CN116146660A - 对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置，其包括固定底座、支撑平台、连接座、被动支链、主动支链和刚度弹簧，固定底座上通过移动副安装有连接座，连接座与固定底座之间设有刚度弹簧，支撑平台设于固定底座的上方，被动支链和主动支链设于支撑平台与固定底座之间，主动支链的上端与支撑平台球副连接，且其下端与固定底座移动副连接，被动支链中第三连接杆的上端与支撑平台球副连接，且被动支链与第一连接板固定连接。本发明采用主被动并联混合隔振，主动隔振输出平台，隔振带宽，被动隔振属于冗余隔振机构，具有抗扰动性强，容错性强，使系统构成低频区域呈现零刚度特性，实现振动有效隔离。

Description

对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置

技术领域

本发明属于低频隔振技术领域，特别涉及一种对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置。

背景技术

许多设备在使用时需要保持高精度，但处于地铁旁，工厂附近，海上等工作环境的设备，往往存在许多有害的多维低频扰动，这些低频扰动会极大的影响地铁附近实验室内实验数据的准确性，影响工厂零件加工的精度，以及海上设备的探测精度等，纯被动准零刚度低频隔振性能难满足高精度需求，对于不剧烈的低频扰动，主动控制可以满足一定鲁棒性条件下追求更高的控制精度，然而振动并不是一直存在，此时精度要求相对较低也需尽可能节能，但现有的技术难以同时满足这两种工况需求。

线性、非线性被动隔振系统都存在最小隔振频率，而主被动混合隔振可以实现更大的隔振带宽，特别是在低频区域可以实现“零频”隔振。当主动隔振与被动隔振以并联的形式连接时整个系统可以获得全域零刚度，可以完全隔离基础振动。因此有必要提出了一种对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置，主动隔振的驱动单元刚度越大，输出平台响应速度越快，控制精度越高；驱动单元刚度越小，系统能获得更大的隔振带宽，更好的隔振效果，但抗扰动性差，主动隔振与被动隔振以并联的形式连接，整个系统可以获得全域零刚度，可以隔离基础振动，提高了被隔振物体的精度。

本发明采用的技术方案是一种对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置，其包括固定底座、被动支链、主动支链、连接座、支撑平台和刚度弹簧，所述固定底座的中心处通过移动副安装有所述连接座，且所述连接座与所述固定底座之间设有所述刚度弹簧，所述刚度弹簧的下端套设于所述固定底座圆心处的圆柱上，且所述刚度弹簧的上端套设于所述连接座中心处的连接通孔中；所述支撑平台设于所述固定底座的上方，主动支链和被动支链依次交替间隔设置于所述支撑平台与所述固定底座之间，且所述主动支链包括第一连接杆和滑座，所述第一连接杆的上端通过球副与所述支撑平台连接，且所述第一连接杆的下端通过万向节与所述滑座连接，所述滑座通过移动副与所述固定底座上的第一滑轨连接；所述被动支链通过第二连接板与所述连接座上的第一连接板固定连接，且所述被动支链包括下平台、多个第二连接杆、第三连接杆、弹簧阻尼器和上平台，所述下平台与上平台均呈圆环状，且所述上平台的一侧设有第二连接板，所述第二连接杆均布设于所述下平台与上平台之间，且所述第二连接杆的上下两端均通过万向节与所述上平台以及下平台连接，所述第二连接板的第一侧相邻的第二连接杆中间设有所述弹簧阻尼器，且所述弹簧阻尼器的上下两端均通过球副与所述上平台以及下平台连接，所述第三连接杆的上端通过球副与所述支撑平台连接，且所述第三连接杆的下端穿过所述上平台与所述下平台的中心处固定连接；所述主动支链对所述支撑平台进行主动控制隔振，所述被动支链对所述支撑平台进行被动隔振，且所述主动支链与所述被动支链并联设置，能够隔离所述支撑平台的空间三维转动方向以及竖直移动方向的基础振动。

进一步地，所述被动支链还包括拉簧和导电铜环，所述拉簧设于所述第二连接板的第二侧相邻两个第二连接杆之间以及所述第二连接板两侧相邻两个第二连接杆之间，且所述拉簧的上端与所述第二连接杆的上端连接，所述拉簧的下端与所述相邻第二连接杆的下端连接，通过设置所述拉簧能防止所述被动支链过度旋转，且所述导电铜环设于所述上平台内侧，所述导电铜环内侧设有缓冲环，所述缓冲环能避免所述第三连接杆与所述上平台发生干涉。

可优选的是，所述主动支链和被动支链均分别设有四组，依次交替间隔设置于所述支撑平台与所述固定底座之间，且所述四组主动支链在所述支撑平台与所述固定底座之间两两对称布置，所述四组被动支链呈中心对称分布，所述相邻两组被动支链之间间隔90°。

可优选的是，当所述被动支链处于初始状态时，四个被动支链中第三连接杆轴线的延长线相交于一点，所述点与所述支撑平台的旋转中心相重合；当所述被动支链处于工作状态时，所述四个被动支链中第三连接杆轴线的延长线空间交错布置，且四个被动支链中第三连接杆上的球副中心均始终处于同一个球体面上。

可优选的是，所述固定底座包括圆形底盘、梯形支撑块、第一滑轨、滑槽和圆柱，所述圆形底盘的圆心处设有所述圆柱，且所述圆形底盘的四周均布环绕设有所述梯形支撑块，所述梯形支撑块中靠近所述圆形底盘圆心处的侧壁上设有所述滑槽，且所述梯形支撑块的斜面处设有所述第一滑轨。

进一步，所述连接座包括第二滑轨和第一连接板，所述连接座的中心处设有连接通孔，且所述连接座下端四周均布设有所述第二滑轨，所述第二滑轨滑动设于所述滑槽中，且所述第二滑轨与所述梯形支撑块移动副连接，所述连接座上端四周均布设有所述第一连接板，且所述第一连接板与所述第二滑轨之间间隔45°。

可优选的是，所述连接座的中心轴线同所述固定底座与所述支撑平台的中心连线重合。

可优选的是，所述刚度弹簧的上端与所述连接通孔的内侧端面相接触，且所述刚度弹簧的下端与所述圆柱固定连接优选地，所述刚度弹簧的上端与所述连接通孔的内侧端面相接触，且所述刚度弹簧的下端与所述圆柱固定连接。

本发明的特点和有益效果是：

1、本发明提供的一种对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置，主动支链对支撑平台进行主动控制隔振，主动控制可以满足一定鲁棒性条件下追求更高的控制精度，被动支链对支撑平台进行被动隔振，当扰动影响较小，设备精度要求不高时可以实现单独对设备进行被动隔振，减少主动控制的能源损耗，主被动混合并联的形式，可以同时满足两种不同的工况需求，精度更高，能量损耗更低。

2、本发明提供的一种对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置，刚度弹簧提供支撑力，平衡重力的影响，同时对竖直方向起到隔振的作用，主动控制时减轻主动支链的负担，只需较小的力便能实现主动微调隔振，减少了能源损耗，同时在主动支链不工作时也能实现自主被动隔振，主被动并联混合隔振实现了隔振分支零刚度，主动控制可以提供负质量、负刚度以及负阻尼，当主动力将被动系统对应项完全抵消时，则理论上对基座扰动振动可以实现完全隔离。

3、本发明提供的一种对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置，支撑平台旋转中心即为被隔振物体的质心，可实现绕空间三转动方向的振动隔离运动，同时避免了被隔振物体转动时受其重力时变的影响，连接座与固定底座通过导轨滑槽精准实现竖直方向的移动副，刚度弹簧提供竖直方向的隔振，设备的振动信号明显减弱。

4、本发明提供的一种对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置，四组主动支链和四组被动支链依次交替间隔对称设置于支撑平台与固定底座之间，对称性布置保障了主被动隔振机构性能的各向同性，同时冗余隔振机构提升了隔振系统的容错性以及系统的可靠性。

5、本发明提供的一种对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置，被动支链中弹簧阻尼器内置式设置于上平台以及下平台之间，不仅能使得隔振系统结构紧凑，同时通过调整弹簧的初始长度让其接近第二连接杆的位置一致，至而系统更接近高静态和低动态刚度，满足准零刚度特性，有利于提高低频和超低频隔振性能。

附图说明

图1是本发明对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置的整体结构示意图；

图2为本发明的整体结构主视局部剖面图；

图3为本发明的固定底座结构示意图；

图4为本发明的被动隔振部分总观图；

图5为本发明的主动支链的结构示意图；

图6为本发明的被动支链的结构示意图。

主要附图标记：

固定底座1；圆形底盘11；梯形支撑块12；第一滑轨13；滑槽14；圆柱15；被动支链2；下平台21；辐条211；第二连接杆22；第三连接杆23；弹簧阻尼器24；上平台25；拉簧26；导电铜环27；第二连接板251；主动支链3；滑座31；第一连接杆32；连接座4；连接柱40；第二滑轨41；第一连接板42；连接通孔43；支撑平台5；刚度弹簧6。

具体实施方式

为详尽本发明之技术内容、结构特征、所达成目的及功效，以下将结合说明书附图进行详细说明。

本发明提供一种对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置，如图1和图2所示，其包括固定底座1、被动支链2、主动支链3、连接座4、支撑平台5和刚度弹簧6，固定底座1的中心处通过移动副安装有连接座4，且连接座4与固定底座之间设有刚度弹簧6，刚度弹簧6的下端套设于固定底座1圆心处的圆柱15上，且刚度弹簧6的上端套设于连接座4中心处的连接通孔43中，其中刚度弹簧6的上端与连接通孔43的内侧端面相接触，且刚度弹簧6的下端与圆柱15固定连接。

如图3所示，固定底座1包括圆形底盘11、梯形支撑块12、第一滑轨13、滑槽14和圆柱15，圆形底盘11的圆心处设有圆柱15，且圆形底盘11的四周均布环绕设有梯形支撑块12，梯形支撑块12中靠近圆形底盘11圆心处的侧壁上设有滑槽14，且梯形支撑块12的斜面处设有第一滑轨13。

如图4所示，连接座4包括连接柱40、第二滑轨41和第一连接板42，连接柱40的中心处设有连接通孔43，且连接柱40的下端四周均布设有第二滑轨41，第二滑轨41滑动设于滑槽14中，且第二滑轨41与梯形支撑块12移动副连接，连接柱40的上端四周均布设有第一连接板42，且第一连接板42与第二滑轨41之间间隔45°，且连接座4的中心轴线同固定底座1与支撑平台5的中心连线重合。

如图4所示，支撑平台5设于固定底座1的上方，四组被动支链2和四组主动支链3依次交替间隔设置于支撑平台5与固定底座1之间。

在一种优选方式中，四组主动支链3在支撑平台5与固定底座1之间两两对称布置，四组被动支链2呈中心对称分布，相邻两组被动支链2之间间隔90°。

如图1和图5所示，主动支链3包括第一连接杆31和滑座32，第一连接杆31的上端通过球副与支撑平台5连接，且第一连接杆31的下端通过万向节与滑座32连接，滑座32通过移动副与固定底座1上的第一滑轨13连接。

如图4和图6所示，被动支链2通过第二连接板251与连接座4上的第一连接板42固定连接，且被动支链2包括下平台21、三个第二连接杆22、第三连接杆23、弹簧阻尼器24和上平台25，下平台21与上平台25均呈圆环状，下平台21上还设置有三个辐条211，且三个辐条211均布且相交于下平台21的中心，上平台25的一侧设有第二连接板251，第二连接杆22包括三个第二连接杆22，三个第二连接杆22均布设于下平台21与上平台25之间，且相邻两个第二连接杆22之间间隔120°，且第二连接杆22的上下两端均通过万向节与上平台25以及下平台21连接，第二连接板251第一侧本实施例中为左侧相邻两个第二连接杆22中间设有弹簧阻尼器24，且弹簧阻尼器24的上下两端均通过球副与上平台25以及下平台21连接，第三连接杆23的上端通过球副与支撑平台5连接，且第三连接杆23的下端穿过上平台25与下平台21的中心处固定连接。

在一种优选方式中，被动支链2还包括拉簧26和导电铜环27，拉簧26设于第二连接板251第二侧本实施例中为右侧相邻两个第二连接杆22之间以及第二连接板251两侧相邻两个第二连接杆22之间，且拉簧26的上端与第二连接杆22的上端连接，拉簧26的下端与相邻第二连接杆22的下端连接，通过设置拉簧26能防止被动支链2过度旋转，且导电铜环27设于上平台25内侧，导电铜环27内侧设有缓冲环，缓冲环能避免第三连接杆23与上平台25发生干涉。

具体的，被动支链2中布置导电铜环27、缓冲环和第三连接杆23为被动和主动控制提供限位保护，工作在被动隔振状态，则缓冲环保护第三连接杆23在有限的圆环内运动，防止过载冲击。工作在主动隔振状态时，导电铜环27上的电信号与第三连接杆23金属外表接触是构成接触性开关信号量，当触发接触的电信号则立即输入控制系统，控制系统将立即驱动主动运动驱动器停止输出运动，提高系统的安全特性。

在一种优选方式中，当被动支链2处于初始状态时，四个被动支链2中第三连接杆23轴线的延长线相交于一点，且该点与支撑平台5的旋转中心相重合；当被动支链2处于工作状态时，四个被动支链2中第三连接杆23轴线的延长线空间交错布置。

本发明的具体操作步骤如下：

如图1～图6所示，本发明一种对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置，刚度弹簧6提供支撑力，连接座4通过移动副与固定底座1连接，保留与连接座4固定连接的整个被动隔振部分竖直方向的移动，同时刚度弹簧6对竖直方向起到隔振作用。主动支链3和被动支链2两端分别并行连接在固定底座1和支撑平台5上，主动支链3和被动支链2均为四个，且均匀交错分布，彼此互不干涉，被动支链2的上平台25与下平台21通过第二连接杆22采用万向节连接，与下平台21固定连接的第三连接杆23另一端与支撑平台5采用球副连接，主动支链3与支撑平台5同样采用球副连接，实现支撑平台5三个方向的旋转自由度，同时上平台25与下平台21间通过球副连接有弹簧阻尼器24，四个被动支链2对支撑平台5的三个旋转方向起到隔振作用。

被隔振物体放置在支撑平台5上方，通过调节刚度弹簧6的刚度，使得当被隔振物体质量与刚度弹簧6达到重力平衡位置时，四个第三连接杆23的轴线的交点与被隔振物体的质心处于同一点；主动支链3不工作时，四个被动支链2与刚度弹簧6组成被动隔振系统，满足精度要求不高时的工况需求，更加节能，当主动支链3对被隔振物体进行主动控制隔振时，隔振精度更高，当主动隔振与被动隔振以并联的形式连接时整个系统可以获得全域零刚度，可以完全隔离基础振动。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置，其特征在于，其包括固定底座、被动支链、主动支链、连接座、支撑平台和刚度弹簧，

所述固定底座的中心处通过移动副安装有所述连接座，且所述连接座与所述固定底座之间设有所述刚度弹簧，所述刚度弹簧的下端套设于所述固定底座圆心处的圆柱上，所述刚度弹簧的上端套设于所述连接座中心处的连接通孔中；

所述支撑平台设于所述固定底座的上方，主动支链和被动支链依次交替间隔设置于所述支撑平台与所述固定底座之间，且所述主动支链包括第一连接杆和滑座，所述第一连接杆的上端通过球副与所述支撑平台连接，且所述第一连接杆的下端通过万向节与所述滑座连接，所述滑座通过移动副与所述固定底座上的第一滑轨连接；所述被动支链通过第二连接板与所述连接座上的第一连接板固定连接，所述被动支链包括下平台、多个第二连接杆、第三连接杆、弹簧阻尼器和上平台，所述下平台与上平台均呈圆环状，且所述上平台的一侧设有第二连接板，所述多个第二连接杆均布设于所述下平台与上平台之间，且所述多个第二连接杆的上下两端分别通过各自的万向节与所述上平台和下平台连接，所述第二连接板的第一侧相邻的第二连接杆中间设有所述弹簧阻尼器，且所述弹簧阻尼器的上下两端分别通过各自的球副与所述上平台和下平台连接，所述第三连接杆的上端通过球副与所述支撑平台连接，所述第三连接杆的下端穿过所述上平台与所述下平台的中心处固定连接；

所述主动支链对所述支撑平台进行主动控制隔振，所述被动支链对所述支撑平台进行被动隔振，且所述主动支链与所述被动支链并联设置，能够隔离所述支撑平台的空间三维转动方向以及竖直移动方向的基础振动。

2.根据权利要求1所述的对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置，其特征在于，所述被动支链还包括拉簧和导电铜环，所述拉簧设于所述第二连接板的第二侧相邻两个第二连接杆之间，所述拉簧的上端与第二连接杆的上端连接，所述拉簧的下端与相邻第二连接杆的下端连接，通过设置所述拉簧能防止所述被动支链过度旋转，且所述导电铜环设于所述上平台内侧，所述导电铜环内侧设有缓冲环，所述缓冲环能避免所述第三连接杆与所述上平台发生干涉。

3.根据权利要求1所述的对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置，其特征在于，所述主动支链和被动支链均分别设有四组，依次交替间隔设置于所述支撑平台与所述固定底座之间，且所述四组主动支链在所述支撑平台与所述固定底座之间两两对称布置，所述四组被动支链呈中心对称分布，所述相邻两组被动支链之间间隔90°。

4.根据权利要求3所述的对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置，其特征在于，当所述被动支链处于初始状态时，四个被动支链中第三连接杆轴线的延长线相交于一点，所述点与所述支撑平台的旋转中心相重合；当所述被动支链处于工作状态时，所述四个被动支链中第三连接杆轴线的延长线空间交错布置，且四个被动支链中第三连接杆上的球副中心均始终处于同一个球体面上。

5.根据权利要求1所述的对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置，其特征在于，所述固定底座包括圆形底盘、梯形支撑块、第一滑轨、滑槽和圆柱，所述圆形底盘的圆心处设有所述圆柱，且所述圆形底盘的四周均布环绕设有所述梯形支撑块，所述梯形支撑块中靠近所述圆形底盘圆心处的侧壁上设有所述滑槽，且所述梯形支撑块的斜面处设有所述第一滑轨。

6.根据权利要求5所述的对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置，其特征在于，所述连接座包括连接柱、第二滑轨和第一连接板，所述连接柱的中心处设有连接通孔，且所述连接柱的下端四周均布设有所述第二滑轨，所述第二滑轨滑动设于所述滑槽中，且所述第二滑轨与所述梯形支撑块移动副连接，所述连接柱的上端四周均布设有所述第一连接板，且所述第一连接板与所述第二滑轨之间间隔45°。

7.根据权利要求6所述的对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置，其特征在于，所述连接座的中心轴线同所述固定底座与所述支撑平台的中心连线重合。

8.根据权利要求1所述的对称冗余的四自由度主被动并联混合隔振装置，其特征在于，所述刚度弹簧的上端与所述连接通孔的内侧端面相接触，且所述刚度弹簧的下端与所述圆柱固定连接。

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