TWI482917B - 減振器以及具有減振器之減振系統的操作方法 - Google Patents

Description

減振器以及具有減振器之減振系統的操作方法

本發明是有關於一種減振器，特別是有關於一種使用磁力鎖固鎖可移動式懸臂樑齒條而使質量塊固定於指定位置之減振器。

結構物常會因地震、風力、機械運轉等外力作用而產生擾人的振動，輕者會影響結構物之舒適度及使用，嚴重者則會影響結構物之安全，所以減振、隔振或耐振之設計變成結構工程師的重要任務。這不僅是工程技術問題，而且也是一種設計藝術，如何應用傳統或創新工藝科技減少結構振動，這已是工程師長期努力的目標。減振也許是比隔振或耐振更容易達成結構物減低振動之方法，而且更經濟實用。結構物本身具有阻尼量，所以對結構物有減振效果，但這種結構本身阻尼量一般都很小，所以需要另外設計一振動控制裝置，以提供額外的阻尼量，使減少結構之振動量，而這種振動控制裝置一般稱阻尼器(damper)。工程師針對不同結構物或不同的目的設計各種不同阻尼器。

諧調質量阻尼器(Tuned Mass Damper，或簡稱TMD)因構造簡單故應用廣泛，常應用於結構物減振之用途，也是應用最早的一種阻尼器，多應用於機器、車床及設備減振之用，自從很多高樓建築物相繼引進諧調質量阻尼器後，引起廣泛的興趣，這些大樓所裝設之諧調質量阻尼器，主要是減少因風力所引起的震動。TMD也是其它阻尼器理論 及設計之基礎。

TMD系統主要是根據共振頻率進行減振，而TVN(Tuned Vibration Neutralizer)系統則可針對非共振頻率進行減振。大多數的減振器仍停留於降低共振頻，因此本發明之優點在於二者皆可操作。若振動機台在運作頻率與結構之共振頻率下，可發揮TMD理論的機制，使懸臂樑齒條帶動質量塊運作到最佳的位置以進行減振。若振動機台運作頻率非為結構之共振頻率，則可應用TVN理論，使質量塊到達相對應的最佳位置，以達到減振效果。

本發明與先前技術的最大差別在於：以往TMD或TVN減振器大多利用移動質量塊位置以達到調整頻率，例如：傳統移動質量塊位置的TMD減振器，大多利用鋼索等拖曳方式帶動質量塊。而本發明則係利用磁力鎖來固定可移動式懸臂樑齒條，搭配馬達驅動齒條的方式運作，如此一來，不僅可以達到相同的目的，更可以大幅減少半主動控制上的難度，並避免造成其它不必要的物理現象發生，且減少電線配置上的問題，也大幅增加機構活動範圍。

本發明之目的在於提供一種減振器，減振器係於懸臂樑齒條之自由端掛載一固定質量塊，透過馬達轉動齒輪並且帶動懸臂樑齒條即可控制懸臂樑齒條之長度，待懸臂樑齒條至相對應頻率之定位後，再以磁力鎖固定懸臂樑齒條，如此不僅簡化了控制上的難度，同時避免減振器產生多餘自由度的可能性；再者，本發明亦提供一種具有該減振器 之減振系統的操作方法。

達到上述目的之一種減振器，包含：一基座；一馬達，設於該基座上，用以提供動力；至少一齒輪，設於該基座上且接收該馬達提供之動力；一懸臂樑齒條，與該齒輪相嚙合；一磁力鎖，設於該基座內，用以固鎖該懸臂樑齒條；一質量塊，設於該懸臂樑齒條之一自由端上，該質量塊與該齒輪分別位於該磁力鎖兩側；以及一感測器，設於該基座上，用以感測該質量塊與該感測器之間的距離；其中，該馬達驅動該齒輪轉動，該齒輪進而帶動該懸臂樑齒條移動，以使該質量塊到達一預設位置之後，該磁力鎖閉合以固鎖該懸臂樑齒條。

較佳地，該感測器係一距離感測器，該感測器具有一發射端與一接收端；當該感測器之發射端發射出一發射波，並入射至該質量塊後，再反射回被該感測器之接收端所接收，藉由該感測器之發射波與接收波的時間差，而計算出該質量塊與該感測器之間的距離。。

較佳地，該感測器係為超音波感測器、紅外線感測器、雷射感測器、微波感測器或其它可以用來測量距離之感測器。

較佳地，進一步包含一彈性元件與一橡膠墊，該彈性元件之一端係連接於該基座，而該彈性元件之另一端係連接該橡膠墊，該橡膠墊係連接於該磁力鎖，其中該彈性元件係作為緩衝之用，而該橡膠墊係作為隔震之用。

較佳地，該磁力鎖藉由通電與否，以達到夾持閉合固鎖該懸臂樑齒條或是開啟解鎖該懸臂樑齒條。

較佳地，該減振器電連接一微控制器與一電源供應器，以成為一減振系統。

達到上述目的之一種具有減振器之減振系統的操作方法，包含下列步驟：一電源供應器供應一電源，並且啟動一磁力鎖，一減振系統開始運作；一微控制器讀取一待減振設備的振動頻率狀況與一距離訊號；一質量塊移動；判斷該質量塊是否到達目標位置；一馬達停止運轉；以及該磁力鎖閉合固鎖一懸臂樑齒條，以使該質量塊停止移動。

較佳地，該電源供應器輸出直流電，以使該磁力鎖處於ON的狀態，意即該磁力鎖係解鎖該懸臂樑齒條之後，再使該馬達進行運轉。

較佳地，該微控制器讀取該距離訊號，該距離訊號是指一感測器感測該質量塊與該感測器之間距離之訊號。

較佳地，判斷該質量塊是否到達目標位置是根據一待減振設備的振動頻率狀況，而決定該質量塊所需相對應位置，並以一齒輪轉動並且帶動該懸臂樑齒條移動的同時，該減振器之該感測器會同時感測該質量塊的位置，並且藉由該微控制器來判斷該質量塊的位置是否已到達正確的設定位置。

雖然本發明將參閱含有本發明較佳實施例之所附圖式予以充分描述，但在此描述之前應瞭解熟悉本行之人士可修改本文之發明內容，同時獲致本發明之功效。因此，須瞭解以上之描述對熟悉本行技藝之人士而言為一廣泛之揭示，且其內容不在於限制本發明。

請參閱第一圖、第二圖、第三圖與第四圖，係分別顯示本發明一種減振器之立體圖、前視圖、俯視圖與左側視圖。本發明減振器1係實施架設於一待減振設備(圖未示)上，用以降低該待減振設備所產生的振動振幅。該減振器1包含：一基座2；一馬達3，設於該基座2左側之上，用以提供動力，較佳地，該馬達3為一直流馬達；兩個齒輪4，設於該基座2上，且在該馬達3之右側，該等齒輪4接收該馬達3提供的動力而轉動；一懸臂樑齒條5，與該齒輪4相嚙合，更詳細地來說，該懸臂樑齒條5係位在該兩個齒輪4之間，且該懸臂樑齒條5的相對兩側係分別與該齒輪4相嚙合；一磁力鎖6，設於該基座2內，用以固鎖該懸臂樑齒條5；一質量塊7，設於該懸臂樑齒條5之一自由端51上，該質量塊7與該齒輪4係分別位於該磁力鎖6的右側與左側；以及一感測器8，設於該基座2上，用以感測該質量塊7與該感測器8之間的距離。

本發明減振器1進一步包含一彈性元件9與一橡膠墊10，較佳地，該彈性元件9可為一彈簧。該彈性元件9之上端係連接於該基座2，而該彈性元件9之下端係連接該橡膠墊10，該橡膠墊10係連接於該磁力鎖6，其中該彈性元件9係作為緩衝之用，而該橡膠墊10係作為隔震之用。較佳地，該磁力鎖6可藉由通電與否，以達到夾持閉合固鎖該懸臂樑齒條5或是開啟解鎖該懸臂樑齒條5。

請參閱第五圖，係顯示本發明減振器之感測器感測距離之示意圖。較佳地，該感測器8係一超音波感測器(SRF05)，該感測器8具有一發射端81與一接收端82；當該感測器8之發射端81發射出一超音波，並入射至該質量塊7後，再反射回被該感測器8之接收端82所接收。藉由該感測器8之發射超音波與接收超音波的時間差，可計算出該質量塊7與該感測器8之間的距離。該感測器8之量測距離可由3公分至4公尺，工作電壓5V，發射聲波頻率為40kHz，每秒最多可打出20次超音波，掃描角度範圍約為60度。值得一提的是，該感測器8可以是紅外線感測器、雷射感測器、微波感測器或其它可以用來測量距離之感測器。

請參閱第六圖，係顯示本發明減振器電連接微控制器與電源供應器，以成一減振系統13之電路方塊圖。本發明減振器1電連接一微控制器11與一電源供應器12，該電源供應器11為一直流電源供應器，以提供一直流電源予該減振器1之馬達3。該馬達3驅動該齒輪4轉動，該齒輪4進而帶動該懸臂樑齒條5移動，即當該二個齒輪4如箭頭符號A所示方向轉動時，則該懸臂樑齒條5會如箭頭符號B所示之方向移動；反之，當該二個齒輪4如箭頭符號C所示方向轉動時，則該懸臂樑齒條5會如箭頭符號D所示之方向移動。利用該齒輪4的轉動，使得該質量塊7到達一預設位置之後(也就是待該懸臂樑齒條5調整至相對應頻率而就定位後)，該磁力鎖6會閉合以固鎖該懸臂樑齒條5。

微控制器11係使用一控制板Arduino 1.0，Arduino是一塊於開放原始碼發展出來的I/O介面控制板，並且具有使用類似java、C語言的開發環境，使用上可快速使用Arduino語言與Flash或Processing...等軟體，主體分成硬體與軟體兩大部分，硬體部分是一個控制板，核心使用八位元ATMEGA8系列的的微控制器，提供14個數位式輸出/入端，6個類比式輸出/入端，支援USB資料傳輸，可以使用自備電源(5V~9V)或是直接使用USB電源，使用者可以在數位式輸出/入端上接上不同的電子裝置，例如LED燈、喇叭、馬達，然後由控制器進行驅動。由於控制系統在速度上的需求並不需要即時快速，因此選擇使用12V以及轉速為60rpm之直流馬達，並搭配直流馬達之驅動器，使用二個輸入腳位，控制該馬達3的正轉、反轉及停止。在本發明中，利用該磁力鎖6進行該懸臂樑齒條5之閉合夾持，因為該磁力鎖6之開關需要一組12V之直流電源開關，在該電源供應器12中具有二組電源的輸出，一組係供給該減振器1之馬達3作傳動控制，而另一組則供給該減振器1之磁力鎖6進行閉合或開啟控制之用。

請參閱第七圖，係顯示本發明減振系統13之操作流程圖，包含下列步驟，並請配合第一圖與第六圖：

步驟S1：在該減振系統13在開始運作之前，該電源供應器12先輸出12V的直流電，以使該減振器1之磁力鎖6處於ON的狀態(意即該磁力鎖6係解鎖該懸臂樑齒條5)，並且在延遲1秒之後，再讓該馬達3進行運轉。

步驟S2：該微控制器11讀取一待減振設備的振動頻率狀況與一距離訊號。該微控制器11先根據該待減振設備運轉之振動頻率狀況以決定該質量塊7所需要到達的一正確位置，而該距離訊號是指該感測器8感測該質量塊7與該感測器8之間距離之訊號。當該微控制器11根據該待減振設備運轉之振動頻率狀況，並且使得該質量塊7開始移動至一相應位置後，該微控制器11會進行讀取該距離訊號是否正確的動作。如果該微控制器11讀取到的該距離訊號是正確的話，則將會進行步驟S3，但如果該微控制器11讀取到的該距離訊號是不正確的話，則會進行步驟S4。

步驟S3：該微控制器11控制該減振器1之馬達3停止運轉，所以連帶地該齒輪4停止轉動以及該懸臂樑齒條5也停止移動，故該質量塊7亦停止移動。接著將會進行步驟S6。

步驟S4：該微控制器11控制該減振器1之馬達3運轉，以帶動該齒輪4轉動，進而使該懸臂樑齒條5移動；其中藉由該齒輪4的順時針輪動或逆時針轉動，可使該懸臂樑齒條5產生左右方向的移動，如此一來，便可使位在該懸臂樑齒條5上的該質量塊7跟著移動。接著進行步驟S5。

步驟S5：判斷該質量塊7是否到達目標位置。在該齒輪4轉動並且帶動該懸臂樑齒條5移動的同時，該減振器1之感測器8會同時感測該質量塊7的位置。如果該感測器感測到該質量塊7的位置已到達正確的設定位置時，則進行步驟S3，之後再接著進行步驟S6。但如果該感測器感測到該質量塊7的位置尚未到達正確的設定位置時，則返回進行步驟S2，繼續使該微控制器11讀取距離訊號，並且持續進行其它複數個步驟。

步驟S6：微控制器11輸出訊號以控制該磁力鎖6，使該磁力鎖6閉合固鎖該懸臂樑齒條5，以確保該懸臂樑齒條5與該質量塊7皆靜止不動。

本發明減振器1的設計係針對低頻帶，大約5-10HZ之振動機台。可以下列式子估算出該減振器1之尺寸及材質： 而該懸臂樑齒條7的尺寸係：長50cm，寬3cm，高2cm，其楊氏係數E=210Gpa，計算其自然頻率約13Hz。

請參閱第八A圖，係顯示利用TVN系統模擬結果之數據曲線圖。以ANSYS模擬針對一振動源與架設有該振動源之一結構物，其中該振動源的頻率與該結構物的頻率係非共振，而係與本發明減振器1共振之情形(TVN)。第八B圖係顯示利用TVN系統模擬結果之數據曲線圖，其係在一自然頻率為4.8Hz之該結構物上，加入一2.4Hz之減振器1，使其在約2.4Hz附近處產生一高峰與一低峰值。若該減振器1頻率範圍控制精準，即可將低峰處用於減振；反之，則有可能達到反效果。表一為擷取模擬之數值與效果比較，其中，次系統阻尼( c ₂ )設定為0.01。

請參閱第九圖，係顯示一實驗量測結果之數據曲線圖。在本實驗量測中，一實驗平台之自然頻率約為7.3Hz，該實驗平台與本發明減振器1之質量比(μ)為1%，針對共振區域(6.5Hz至8Hz)與非共振區域(8Hz至15Hz)進行減振試驗，上面實線為原始實驗平台之頻率響應，而下面虛線則為加入本發明減振器1後的頻率響應。由第九圖中，可明顯看得出，加入本發明減振器1之後，振幅明顯下降。

在詳細說明本發明的較佳實施例之後，熟悉該項技術 人士可清楚的瞭解，在不脫離下述申請專利範圍與精神下可進行各種變化與改變，且本發明亦不受限於說明書中所舉實施例的實施方式。

1‧‧‧減振器

2‧‧‧基座

3‧‧‧馬達

4‧‧‧齒輪

5‧‧‧懸臂樑齒條

51‧‧‧自由端

6‧‧‧磁力鎖

7‧‧‧質量塊

8‧‧‧感測器

81‧‧‧發射端

82‧‧‧接收端

9‧‧‧彈性元件

10‧‧‧橡膠墊

11‧‧‧微控制器

12‧‧‧電源供應器

13‧‧‧減振系統

第一圖係顯示本發明一種減振器之立體圖。

第二圖係顯示本發明一種減振器之前視圖。

第三圖係顯示本發明一種減振器之俯視圖。

第四圖係顯示本發明一種減振器之左側視圖。

第五圖係顯示本發明減振器之感測器感測距離之示意圖。

第六圖係顯示本發明減振器電連接微控制器與電源供應器以成一減振系統之電路方塊圖。

第七圖係顯示本發明減振系統之操作流程圖。

第八A圖與第八B圖係顯示利用TVN系統模擬結果之數據曲線圖。

第九圖係顯示一實驗量測結果之數據曲線圖。

1‧‧‧減振器

2‧‧‧基座

4‧‧‧齒輪

5‧‧‧懸臂樑齒條

51‧‧‧自由端

6‧‧‧磁力鎖

7‧‧‧質量塊

8‧‧‧感測器

81‧‧‧發射端

82‧‧‧接收端

Claims (10)

1. 一種減振器，包含：一基座；一馬達，設於該基座上，用以提供動力；至少一齒輪，設於該基座上且接收該馬達提供之動力；一懸臂樑齒條，與該齒輪相嚙合；一磁力鎖，設於該基座內，用以固鎖該懸臂樑齒條；一質量塊，設於該懸臂樑齒條之一自由端上，該質量塊與該齒輪分別位於該磁力鎖兩側；以及一感測器，設於該基座上，用以感測該質量塊與該感測器之間的距離；其中，該馬達驅動該齒輪轉動，該齒輪進而帶動該懸臂樑齒條移動，以使該質量塊到達一預設位置之後，該磁力鎖閉合以固鎖該懸臂樑齒條。
2. 如申請專利範圍第1項所述之減振器，其中該感測器係一距離感測器，該感測器具有一發射端與一接收端；當該感測器之發射端發射出一發射波，並入射至該質量塊後，再反射回被該感測器之接收端所接收，藉由該感測器之發射波與接收波的時間差，而計算出該質量塊與該感測器之間的距離。
3. 如申請專利範圍第1項所述之減振器，其中該感測器係為超音波感測器、紅外線感測器、雷射感測器、微波感測器或其它可以用來測量距離之感測器。
4. 如申請專利範圍第1項所述之減振器，進一步包含一彈性 元件與一橡膠墊，該彈性元件之一端係連接於該基座，而該彈性元件之另一端係連接該橡膠墊，該橡膠墊係連接於該磁力鎖，其中該彈性元件係作為緩衝之用，而該橡膠墊係作為隔震之用。
5. 如申請專利範圍第1項所述之減振器，其中該磁力鎖藉由通電與否，以達到夾持閉合固鎖該懸臂樑齒條或是開啟解鎖該懸臂樑齒條。
6. 如申請專利範圍第1項所述之減振器，其中該減振器電連接一微控制器與一電源供應器，以成為一減振系統。
7. 一種具有減振器之減振系統的操作方法，包含下列步驟：一電源供應器供應一電源，並且啟動一磁力鎖，一減振系統開始運作；一微控制器讀取一待減振設備的振動頻率狀況與一距離訊號；一質量塊移動；判斷該質量塊是否到達目標位置；一馬達停止運轉；以及該磁力鎖閉合固鎖一懸臂樑齒條，以使該質量塊停止移動。
8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該電源供應器輸出直流電，以使該磁力鎖處於ON的狀態，意即該磁力鎖係解鎖該懸臂樑齒條之後，再使該馬達進行運轉。
9. 如申請專利範圍第7項所述之方法，其中該微控制器讀取該距離訊號，該距離訊號是指一感測器感測該質量塊與該感測器之間距離之訊號。
10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中判斷該質量塊是否到達目標位置是根據一待減振設備的振動頻率狀況，而決定該質量塊所需相對應位置，並以一齒輪轉動並且帶動該懸臂樑齒條移動的同時，該減振器之該感測器會同時感測該質量塊的位置，並且藉由該微控制器來判斷該質量塊的位置是否已到達正確的設定位置。