孔时，力能集中在中心点处。所述电钻钻头13可以根据实际加工情况，选择麻花钻、扁钻、深孔钻、中心钻等。
如图3所示，所述提供纵向负刚度效应的隔振支座包括上支座1、下支座26、滑块12、弹性限位块2、凸起曲面滑块11和插销孔27。所述上支座1上设置凸起的第一拱球面，所述下支座26上设置凸起的第二拱球面，所述滑块12两端设置有第一曲面和第二曲面，所述第一曲面与第一拱球面相配合，第一曲面与第一拱球面的曲率半径相同。所述第一曲面与第一拱球面承压接触；所述下支座26的第二拱球面上设置有与第二拱球面相同曲率的多组凸起曲面滑块11，所述凸起曲面滑块11的末端设置成插销状，在所述第二拱球面上设置多个插销孔27，所述凸起曲面滑块11嵌入在第二拱球面的插销孔27内固定。根据实际的需求调整凸起曲面滑块11之间的间隙以及材料，以调整中间滑块12所受摩擦力的大小，增大缓冲减振的效果。所述滑块12的第二曲面与多组凸起曲面滑块11组成的曲率半径相同。所述第二曲面和多组凸起曲面滑块11组成的曲面相配合，能使滑块12在拱球面上滑动。通过改变第二曲面与凸起曲面滑块11组成曲面的曲率半径，能够改变负刚度装置的负刚度，从而降低隔振层刚度，有效控制隔振层的加速度响应。
如图4所示，当所述隔振支座发生较小的纵向振动时，所述上支座1与滑块12、滑块12与下支座26发生相对滑移，摩擦耗能并延长结构周期，起到良好的隔振效果。当发生大的纵向振动时，除上述摩擦滑动外，所述弹性限位块将参与滞回耗能，并利用其超弹性特性提供回复力，达到减小结构反应、限制支座位移的目的。同时钻孔力能压紧隔振支座，限制上支座1与与下支座26的滑动位移。此外，在隔振装置滑移的过程中，上支座1与与下支座26始终保持错位水平。所述滑块12在拱球面上滑动时，产生垂直于第二曲面的正压力，以提供负刚度水平恢复力。所述第二拱球面上还设有弹性限位块2，所述弹性限位块2位于多组凸起曲面滑块11的两侧，所述弹性限位块2的上端采用弹性材料制成，在滑块12发生弹性碰撞时，吸收能量的同时，提供负刚度水平恢复力。所述弹性限位块2的末端设置成插销状，嵌入在第二拱球面的插销孔27内进行固定，通过调整弹性限位块2的位置能够自主限制滑块12的最大位移。
所述用于提供横向减振的正负刚度装置包括“十”字状三维正负刚度蜂窝结构4、变刚度弹簧装置6、限位杆10和法兰盘5。如图5所示，所述“十”字状三维正负刚度蜂窝结构4由两个二维单胞蜂窝结构在中心轴处成九十度交叉构成。如图9俯视图所示，所述“十”字状三维正负刚度蜂窝结构4均匀对称的分布在变刚度弹簧装置6的四周，能够根据实际的受应力情况，有针对性地减振缓冲。如图6所示，所述“十”字状三维正负刚度蜂窝结构4包括第一曲梁16、第二曲梁19、中间梁20、刚性板15、第一弹簧8、第二弹簧18和传递杆17。所述第一弹簧8设置在中间梁20二分之一处的正上方，末端连接着传递杆17。所述第二弹簧18设置在中间梁20二分之一处的正下方，末端连接着传递杆17。该装置的负刚度特性由蜂窝单胞结构提供，正刚度由第一弹簧8和第二弹簧18提供。利用正刚度与负刚度的组合，得到高的静刚度和低的动刚度，高静刚度使得系统的静变形量很小，低动刚度可以减小系统的固有频率，从而可以扩大隔振区间，即保证了系统既具有软弹簧的隔振优点，又具有较小的固有频率，解决了静位移与隔振效果之间的矛盾。所述第二曲梁19厚度D大于第一曲梁16的厚度d。所述第二曲梁19位于受力集中的中心位置，第一曲梁16位于受力薄弱的四周。能够根据上支座所受载荷面积的大小，将第二曲梁厚度D与第一曲梁厚度d的比列设置一个合理的值。当上支座面积与所受载荷面积高度重合时，第二曲梁厚度D约等于第一曲梁厚度d；当上支座面积与所受载荷面积的比值在二分之一到一之间时，将第二曲梁厚度D设置成第一曲梁厚度d的1-2倍；当上支座面积与所受载荷面积的比值小于二分之一时，将第二曲梁厚度D设置成第一曲梁厚度d的n倍，且n大于2；通过合理改变曲梁的厚度比，能够针对性增强载荷集中部分结构的负刚度，增大比吸能。在曲梁的二分之一处增设刚性板15以增大曲梁该处的横截面积，如果在不同的部位增加更多的刚性块15，或改变不同部位曲梁结构的横截面积。参照图8所示，对曲梁结构进行变种，如中间宽两端窄的曲梁变种结构，在横截面尺寸相对较小的位置则容易发生屈曲，可以实现多稳态功能，有利于结构稳定在弯曲时存储预应力，更易复合型负刚度蜂窝结构的压缩和展开。
进一步地，所述“十”字状三维正负刚度蜂窝结构4均由记忆合金复合材料制作而成，当然“十”字状蜂窝三维正负刚度结构4也可以采用其他具有较强的可重用性、吸能效率高的材料制作。所述“十”字状三维正负刚度蜂窝结构4的曲梁设置成贯通状六边形结构，其中间结点连接有弹性板28。曲梁的横截面积发生屈曲如图7所示。所述弹性板28由弹性材料尼龙制作而成。当“十”字状三维正负刚度蜂窝结构4上下受载较小时，主要通过外部耗能单元消耗能量，隔离振动；当上下受载较大时，外部耗能单元的曲梁屈曲产生初次负刚度行为，对应一级能量耗散；当荷载持续增大，随着竖向位移增加，曲梁截面的中间结点对弹性板28的拉力增加，使得弹性板28更容易被拉长，产生二次负刚度行为，对应二级能量耗散；在卸载过程中借助曲梁材料自身粘弹性使结构逐渐恢复到原来形状，从而形成一个周期内结构的力—位移滞回曲线。达到提高负刚度结构比吸能的目的。
如图2或10所示，所述变刚度弹簧装置包括第一预压弹簧7、预压套筒21、第一挡板22、杆件23、第二预压弹簧25和第二挡板24。所述预压套筒21布置在第一预压弹簧7内径处，且第一预压弹簧7与预压套筒21一并焊接固定在下支座26外表面的中心处。所述预压套筒21可在杆件23实现伸缩。所述第一挡板22焊接固定在预压套筒21的末端，所述第二挡板24与杆件23一并焊接在法兰盘5的中心凹槽底端。所述第二预压弹簧25安装在杆件23上，布置在第一挡板22与第二挡板24之间。受到正压力时，预压套筒21相对于杆件23向后运动实现伸缩，同时实现第一预压弹簧21的预压状态。此外还可以通过改变调节限位杆10来控制预压力的大小。同时，第二预压弹簧25具有一定的预压力，且大于第一预压弹簧7预压力，在缓冲过程中，预压套筒21带动第一挡板22向后运动，使第二预压弹簧25不断压缩，当第二预压弹簧25所受压力大于第一预压弹簧预7压力时，第一预压弹簧7也开始压缩，此时多级弹簧构成串联关系，达到减小缓冲装置后座力的目的。
此装置减振过程中，可分为五个阶段：第一阶段，机械臂产生振动，隔振支座装置表现出负刚度效应，减小纵向振动对钻孔的影响。同时将残余的纵向振动转化为横向压力，此过程横向减振的正负刚度装置表现出正刚度效应；第二阶段，正负刚度装置参与横向减振，随着横向位移的不断增加，载荷出现下降，此过程蜂窝结构表现出负刚度效应；第三阶段，随着横向位移的再此增加，载荷再次出现上升，第一弹簧、第二弹簧以及变刚度弹簧装置产生正刚度；第四阶段，随着横向位移的增加，载荷再一次出现下降，曲梁截面产生第二次负刚度行为，同时刚性板使得曲梁呈现多稳态结构储存应力。第五阶段，钻孔结束，正负刚度装置以及隔振支座恢复原状，此外变刚度弹簧装置能够减小缓冲装置的后座力。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同更换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于正负刚度减振技术的钻孔装置，其特征在于，包括用于提供横向减振的正负刚度装置、提供纵向负刚度效应的隔振支座以及机械臂末端钻孔执行元件；
所述用于提供横向减振的正负刚度装置包括“十”字状三维正负刚度蜂窝结构(4)、变刚度弹簧装置(6)、限位杆(10)和法兰盘(5)，所述“十”字状三维正负刚度蜂窝结构(4)由多个二维单胞蜂窝结构交叉构成；
所述用于提供纵向负刚度效应的隔振支座包括上支座(1)、下支座(26)和滑块(12)，所述上支座(1)与下支座(26)通过滑块(12)活动连接，所述上支座(1)背离滑块(12)的一端连接有机械臂末端钻孔执行元件；
所述法兰盘(5)和下支座(26)通过限位杆(10)连接；所述“十”字状三维正负刚度蜂窝结构(4)上梁与下支座(26)固定连接，“十”字状三维正负刚度蜂窝结构(4)下梁与法兰盘(5)连接；所述变刚度弹簧装置(6)的一端与下支座(26)固定连接，另一端与法兰盘(5)连接。
2.根据权利要求1所述的基于正负刚度减振技术的钻孔装置，其特征在于，所述二维单胞蜂窝结构的数量为两个，“十”字状三维正负刚度蜂窝结构(4)由两个二维单胞蜂窝结构在中心轴处成九十度交叉构成；所述“十”字状三维正负刚度蜂窝结构(4)的数量为偶数个，偶数个“十”字状三维正负刚度蜂窝结构(4)均匀对称分布在变刚度弹簧装置(6)的四周。
3.根据权利要求2所述的基于正负刚度减振技术的钻孔装置，其特征在于，所述“十”字状三维正负刚度蜂窝结构(4)包括第一曲梁(16)、第二曲梁(19)、中间梁(20)、刚性板(15)、第一弹簧(8)、第二弹簧(18)和传递杆(17)；所述第二曲梁(19)的厚度D大于第一曲梁(16)的厚度d；所述刚性板(15)位于第一曲梁(16)和第二曲梁(19)的二分之一处；所述第一弹簧(8)设置在中间梁(20)二分之一处的正上方，末端连接传递杆(17)；所述第二弹簧(18)设置在中间梁(20)二分之一处的正下方，末端也连接传递杆(17)；两个传递杆(17)分别与“十”字状三维正负刚度蜂窝结构(4)的上梁和下梁固定连接。
4.根据权利要求3所述的基于正负刚度减振技术的钻孔装置，其特征在于，所述第一曲梁(16)和第二曲梁(19)为贯通状六边形结构，六边形结构的中间结点处连接有弹性板(28)。
5.根据权利要求1所述的基于正负刚度减振技术的钻孔装置，其特征在于，所述上支座(1)设有凸起的第一拱球面，所述下支座(26)设有凸起的第二拱球面，所述滑块(12)的两端分别设有第一曲面和第二曲面，所述第一曲面与第一拱球面相配合，所述第一曲面与第一拱球面的曲率半径相同，所述第一曲面与第一拱球面承压接触。
6.根据权利要求5所述的基于正负刚度减振技术的钻孔装置，其特征在于，所述用于提供纵向负刚度效应的隔振支座还包括弹性限位块(2)、凸起曲面滑块(11)和插销孔(27)；所述第二拱球面上设置有与第二拱球面相同曲率的多组凸起曲面滑块(11)，所述凸起曲面滑块(11)的末端设置成插销状，在所述第二拱球面上设置多个插销孔(27)，所述凸起曲面滑块(11)嵌入所述插销孔(27)内固定；所述第二曲面与多组凸起曲面滑块(11)组成的曲面曲率半径相同，所述第二曲面和多组凸起曲面滑块(11)组成的曲面相配合。
7.根据权利要求6所述的基于正负刚度减振技术的钻孔装置，其特征在于，所述第二拱球面上还设有弹性限位块(2)，所述弹性限位块(2)位于多组凸起曲面滑块(11)的两侧；所述弹性限位块(2)的末端设置成插销状，弹性限位块(2)嵌入在第二拱球面的插销孔(27)内进行固定；所述弹性限位块(2)的背离插销孔(27)的一端采用弹性材料金属橡胶制成。
8.根据权利要求1所述的基于正负刚度减振技术的钻孔装置，其特征在于，所述变刚度弹簧装置包括第一预压弹簧(7)、预压套筒(21)、第一挡板(22)、杆件(23)、第二预压弹簧(25)和第二挡板(24)，所述第一预压弹簧(7)安装在预压套筒(21)上，且第一预压弹簧(7)与预压套筒(21)一并固定在下支座(26)外表面的中心处；所述第一挡板(22)固定在预压套筒(21)的末端，所述第二挡板(24)与杆件(23)一并固定在法兰盘(5)的中心凹槽底端；所述第二预压弹簧(25)安装在杆件(23)上，布置在第一挡板(22)与第二挡板(24)之间。
9.根据权利要求1所述的基于正负刚度减振技术的钻孔装置，其特征在于，所述限位杆(10)与法兰盘(5)和下支座(26)通过螺帽(3)连接；所述限位杆(10)对称布置于法兰盘(5)两侧；所述法兰盘(5)设置有通孔(9)，所述通孔(9)用于将所述基于正负刚度减振技术的钻孔装置固定在机械臂上；所述法兰盘(5)开设有用于放置“十”字状三维正负刚度蜂窝结构(4)的凹槽，“十”字状三维正负刚度蜂窝结构(4)下梁放置在法兰盘(5)对应位置的凹槽内；所述变刚度弹簧装置(6)的一端固定在下支座(26)外表面的中心处，另一端嵌入在法兰盘(5)的中心凹槽内。
10.根据权利要求1-9任一所述的基于正负刚度减振技术的钻孔装置，其特征在于，所述机械臂末端钻孔执行元件包括电机(14)和电钻钻头(13)，电机(14)设置在上支座(1)内部，电钻钻头(13)处于上支座(1)外表面中心处。
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