CN117167433A - 一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，属于振动控制技术领域；包括底部安装平台、顶部承载平台和3个单组支腿；其中，底部安装平台水平安装在外部飞行器的顶部；顶部承载平台水平设置在底部安装平台的上方；3个单组支腿安装在底部安装平台和顶部承载平台之间；外部有效载荷安装在顶部承载平台的顶部；外部飞行器产生的振动依次通过底部安装平台、3个单组支腿、顶部承载平台传递至外部有效载荷；通过3个单组支腿实现对振动的抑制，抑制能力大于90％；本发明具有工作频带宽、输出力大、控制精度高、环境适应能力强、可靠性高、能耗低的优点。

Description

一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构

技术领域

本发明属于振动控制技术领域，涉及一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构。

背景技术

随着航天技术的发展，载荷的性能和精度不断提高，对飞行器平台的稳定性要求也越来越高，飞行器在轨运行时由于发动机、泵、电机、陀螺和飞轮等的工作会带来微振动扰动，这些扰动具有幅值小、频带宽、测量难的特点，必须对这些微振动扰动严格控制如采取隔振技术，以保证载荷的正常工作。

隔振是一种振动控制方法，通过在振源和载荷间采取一定的措施来达到振动抑制的目的，广泛应用于航天领域。隔振包括被动隔振、主动隔振和主被动一体化隔振三种，其中被动隔振技术是在载荷和振源之间增加具有一定弹性和阻尼的元件或机构，结构简单、可靠性高，适用于高频隔振；主动隔振技术是通过一些运动机构或智能材料，并采用一定的控制策略，控制精度高、静态稳定性好，在共振区附近和低频段有较好的隔振效果；主被动一体化隔振技术兼具了上述两者的优点，宽频适应性好且具有最佳的隔振效果，但系统较为复杂。

目前，公知的主被动一体化隔振机构普遍采用音圈电机、压电作动器或磁致伸缩材料作为执行器，采用橡胶阻尼作为阻尼器的形式，在飞行器长期在轨情况下，此种组合形式存在对空间环境较敏感、隔振性能不稳定、可靠性不够高的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，具有工作频带宽、输出力大、控制精度高、环境适应能力强、可靠性高、能耗低的优点。

本发明解决技术的方案是：

一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，包括底部安装平台、顶部承载平台和3个单组支腿；其中，底部安装平台水平安装在外部飞行器的顶部；顶部承载平台水平设置在底部安装平台的上方；3个单组支腿安装在底部安装平台和顶部承载平台之间；外部有效载荷安装在顶部承载平台的顶部；外部飞行器产生的振动依次通过底部安装平台、3个单组支腿、顶部承载平台传递至外部有效载荷；通过3个单组支腿实现对振动的抑制，抑制能力大于90％。

在上述的一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，所述底部安装平台和顶部承载平台均为圆环结构；3个单组支腿沿周向均匀设置在底部安装平台和顶部承载平台之间。

在上述的一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，所述单组支腿包括上转接件、2个支腿和2个下转接件；上转接件固定安装在顶部承载平台；2个支腿的顶端均安装在顶部承载平台上；每个支腿的底部对应安装1个下转接件；2个支腿的底部分别通过对应的下转接件与底部安装平台连接。

在上述的一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，2个支腿的底部打开，形成2个支腿顶部的夹角结构；夹角角度为30°-60°。

在上述的一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，每个支腿包括电磁阻尼器、压电作动器、传感器、上柔性铰链、下柔性铰链、第一连接杆和第二连接杆；

其中，电磁阻尼器与对应的下转接件连接；压电作动器沿轴向安装在电磁阻尼器的上方，且压电作动器通过下柔性铰链与电磁阻尼器对接；第一连接杆同轴安装在压电作动器的顶部；传感器同轴安装在第一连接杆的顶部；第二连接杆同轴安装在传感器的顶部；第二连接杆的顶部通过上柔性铰链与上转接件连接。

在上述的一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，隔振机构的隔振包括被动隔振和主动隔振；

被动隔振过程为：

外部飞行器产生的振动通过底部安装平台传递至各单组支腿的下转接件，并进一步传递至各下转接件对应的电磁阻尼器；电磁阻尼器实现沿轴向双向微幅运动；实现对中频振动和高频振动的隔离；

主动隔振过程为：

外部飞行器振动中的低频振动在经过电磁阻尼器后，依次通过下柔性铰链、压电作动器、第一连接杆向上传递至传感器；传感器获取到单杆实时的运动状态信息，并反馈至外部控制驱动器；外部控制驱动器根据所反馈的状态信号解算获得各支腿所需要的补偿位移需求，并驱动压电作动器作动，实现主动隔振。

在上述的一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，电磁阻尼器内部设置有弹性元件和阻尼元件，电磁阻尼器的输出轴相对壳体的双向微幅运动范围为-4～+4mm；电磁阻尼器的刚度为10-200N/mm可调，阻尼为千分之五至百分之五可调。

在上述的一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，所述中频振动和高频振动的范围为3-300Hz；低频振动的范围为0.3-3Hz。

在上述的一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，单杆实时的运动状态信息包括加速度、位移和力。

在上述的一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，上柔性铰链和下柔性铰链均具备抗弯特性，抗弯角度为-2°～+2°；通过各支腿中上柔性铰链和下柔性铰链的抗弯特性、电磁阻尼器的双向微幅运动、压电作动器的主动隔振，实现隔振机构的综合隔振。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明可实现对载荷或设备在宽频带和较大扰动幅值下的主被动一体化减振，不仅可以隔离高频振动，还可以对中低频的微振动扰动进行有效控制；

(2)本发明被动隔振系统的六向刚度和阻尼设计自由、主动系统的输出能力设计自由，可根据负载特性有针对性的设计隔振系统频率和尺寸规模，可达到较高的控制精度，同时负载能力大；

(3)本发明系统功耗小，工作和贮存寿命长，性能稳定，不易受环境影响，较适用于航空航天环境；

(4)本发明当主动隔振失效时，也可作为被动隔振器使用，系统可靠性高。

附图说明

图1为本发明隔振机构的侧视图；

图2为本发明隔振机构的俯视图；

图3为本发明单组支腿的正视图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供了一种基于被动电磁阻尼和压电主动作动的主被动一体化隔振机构，具有工作频带宽、输出力大、控制精度高、环境适应能力强、可靠性高、能耗低的优点。

基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，如图1、图2所示，具体包括底部安装平台1、顶部承载平台2和3个单组支腿3；其中，底部安装平台1水平安装在外部飞行器的顶部；顶部承载平台2水平设置在底部安装平台1的上方；3个单组支腿3安装在底部安装平台1和顶部承载平台2之间；外部有效载荷安装在顶部承载平台2的顶部；外部飞行器产生的振动依次通过底部安装平台1、3个单组支腿3、顶部承载平台2传递至外部有效载荷；通过3个单组支腿3实现对振动的抑制，抑制能力大于90％。底部安装平台1和顶部承载平台2均为圆环结构；3个单组支腿3沿周向均匀设置在底部安装平台1和顶部承载平台2之间。

单组支腿3包括上转接件11、2个支腿和2个下转接件12；上转接件11固定安装在顶部承载平台2；2个支腿的顶端均安装在顶部承载平台2上；每个支腿的底部对应安装1个下转接件12；2个支腿的底部分别通过对应的下转接件12与底部安装平台1连接。2个支腿的底部打开，形成2个支腿顶部的夹角结构；夹角角度为30°-60°。

如图3所示，每个支腿包括电磁阻尼器4、压电作动器5、传感器6、上柔性铰链7、下柔性铰链8、第一连接杆9和第二连接杆10。

其中，电磁阻尼器4与对应的下转接件12连接；压电作动器5沿轴向安装在电磁阻尼器4的上方，且压电作动器5通过下柔性铰链8与电磁阻尼器4对接；第一连接杆9同轴安装在压电作动器5的顶部；传感器6同轴安装在第一连接杆9的顶部；第二连接杆10同轴安装在传感器6的顶部；第二连接杆10的顶部通过上柔性铰链7与上转接件11连接。

本发明的电磁阻尼器4安装于每组支腿的输入位置，包括阻尼元件和弹性元件，用于提供一定的阻尼和刚度，并可随负载需求设计，其输出轴可相对零位平衡位置在轴向方向上作双向微幅运动。

传感器6安装于支腿末端，位于压电作动器和上转接件间，可监测支腿末端的运动状态，用于主动控制，传感器所监测信号类型可以是加速度、位移或力。

压电作动器5在传感器反馈信号和外部控制驱动设备的配合下，根据需要的输出要求进行实时作动补偿，达到主动隔振目的，压电作动器5有较高的到位精度、较大的输出力，同时压电陶瓷材料工作寿命长、功耗小。

上柔性铰链7、下柔性铰链8根据刚度需求设计减弱槽的宽度、形状及方向，具备系统六向刚度可调的能力，通过柔性铰链可以补偿机构运动时的间隙。

当飞行器微振动扰动通过底部安装平台传递至支腿时，其中的中、高频扰动可以通过电磁阻尼器进行抑制，实现被动隔振；对扰动中低频成分的抑制则通过压电作动器和传感器(外部控制驱动设备配合下)实现，以此完成对宽频段微振动扰动的主被动一体化抑制。

隔振机构的隔振包括被动隔振和主动隔振。

被动隔振过程为：

外部飞行器产生的振动通过底部安装平台1传递至各单组支腿3的下转接件12，并进一步传递至各下转接件12对应的电磁阻尼器4；电磁阻尼器4实现沿轴向双向微幅运动；实现对中频振动和高频振动的隔离；

主动隔振过程为：

外部飞行器振动中的低频振动在经过电磁阻尼器4后，依次通过下柔性铰链8、压电作动器5、第一连接杆9向上传递至传感器6；传感器6获取到单杆实时的运动状态信息，并反馈至外部控制驱动器；外部控制驱动器根据所反馈的状态信号解算获得各支腿所需要的补偿位移需求，并驱动压电作动器5作动，实现主动隔振。

电磁阻尼器4内部设置有弹性元件和阻尼元件，电磁阻尼器4的输出轴相对壳体的双向微幅运动范围为-4～+4mm；电磁阻尼器4的刚度为10-200N/mm可调，阻尼为千分之五至百分之五可调。

中频振动和高频振动的范围为3-300Hz；低频振动的范围为0.3-3Hz。单杆实时的运动状态信息包括加速度、位移和力。

上柔性铰链7和下柔性铰链8均具备抗弯特性，抗弯角度为-2°～+2°；通过各支腿中上柔性铰链7和下柔性铰链8的抗弯特性、电磁阻尼器4的双向微幅运动、压电作动器5的主动隔振，实现隔振机构的综合隔振。

当飞行器微振动扰动通过底部安装平台传递至支腿时，其中的中、高频扰动可以通过电磁阻尼器进行抑制，实现被动隔振；对扰动中低频成分的抑制则通过压电作动器和传感器(外部控制驱动设备配合下)实现，以此完成对宽频段微振动扰动的主被动一体化抑制。

最优的，本发明中三组支腿采用正交分布结构，即每组支腿间2根作动杆互相垂直，或三组支腿相对底部安装平台、顶部承载平台为垂直状态，能实现在三个轴线方向上的解耦。

最优的，各支腿上的传感器可以安装在沿杆的轴向方向，因此所反馈的监测信号也具有方向正交性，便于简化系统控制算法，可以简化为单输入输出(SISO)控制模型。

最优的，所述的支腿各部分间，支腿相对底部安装平台、顶部承载平台间的结构连接均使用螺纹连接，确保没有间隙。

本发明的隔振过程为：

飞行器微振动扰动通过底部安装平台1传递至各支腿3的下转接件12，并进一步传递至下转接件上安装的电磁阻尼器4，电磁阻尼器内部包含了弹性元件和阻尼元件，其输出轴相对壳体可呈轴向作双向微幅运动，在扰动作用下，可相对零位平衡位置运动并隔离中、高频振动，电磁阻尼器4的刚度特性和阻尼特性可根据负载需要进行参数化设计。飞行器微振动扰动中的低频成分在经过电磁阻尼器后通过下柔性铰链8、压电作动器5、第一连接杆9向上传递至传感器6，传感器获取到单杆实时的运动状态(可以为加速度、位移或力)信息并反馈至外界的控制驱动器，控制驱动器根据所反馈的状态信号解算获得各单杆所需要的补偿位移需求，并驱动压电作动器5作动，以此实现主动隔振。在经过电磁阻尼器4、压电作动器5后的飞行器的微振动扰动经过第二连接杆10、上柔性铰链7、上转接件11和顶部承载平台2后，传递至载荷，此时已经过前级的主被动一体化振动，扰动已得到有效抑制。

本发明可实现对载荷或设备在宽频带和较大扰动幅值下的主被动一体化减振，不仅可以隔离高频振动，还可以对中低频的微振动扰动进行有效控制；被动隔振系统的六向刚度和阻尼设计自由、主动系统的输出能力设计自由，可根据负载特性有针对性的设计隔振系统频率和尺寸规模，可达到较高的控制精度，同时负载能力大。

本发明机构的功耗小，工作和贮存寿命长，性能稳定，不易受环境影响，较适用于航空航天环境；当主动隔振失效时，也可作为被动隔振器使用，系统可靠性高。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，其特征在于：包括底部安装平台(1)、顶部承载平台(2)和3个单组支腿(3)；其中，底部安装平台(1)水平安装在外部飞行器的顶部；顶部承载平台(2)水平设置在底部安装平台(1)的上方；3个单组支腿(3)安装在底部安装平台(1)和顶部承载平台(2)之间；外部有效载荷安装在顶部承载平台(2)的顶部；外部飞行器产生的振动依次通过底部安装平台(1)、3个单组支腿(3)、顶部承载平台(2)传递至外部有效载荷；通过3个单组支腿(3)实现对振动的抑制，抑制能力大于90％。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，其特征在于：所述底部安装平台(1)和顶部承载平台(2)均为圆环结构；3个单组支腿(3)沿周向均匀设置在底部安装平台(1)和顶部承载平台(2)之间。

3.根据权利要求1所述的一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，其特征在于：所述单组支腿(3)包括上转接件(11)、2个支腿和2个下转接件(12)；上转接件(11)固定安装在顶部承载平台(2)；2个支腿的顶端均安装在顶部承载平台(2)上；每个支腿的底部对应安装1个下转接件(12)；2个支腿的底部分别通过对应的下转接件(12)与底部安装平台(1)连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，其特征在于：2个支腿的底部打开，形成2个支腿顶部的夹角结构；夹角角度为30°-60°。

5.根据权利要求3所述的一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，其特征在于：每个支腿包括电磁阻尼器(4)、压电作动器(5)、传感器(6)、上柔性铰链(7)、下柔性铰链(8)、第一连接杆(9)和第二连接杆(10)；

其中，电磁阻尼器(4)与对应的下转接件(12)连接；压电作动器(5)沿轴向安装在电磁阻尼器(4)的上方，且压电作动器(5)通过下柔性铰链(8)与电磁阻尼器(4)对接；第一连接杆(9)同轴安装在压电作动器(5)的顶部；传感器(6)同轴安装在第一连接杆(9)的顶部；第二连接杆(10)同轴安装在传感器(6)的顶部；第二连接杆(10)的顶部通过上柔性铰链(7)与上转接件(11)连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，其特征在于：隔振机构的隔振包括被动隔振和主动隔振；

被动隔振过程为：

外部飞行器产生的振动通过底部安装平台(1)传递至各单组支腿(3)的下转接件(12)，并进一步传递至各下转接件(12)对应的电磁阻尼器(4)；电磁阻尼器(4)实现沿轴向双向微幅运动；实现对中频振动和高频振动的隔离；

主动隔振过程为：

外部飞行器振动中的低频振动在经过电磁阻尼器(4)后，依次通过下柔性铰链(8)、压电作动器(5)、第一连接杆(9)向上传递至传感器(6)；传感器(6)获取到单杆实时的运动状态信息，并反馈至外部控制驱动器；外部控制驱动器根据所反馈的状态信号解算获得各支腿所需要的补偿位移需求，并驱动压电作动器(5)作动，实现主动隔振。

7.根据权利要求6所述的一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，其特征在于：电磁阻尼器(4)内部设置有弹性元件和阻尼元件，电磁阻尼器(4)的输出轴相对壳体的双向微幅运动范围为-4～+4mm；电磁阻尼器(4)的刚度为10-200N/mm可调，阻尼为千分之五至百分之五可调。

8.根据权利要求6所述的一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，其特征在于：所述中频振动和高频振动的范围为3-300Hz；低频振动的范围为0.3-3Hz。

9.根据权利要求6所述的一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔

振机构，其特征在于：单杆实时的运动状态信息包括加速度、位移和力。

10.根据权利要求6所述的一种基于电磁阻尼和压电作动的主被动一体化隔振机构，其特征在于：上柔性铰链(7)和下柔性铰链(8)均具备抗弯特性，抗弯角度为-2°～+2°；通过各支腿中上柔性铰链(7)和下柔性铰链(8)的抗弯特性、电磁阻尼器(4)的双向微幅运动、压电作动器(5)的主动隔振，实现隔振机构的综合隔振。