CN1320290C - 六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台,该平台由上台面、下台面、传感器组、作动器组以及连接件组成,传感器组安装在上台面上方,作动器组安装在上台面和下台面之间,连接件安装在上台面和下台面的安装座上。本发明的平台使用范围可以在微幅低频的环境下工作,其减振效果在98%左右。基于平台的减振控制系统,该平台操作方便、可控。
Description
技术领域
本发明涉及一种减振装置,具体地说,是指一种适用于微幅高精度低频环境下的主动振动减振用六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台。
背景技术
随着工业技术的发展,在一些精密仪器的使用中,如现代飞机、水下潜艇、空间站等,发动机的振动和空气动力严重影响精密仪器性能的精度和可靠性,这对安装发动机的基座稳定性的要求也十分高。常规采用增加刚度和添加阻尼材料减振降噪,这不仅增加了重量、降低了性能、并且减振降噪效果也十分有限。采用添加阻尼材料减振中,目前用到的智能型材料有:形状记忆材料、压电材料、超磁致伸缩材料、电磁流变变流体等,对于高精度微幅隔振和自适应结构来说,形状记忆材料响应速度慢,压电材料驱动动作小,而且工作电压高、安全性较差,变流体稳定性不够且机械响应较差。
超磁致伸缩材料在磁场作用下会沿磁化方向产生伸缩变化,并且在正负磁场下都会随磁场的增减而伸长或缩短,在低磁场下具有良好的线性段。在主动振动控制领域,超磁致伸缩材料具有广泛的应用前景。与常用的压电材料和形状记忆合金相比,超磁致伸缩材料应变大,承载能力强,驱动电压低,不存在时效引起的性能老化现象,温度超过居里点仍可以恢复使用。但是由于超磁致伸缩材料具有的磁滞特性,作动器的输出也表现出滞后的特性。这种非线性因素对控制精度和控制的稳定性将产生影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种借助自动控制技术和超磁致伸缩材料对主动振动控制平台进行控制的减振装置。该六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台可以实现对低频(100Hz以下)、大载荷、微幅振动(平动微米计,转动微弧度计)的有效控制,能够得到具有高精度和理想动态特性的减振性能。
本发明的一种六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台,由上台面、下台面、传感器组、作动器组以及连接件组成,传感器组安装在上台面上方,作动器组安装在上台面和下台面之间,连接件安装在上台面和下台面的安装座上。所述的传感器组包括3个外罩、3个传感器安装座和6个加速度传感器,每2个加速度传感器安装在1个传感器安装座上,每1个传感器安装座上罩着1个外罩;外罩上设有供传感器与外部控制端连接用的孔,其孔与传感器输出方向同向。所述的作动器组包括6个作动器副,每个作动器副包括超磁致伸缩作动器、上柔性铰链、下柔性铰链、以及连接杆;超磁致伸缩作动器的输出轴与上柔性铰链连接,上柔性铰链的另一端与第一连接杆连接,第一连接杆的另一端与安装在上台面下方的安装座上的连接件连接;超磁致伸缩作动器底部的螺纹孔与第二连接杆螺纹连接,第二连接杆的另一端与下柔性铰链连接,下柔性铰链的另一端与第三连接杆连接,第三连接杆的另一端与下台面上的安装座上的连接件连接。所述的连接件为一个正立方体削去一个角的形状,其立方体削去的三角平面上设有螺纹孔,连接件通过该三角平面上的螺纹孔与上台面和下台面上的安装座实现连接;在连接件相对三角平面的左平面和右平面上各设有互相垂直的螺纹孔。
所述的六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台,其作动器组的每1个作动器副与相邻的2个作动器副垂直。
所述的六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台,其传感器组中的每2个加速度传感器互相垂直安装在传感器安装座的2个面上,传感器安装座为金字塔形状。
所述的六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台,其上柔性铰链和下柔性铰链结构相同,由第一铰链块、铰链连接块和第二铰链块构成,第一铰链块和第二铰链块为“凹”形,且在平端中心处设有螺纹孔,铰链连接块粘结在第一铰链块和第二铰链块的凹端;第一铰链块和第二铰链块采用40#钢加工成形,铰链连接块为橡胶材料。
所述的六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台,其上台面和下台面为40#钢加工成形的圆盘。
所述的六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台,其超磁致伸缩作动器的磁致伸缩材料选取Tb0.27~0.3Dy0.7~0.73Fe1.9~2.0,其性能曲线线性段的磁致伸缩系数达1000ppm以上。
本发明的六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台的优点:(1)采用智能材料的六自由度平台,具备低频微幅大载荷下的致稳能力,可在微幅低频10~100Hz范围内控制减振;(2)上台面与下台面平行、对称结构的设计有利于与其它设备的安装;(3)平台在三个平动方向的运动是解耦的,利于主动控制算法的应用;(4)优化的传感器安装方法和柔性铰链结构设计方案提高了平台的性能和减振效果;(5)该平台结构可以在各类精密仪器仪表的致稳领域及精密加工领域有着广阔的应用前景,其减振效果在98%。
附图说明
图1是本发明的六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台结构示意图。
图2是本发明的每2个传感器的安装结构示意图。
图3是本发明的作动器副结构分解示意图。
图3(a)是本发明的柔性铰链剖视图。
图4是本发明的连接件结构示意图。
图5是本发明的上台面中安装座与连接件关系示意图。
图6是本发明的下台面中安装座与连接件关系示意图。
图7是一实施例的结构示意图。
图8是实施例的减振控制曲线图。
图中:1.上台面 101.第一安装座 102.第二安装座 103.第三安装座2.传感器组 201.第一外罩 202.第二外罩 203.第三外罩 204.传感器安装座 210.第一传感器 211.第二传感器 3.作动器组 301.第一作动器副 302.第二作动器副 303.第三作动器副 304.第四作动器副305.第五作动器副 306.第六作动器副 307.下柔性铰链 308.上柔性铰链309.超磁致伸缩作动器 310.引线插头 311.第二连接杆 312.第一连接杆313.第三连接杆 314.作动器输出轴 315.第一铰链块 316.第二铰链块317.铰链连接块 4.下台面 401.第一安装座 402.第二安装座403.第三安装座 5.激振器 501.激振器输出轴 6.平台支撑601.底板 602.左支撑板 603.右支撑板 7.连接件 701.第一连接件702.第二连接件 703.第三连接件 704.第四连接件 705.第五连接件706.第六连接件 707.三角平面 708.螺纹孔 709.右平面 710.左平面
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明的六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台,由上台面1、下台面4、传感器组2、作动器组3以及连接件7组成,传感器组2安装在上台面1上方,作动器组3安装在上台面1和下台面4之间,连接件7分别安装在上台面1和下台面4的安装座上。超磁致伸缩作动器309的磁致伸缩材料选取Tb0.27~0.3Dy0.7~0.73Fe1.9~2.0,其性能曲线线性段的磁致伸缩系数达1000ppm以上。传感器安装座204为金字塔形状,上台面1、下台面4为40#钢加工成形的大小相同的圆盘。连接件7为一个正立方体削去一个角的形状,其立方体削去的三角平面707上设有螺纹孔708,连接件7通过该三角平面707上的螺纹孔708与上台面1和下台面4上的安装座实现连接;在连接件7相对三角平面707的左平面710和右平面709上各设有互相垂直的螺纹孔。作动器副上的连接杆通过连接件上的两个互相垂直的螺纹孔,进而实现各作动器副之间的垂直关系。
在本发明中,上柔性铰链308和下柔性铰链307结构相同,由第一铰链块315、铰链连接块317和第二铰链块316构成,第一铰链块315和第二铰链块316为“凹”形,且在平端中心处设有螺纹孔,铰链连接块317粘结在第一铰链块315和第二铰链块316的凹端;第一铰链块315和第二铰链块316采用40#钢加工成形,铰链连接块317为橡胶材料。柔性铰链的这种设计解决了作动器副之间的解耦。
在本发明中,传感器组2包括3个外罩、3个传感器安装座和6个加速度传感器。每2个加速度传感器安装在1个传感器安装座204上,并且这2个传感器的安装位置是互相垂直的,传感器安装座204上罩着1个外罩;所述外罩上设有供传感器与外部控制端连接用的孔,其孔与传感器输出方向同向。传感器之间的安装关系如图2所示,传感器安装座204为金字塔形状,在每个三角面的中心设有供安装传感器的螺纹孔,第一传感器210和第二传感器211分别安装在传感器安装座204的两个三角面的螺纹孔中。第一传感器210和第二传感器211的输出端通过第一外罩201上设有的孔伸出与六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台的控制部分的连线相连接,输出加速度传感器组2各传感器采集的电信号,在本发明中为6路信号,因有6个加速度传感器。
在本发明中,作动器组3包括6个作动器副,每个作动器副包括超磁致伸缩作动器309、上柔性铰链308、下柔性铰链307、以及连接杆;超磁致伸缩作动器309的输出轴314与上柔性铰链308连接,上柔性铰链308的另一端与第一连接杆312连接,第一连接杆312的另一端与安装在上台面1下方的安装座上的连接件连接;超磁致伸缩作动器309底部的螺纹孔与第二连接杆311螺纹连接,第二连接杆311的另一端与下柔性铰链307连接,下柔性铰链307的另一端与第三连接杆313连接,第三连接杆313的另一端与下台面4上的安装座上的连接件连接。具体的连接关系请参见图1、图3~6所示,第一作动器副301的第一连接杆连接在上台面1下方第一安装座101上的第一连接件701的左平面的螺纹孔中,第一作动器副301的第三连接杆连接在下台面4上方第一安装座401上的第四连接件704的右平面的螺纹孔中;第二作动器副302的第一连接杆连接在上台面1下方第一安装座101上的第一连接件701的右平面的螺纹孔中,第二作动器副302的第三连接杆连接在下台面4上方第二安装座402上的第五连接件705的左平面的螺纹孔中。对于其余的作动器副采用相同的首尾连接方式进行连接,这样构成了六自由度的运动平台,可以在低频10~100Hz范围内对微幅振动进行控制的平台装置。超磁致伸缩作动器309上的引线插头310用于连接平台控制系统输出的控制信号。
在本发明中,连接件7为一个正立方体削去一个角的形状,其立方体削去的三角平面707上设有螺纹孔708,螺纹孔708与安装座连接;在连接件7相对三角平面707的左平面710和右平面709上各设有螺纹孔,请参见图4所示。ABCGHEF是削去一个角的立方体结构的连接件,AHC为立方体削去的三角平面707,在三角平面707的中心上设有螺纹孔708,螺纹孔708与安装座连接。相对三角平面707的左边ABFE面定义为左平面710,在左平面710的中心设有螺纹孔,该螺纹孔用来与作动器副的连接杆(第一连接杆或者第三连接杆)连接。相对三角平面707的右边BFGC面定义为右平面709,在右平面709的中心设有螺纹孔,该螺纹孔用来与作动器副的连接杆(第一连接杆或者第三连接杆)连接。本发明的连接件7的设计,解决了作动器副之间的解耦连接,同时也能够使作动器副之间形成垂直安装的位置关系。在三角平面707、右平面709和左平面710上设的螺纹孔均与所在的平面垂直,其垂直方向为R1、R3和R2。对于微幅振动控制,连接处的间隙、碰撞及摩擦会对控制效果产生很大影响,柔性铰是为避免此类问题而采取的一种结构措施。本发明是一种在主动控制模式下的减振装置,即六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台,其结构上主要是采用超磁致伸缩材料Tb0.27~0.3Dy0.7~0.73Fe1.9~2.0制成的超磁致伸缩作动器309,并在超磁致伸缩作动器309的两端实现双轴铰链(上柔性铰链308、下柔性铰链307)的形式,控制部分对减振装置的控制从超磁致伸缩作动器309上的引线插头310中输入,从加速度传感器组2中输出,测得的基座振动消减98%左右。
请参见图7所示,为了测试本发明的主动振动控制平台的减振效果,用激振器5提供振源,并将激振器5安装在一平台支撑6的底板上,下台面4安装在平台支撑6的左支撑板602和右支撑板603上。通过平台控制系统的工控机输出控制信号至各超磁致伸缩作动器309对本发明的控制平台进行减振控制,其由加速度传感器回传的信号消振达98%以上,6路传感器在频率17Hz条件下输出的电荷量如图8所示。
Claims (7)
1、一种六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台,其特征在于:由上台面(1)、下台面(4)、传感器组(2)、作动器组(3)以及连接件(7)组成,传感器组(2)安装在上台面(1)上方,作动器组(3)安装在上台面(1)和下台面(4)之间,连接件(7)安装在上台面(1)和下台面(4)的安装座上;
所述的传感器组(2)包括3个外罩、3个传感器安装座和6个加速度传感器,每2个加速度传感器安装在1个传感器安装座上,每1个传感器安装座上罩着1个外罩;外罩上设有供传感器与外部控制端连接用的孔,其孔与传感器输出方向同向;
所述的作动器组(3)包括6个作动器副,每个作动器副包括超磁致伸缩作动器(309)、上柔性铰链(308)、下柔性铰链(307)、以及连接杆;超磁致伸缩作动器(309)的输出轴(314)与上柔性铰链(308)连接,上柔性铰链(308)的另一端与第一连接杆(312)连接,第一连接杆(312)的另一端与安装在上台面(1)下方的安装座上的连接件连接;超磁致伸缩作动器(309)底部的螺纹孔与第二连接杆(311)螺纹连接,第二连接杆(311)的另一端与下柔性铰链(307)连接,下柔性铰链(307)的另一端与第三连接杆(313)连接,第三连接杆(313)的另一端与下台面(4)上的安装座上的连接件连接;
所述的连接件(7)为一个正立方体削去一个角的形状,其立方体削去的三角平面(707)上设有螺纹孔(708),连接件(7)通过该三角平面(707)上的螺纹孔(708)与上台面(1)和下台面(4)上的安装座实现连接;在连接件(7)相对三角平面(707)的左平面(710)和右平面(709)上各设有互相垂直的螺纹孔。
2、根据权利要求1所述的六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台,其特征在于:所述作动器组(3)的每1个作动器副与相邻的2个作动器副垂直。
3、根据权利要求1所述的六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台,其特征在于:所述传感器组(2)中的每2个加速度传感器互相垂直安装在传感器安装座(204)的2个面上,传感器安装座(204)为金字塔形状。
4、根据权利要求1所述的六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台,其特征在于:上柔性铰链(308)和下柔性铰链(307)结构相同,由第一铰链块(315)、铰链连接块(317)和第二铰链块(316)构成,第一铰链块(315)和第二铰链块(316)为“凹”形,且在平端中心处设有螺纹孔,铰链连接块(317)粘结在第一铰链块(315)和第二铰链块(316)的凹端;第一铰链块(315)和第二铰链块(316)采用40#钢加工成形,铰链连接块(317)为橡胶材料。
5、根据权利要求1所述的六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台,其特征在于:上台面(1)和下台面(4)为40#钢加工成形的圆盘。
6、根据权利要求1所述的六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台,其特征在于:超磁致伸缩作动器(309)的磁致伸缩材料选取Tb0.27~0.3Dy0.7~0.73Fe1.9~2.0,其性能曲线线性段的磁致伸缩系数达1000ppm以上。
7、根据权利要求1所述的六自由度超磁致伸缩主动振动控制平台,其特征在于:在微幅低频10~100Hz范围内减振98%左右。
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