CN102155516B

CN102155516B - 一种八杆冗余构型六自由度振动主动控制装置

Info

Publication number: CN102155516B
Application number: CN2011100256438A
Authority: CN
Inventors: 崔龙; 黄海; 王海强; 张泽
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2031-01-24
Also published as: CN102155516A

Abstract

本发明一种八杆冗余构型六自由度振动主动控制装置，包括上平台、下平台以及八个主动隔振机构。上平台与下平台水平设置，上平台与下平台之间通过八个主动隔振机构相连。主动隔振机构包括上平台柔性铰链、动态力传感器、音圈电机作动器、下平台柔性铰链。通过上述结构的八杆冗余构型振动主动控制平台，具有六自由度运动能力，可以进行全方位的振动隔离和抑制。本发明的优点在于：通过八根音圈电机作动器伸缩运动，上平台可实现三自由度平动和三自由度转动运动，且上平台拥有安静的工作环境，大大提高安装在上平台上的光学设备及激光设备的精度；且本发明响应速度快、精度高、可靠性好。

Description

一种八杆冗余构型六自由度振动主动控制装置

技术领域

本发明涉及精密机械领域，具体来说，是一种八杆冗余构型六自由度振动主动控制装置。

背景技术

随着高分辨率观测、激光通讯等技术的广泛应用，对高性能、高可靠性稳定平台的需求日益迫切。高精度光学设备和激光设备要求工作在低噪声环境中，而基座产生的扰动会影响这些设备的正常工作。由于这些扰动大多属于100Hz以下的低频扰动，很难通过被动方式进行有效控制，因此研究开发针对低频振动控制的平台成为亟待解决的问题。

目前振动主动控制平台大多采用六杆Stewart并联机构构型，它具有精度高、刚度大、结构稳定、承载能力强、动态特性好等优点，特别是其六自由度运动能力为精密设备的全方位振动控制提供了很好的解决方案。但六杆Stewart隔振平台属于无冗余并联机构，只要有一根作动杆出现故障就会导致隔振平台失去作用，因此很难满足航空航天等行业的高可靠性要求。为解决这一问题，研究具有冗余备份杆的振动控制平台便成为这一领域的必然研究方向。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种具有冗余备份作动器的高可靠性六自由度振动主动控制平台，以弥补传统六杆平台可靠性低的问题。

本发明一种八杆冗余构型六自由度振动主动控制装置，包括上平台、下平台以及八个主动隔振机构。其中，上平台与下平台水平设置，上平台与下平台间通过八个主动隔振机构相连。

所述的下平台周向上设置有八个连接槽B，所述的上平台周向上设置有四个连接槽A，连接槽A与连接槽B分别在上平台与下平台的周向上交错布置；其中每个连接槽A上连接两个主动隔振机构的上平台柔性铰链，所述的两个主动隔振机构的下平台柔性铰链分别与两个连接槽B连接，所述的两个连接槽B距离所述的连接槽A的距离相等并且最小；

所述主动隔振机构包括上平台柔性铰链、动态力传感器、音圈电机作动器、下平台柔性铰链；其中，下平台柔性铰链与音圈电机作动器一端相连，音圈电机作动器的另一端与动态力传感器一端同轴连接，动态力传感器的另一端连接有上平台柔性铰链。

所述音圈电机作动器包括音圈电机作动器动子和音圈电机作动器定子。音圈电机做动器动子位于音圈电机作动器定子内部，所述音圈电机作动器动子包括动子伸出杆、膜片弹簧、动子线圈和动子导向杆。动子导向杆上部由下至上依次套接有动子线圈、膜片弹簧和动子伸出杆。动子线圈为空心圆筒结构，顶部为圆台结构，动子线圈的外圈上绕有线圈；膜片弹簧为中部镂空的圆形薄片。其中动子线圈中的圆台部分顶部与膜片弹簧底部接触，膜片弹簧顶部与动子伸出杆的底部接触。动子伸出杆、膜片弹簧、动子线圈和动子导向杆之间紧密连接。

所述音圈电机作动器定子包括顶部直线轴承、定子顶盖、定子外壳、永磁体、底部直线轴承和定子底盖。定子外壳呈中空圆筒状，定子外壳内部下方设置有一阶梯圆台筒状结构与定子外壳内壁相连，圆环结构永磁体固定套接在阶梯圆台筒状结构外圈，永磁体与定子外壳内壁间存在间隙。

其中，音圈电机作动器动子中的动子导向杆下部位于定子外壳内部的阶梯圆台筒状结构内。底部直线轴承与顶部直线轴承均具有空心圆柱结构，底部直线轴承上的空心圆柱结构位于定子外壳内部的阶梯圆台筒状结构内，且与动子导向杆下部套接，并与定子外壳内部的阶梯圆台筒状结构底部固连。空心圆锥结构的定子底盖套在底部直线轴承外侧，与定子外壳底部固连；顶部直线轴承上的空心圆柱结构套接在音圈电机作动器动子中动子伸出杆上，空心圆锥状的定子顶盖套接在音圈电机作动器动子中动子伸出杆上，与定子顶盖固连。定子顶盖与定子外壳顶部固连。

通过上述结构的八杆冗余构型振动主动控制平台，具有六自由度运动能力，可以进行全方位的振动隔离和抑制。其主动部件音圈电机作动器响应速度快、定位精度高、可靠性好，可使本发明振动主动控制平台对振动进行有效隔离和抑制。

本发明的优点在于：

(1)本发明采用了八杆构型，比传统六杆构型的平台多出两个冗余杆，使平台在两根作动器发生故障时依然可以正常工作，提高了平台的整体可靠性；

(2)本发明通过八根音圈电机作动器伸缩运动，上平台可实现三自由度平动和三自由度转动运动，当这六个自由度的运动与下平台传来的运动方向相反时，可实现六自由度全方位的振动隔离效果，使上平台拥有安静的工作环境，大大提高安装在上平台上的光学设备及激光设备的精度；

(3)本发明八杆冗余构型六自由度振动主动控制装置中由于没有传动部件，因此响应速度快、精度高、可靠性好。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为上平台上V型槽A及其分布位置示意图；

图3为下平台上V型槽B及其分布位置示意图；

图4为主动隔振机构结构示意图；

图5为音圈电机作动器外部结构示意图；

图6为音圈电机作动器侧剖图；

图7为音圈电机作动器动子结构***图；

图8为音圈电机作动器定子结构***图。

图中：

1.上平台 2.下平台 3.主动隔振机构 101.连接槽A 201.连接槽B

3-1.上平台柔性铰链 3-2.下平台柔性铰链 3-3.动态力传感器

3-4.音圈电机作动器 3-4-1.音圈电机作动器动子 3-4-1a.动子伸出杆

3-4-1b.膜片弹簧 3-4-1c.动子线圈 3-4-1d.动子导向杆

3-4-2.音圈电机作动器定子 3-4-2a.顶部直线轴承 3-4-2b.定子顶盖

3-4-2c.定子外壳 3-4-2d.永磁体 3-4-2e.底部直线轴承

3-4-2f.定子底盖

具体实施方式

下面结合附图来对本发明作出进一步说明。

本发明一种八杆冗余构型振动主动控制装置，本发明采用八杆并联冗余构型振动机构构型，具有较高的可靠性和隔振性能，包括上平台1、下平台2，以及八个主动隔振机构3，如图1所示，上平台1与下平台2水平设置，上平台1与下平台2间通过八个主动隔振机构3相连。

本实施例中，采用形状相同的上平台1与下平台2，上平台1与下平台2均为具有四条长边和四条短边的八边形结构。其中，上平台1与下平台2形状相同，均为具有四条长度相等且不相邻的长边与四条长度相等且不相邻的短边构成的八边形平板框架结构，且上平台1与下平台2在水平面上互为投影，上平台1与下平台2的长与宽均为400mm。

如图1所示，设上平台1的四条长边分别为a、b、c、d，4条短变分别为e、f、g、h，下平台2中对应上平台1的四条长边分别为a1、b1、c1、d1，下平台2中对应上平台1的四条短边分别为e1、f1、g1、h1，其中，在上平台1的四条长边的中心位置分别开有V型连接槽A101，一共有四个连接槽A101，每个连接槽A101的两边对称设置两个螺纹孔，如图2所示；下平台2的四条短边e1、f1、g1、h1上分别开有两个V型连接槽B201，一共有八个连接槽B201，每条长边上设置有两个螺纹孔，如图3所示，上述螺纹孔用来连接主动隔振机构3中的上平台柔性铰链3-1、下平台柔性铰链3-2，且上述V型槽A中一斜面与相邻的V型连接槽B一斜面平行，其中每2个主动隔振机构3中的上平台柔性铰链3-1由上平台1下方分别与上平台1上V型连接槽A101中的两个斜面相连，下平台柔性铰链3-2分别与下平台V型连接槽B201的斜面相连，所述的下平台V型连接槽B201的斜面与上平台柔性铰链3-1连接的V型连接槽A101中斜面相对。

如图4所示，所述主动隔振机构3包括上平台柔性铰链3-1、动态力传感器3-3、音圈电机作动器3-4、下平台柔性铰链3-2。其中，下平台柔性铰链3-2与音圈电机作动器3-4一端相连，音圈电机作动器3-4的另一端与动态力传感器3-3一端同轴连接，动态力传感器3-3的另一端连接有上平台柔性铰链3-1，四者同轴连接。

每个下平台2上的连接槽B201中都连接有一个主动隔振机构3，并且每相邻的两个隔振机构3的上平台柔性铰链3-1连接在同一个连接槽A101上，其中，每2个主动隔振机构3中的上平台柔性铰链3-1与上平台1上的1个V型连接槽A101相连，下平台柔性铰链3-2分别与与上平台柔性铰链3-1连接的连接槽A101相邻近的连接槽B201相连，即每2个主动隔振机构3中的上平台柔性铰链3-1与上平台1的a、b、c、d四条边上的连接槽A101相连，而下平台柔性铰链3-2分别与下平台2的e1、h1，e1、f1，f1、g1，g1、h1边上的连接槽B201相连，由此使八个主动隔振机构3在上平台1与下平台2间形成八杆并联冗余构型振动机构构型，且上平台1上表面与下平台2下表面间的垂直高度为144mm。

上述上平台柔性铰链3-1和下平台柔性铰链3-2结构相同，通过上平台柔性铰链3-1和下平台柔性铰链3-2的弹性变形可提供两个弯曲转动自由度，并实现传动，可保证本发明振动主动控制装置运动时不受机械零件间隙影响，使本发明振动主动控制装置可以高精度平稳运动。

所述动态力传感器3-3为石英压电式动态力传感器，收到轴向拉力或压力时会输出与外部控制器成比例的电压信号。

所述音圈电机作动器3-4是基于音圈电机的振动主动控制装置，可对中低频振动进行主动隔离和抑制，如图5、图6所示，包括音圈电机作动器动子3-4-1和音圈电机作动器定子3-4-2。

所述音圈电机作动器动子3-4-1包括动子伸出杆3-4-1a、膜片弹簧3-4-1b、动子线圈3-4-1c和动子导向杆3-4-1d，如图7所示。动子导向杆3-4-1d呈阶梯轴状，顶部有螺纹结构用于与动子伸出杆3-4-1a底部螺纹连接，动子导向杆3-4-1d上部由下至上依次固定套接有动子线圈3-4-1c、膜片弹簧3-4-1b。动子线圈3-4-1c为绕有线圈的空心圆筒，顶部有圆台凸起结构，膜片弹簧3-4-1b为中部镂空的圆形薄片。动子伸出杆3-4-1a呈阶梯轴状。其中动子线圈3-4-1c中的圆台部分顶部与膜片弹簧3-4-1b底部接触，膜片弹簧3-4-1b顶部与动子伸出杆3-4-1a的底部接触。通过动子导向杆3-4-1d顶部的螺纹结够与动子伸出杆3-4-1a底部螺纹连接，将膜片弹簧3-4-1b、动子线圈3-4-1c轴向定位，并且使膜片弹簧3-4-1b、动子线圈子导向杆3-4-1d间紧密连接。

所述音圈电机作动器定子3-4-2包括顶部直线轴承3-4-2a、定子顶盖3-4-2b、定子外壳3-4-2c、永磁体3-4-2d、底部直线轴承3-4-2e和定子底盖3-4-2f，如图8所示。定子外壳3-4-2c呈中空圆筒状，内部下方设置有一阶梯圆台筒状结构，环状永磁体3-4-2d固定套接在阶梯圆台筒状结构外圈，永磁体3-4-2d与定子外壳3-4-2c内壁间存在间隙。永磁体3-4-2d辐射状充磁，与定子外壳3-4-2c形成闭合磁路，在永磁体3-4-2d外圈和定子外壳3-4-2c之间的空隙产生均匀的磁场。

其中，音圈电机作动器动子3-4-1位于定子外壳3-4-2c内部，音圈电机作动器动子3-4-1中的动子导向杆3-4-1d下部位于定子外壳3-4-2c内部的阶梯圆台筒状结构内。底部直线轴承3-4-2e具有空心圆柱结构，空心圆柱结构位于定子外壳3-4-2c内部的阶梯圆台筒状结构内，且与动子导向杆3-4-1d下部套接，并通过螺栓与定子外壳3-4-2c内部的阶梯圆台筒状结构底部固连，由此实现了音圈电机作动器动子3-4-1下部分的定位。空心圆锥结构的定子底盖3-4-2f套在底部直线轴承3-4-2e外侧，通过螺栓与定子外壳3-4-2c底部固连。顶部直线轴承3-4-2a同样具有空心圆柱结构，套接在音圈电机作动器动子3-4-1中动子伸出杆3-4-1a上，空心圆锥状的定子顶盖3-4-2b套接在音圈电机作动器动子3-4-1中动子伸出杆3-4-1a上，顶部直线轴承3-4-2a通过螺栓与定子顶盖3-4-2b固连，定子顶盖3-4-2b通过螺栓与定子外壳3-4-2c顶部固连从而实现了音圈电机作动器动子3-4-1上部分的定位，由此实现音圈电机作动器动子3-4-1与音圈电机作动器定子3-4-2间的相对定位。

音圈电机作动器3-4在运行时，音圈电机作动器动子3-4-1相对音圈电机作动器定子3-4-2上下运动，抵消由定子传来的振动，使音圈电机作动器动子3-4-1保持稳定。

当动子线圈3-4-1c有电流通过时，与永磁体3-4-2d产生的磁场发生相互作用，产生轴向推力或拉力，驱动音圈电机作动器动子3-4-1上下运动。由于没有传动部件，因此响应速度快、精度高、可靠性好。

通过上述结构的八杆冗余构型振动主动控制平台，具有六自由度运动能力，可以进行全方位的振动隔离和抑制。其主动部件音圈电机作动器3-4响应速度快、定位精度高、可靠性好，可使本发明振动主动控制装置对振动进行有效隔离和抑制。

通过八根音圈电机作动器3-4伸缩运动，上平台1可实现三自由度平动和三自由度转动运动，当这六个自由度的运动与下平台2传来的运动方向相反时，可实现六自由度全方位的振动隔离效果，使上平台1拥有安静的工作环境，大大提高安装在上平台1上的光学设备及激光设备的精度。

本发明八杆冗余构型振动主动控制装置在进行振动控制时，通过外部控制器采集动态力传感器3-3的力信号，再通过外部控制器采集到的力信号转换为动子线圈3-4-1c中的电流，使音圈电机作动器动子3-4-1相对音圈电机作动器定子3-4-2产生位移，从而抵消振动。

本发明中膜片弹簧3-4-1b的材料为铍青铜，采用激光或线切割工艺加工。其余部件除动子伸出杆3-4-1a和动子导向杆3-4-1d的材料采用钢之外，均采用硬铝加工。

Claims

1.一种八杆冗余构型六自由度振动主动控制装置，其特征在于：包括上平台、下平台以及八个主动隔振机构；其中，上平台与下平台水平设置，上平台与下平台之间通过八个主动隔振机构相连；

所述主动隔振机构包括上平台柔性铰链、动态力传感器、音圈电机作动器和下平台柔性铰链；其中，下平台柔性铰链与音圈电机作动器一端相连，音圈电机作动器的另一端与动态力传感器一端同轴连接，动态力传感器的另一端连接有上平台柔性铰链；

所述音圈电机作动器包括音圈电机作动器动子和音圈电机作动器定子；音圈电机作动器动子位于音圈电机作动器定子内部，所述音圈电机作动器动子包括动子伸出杆、膜片弹簧、动子线圈和动子导向杆；动子导向杆上部由下至上依次固定套接有动子线圈、膜片弹簧和动子伸出杆；动子线圈为空心圆筒结构，顶部为圆台结构，动子线圈的外圈上绕有线圈；膜片弹簧为中部镂空的圆形薄片；其中动子线圈中的圆台部分顶部与膜片弹簧底部接触，膜片弹簧顶部与动子伸出杆的底部接触；动子伸出杆、膜片弹簧、动子线圈和动子导向杆之间紧密连接；

所述音圈电机作动器定子包括顶部直线轴承、定子顶盖、定子外壳、永磁体、底部直线轴承和定子底盖；定子外壳呈中空圆筒状，定子外壳内部下方设置有一阶梯圆台筒状结构与定子外壳内壁相连，圆环结构永磁体固定套接在阶梯圆台筒状结构外圈，永磁体与定子外壳内壁间存在间隙；

其中，音圈电机作动器动子中的动子导向杆下部位于定子外壳内部的阶梯圆台筒状结构内；底部直线轴承与顶部直线轴承均具有空心圆柱结构，底部直线轴承上的空心圆柱结构位于定子外壳内部的阶梯圆台筒状结构内，且与动子导向杆下部套接，并与定子外壳内部的阶梯圆台筒状结构底部固连；空心圆锥结构的定子底盖套在底部直线轴承外侧，与定子外壳底部固连；顶部直线轴承上的空心圆柱结构套接在音圈电机作动器动子中动子伸出杆上，空心圆锥状的定子顶盖套接在音圈电机作动器动子中动子伸出杆上，顶部直线轴承与定子顶盖固连；定子顶盖与定子外壳顶部固连。

2.如权利要求1所述一种八杆冗余构型六自由度振动主动控制装置，其特征在于：所述连接槽A与连接槽B为V型连接槽，连接槽A中一斜面与相邻的连接槽B一斜面平行，其中每两个主动隔振机构中的上平台柔性铰链分别与连接槽A中的两个斜面相连，下平台柔性铰链分别与连接槽B的斜面相连。

3.如权利要求1所述一种八杆冗余构型六自由度振动主动控制装置，其特征在于：所述动态力传感器为石英压电式动态力传感器。

4.如权利要求1所述一种八杆冗余构型六自由度振动主动控制装置，其特征在于：所述动子导向杆与动子伸出杆均为阶梯轴状，且动子导向杆顶部有螺纹结构。