CN102168738B - 一种六自由度主被动动力吸振装置 - Google Patents

Abstract

一种六自由度主被动动力吸振装置，包括支架和六个单自由度动力吸振器。其中，六个单自由度动力吸振器以两两对称的布局与支架的三个垂直方向分别用螺钉固连，它与被控结构的连接方式有两种即内接被控结构方式和外接被控结构方式。所述的支架是一个中空的6个十字连结成正方体的金属框架结构；所述单自由度动力吸振器，包括端盖、外壳、线圈套筒、电机动子、膜片弹簧、M4螺母和M3螺钉。本发明安装于被控结构表面，有6自由度振动抑制能力，有主、被动控制模式，控制灵活、简单、响应速度快、可靠性好，能适应多自由度复杂振动抑制工况。它在航空航天技术领域里具有较好的实用价值和广阔地应用前景。

Description

一种六自由度主被动动力吸振装置

技术领域

本发明属于精密机械技术领域，具体来说，是涉及一种六自由度主被动动力吸振装置。

背景技术

在航空航天领域，工程单位通常采用桁架等轻质柔性结构设计产品，以降低产品整体重量。然而这类结构部件容易受到外部干扰而发生共振现象，使安装在结构上的有效载荷不能正常工作。因此研究开发针对这类结构的振动控制装置成为亟待解决的问题。

轻质柔性结构的振动控制主要分为主动和被动两种控制方式。被动方式结构简单，但对结构振动的作用频段和抑制能力有限；而主动控制方式对振动抑制的效果则远优于被动方式。目前针对轻柔性结构的主动控制主要在被控结构中嵌入主动元件构成智能结构的方法。然而对于航天领域大量应用的诸如盘压杆、可展开机构和充气式结构等可变形轻型结构，难以通过嵌入主动元件的方法进行振动主动控制，极大限制了这些结构的应用范围。对于这类展开、变形式结构的振动抑制问题，采用动力吸振器将是一种有效的解决手段。动力吸振器安装于被控结构上，可通过自身的阻尼消耗结构振动能量，实现振动抑制，无需改造被控结构。但传统的动力吸振装置大多为单自由度被动吸振装置，振动抑制效果有限且振动抑制带宽较窄，无法有效地抑制柔性结构的多自由度振动。为解决这一问题，研究开发多自由度主被动动力吸振装置将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，本发明提供一种六自由度主被动动力吸振装置，它克服了现有技术的不足，是一种安装于被控结构表面，无需改造被控结构，具有6自由度振动抑制能力的可靠吸振装置。

本发明一种六自由度主被动动力吸振装置，包括支架和六个单自由度动力吸振器。其中，六个单自由度动力吸振器以两两对称的布局与支架的三个垂直方向分别用螺钉固连，它与被控结构的连接方式有两种组装方式。

所述的支架是普通金属结构支架；见图2，其6个面上各设置有呈对称分布的两个M5支架连接孔；见图1，其中支架每个面上的支架连接孔与单自由度动力吸振器的连接孔通过两个M5×8的螺钉连接。支架的形状为一个中空的6个十字形连结成正方体的框架结构，两个M5支架连接孔在十字形中央。

所述单自由度动力吸振器见图4、图5、图6，包括端盖、外壳、线圈套筒、电机动子、膜片弹簧、M4螺母和M3螺钉。其中，端盖、膜片弹簧边缘与外壳端部通过M3螺钉相连；膜片弹簧边缘与线圈套筒接触连接，膜片弹簧中部与电机动子轴向连接，并由M4螺母拧紧；电机动子与线圈套筒轴向连接，与线圈套筒内壁存在间隙。该端盖为一个中空的圆锥凸台状结构件，边缘有4个均布的通孔；该外壳为两端有阶梯凹槽的空心圆筒结构，阶梯槽两端各有4个均布的M3螺纹孔，其中一端切有方形槽，外壳壁上有呈轴向对称分布的4个切面，每个切面上中部各均布有两个M5的螺纹通孔；该线圈套筒为外壁开有两个环形凹槽的空心圆筒结构，线圈套筒外圈上、下半部凹槽上分别按正反方向绕有线圈；该膜片弹簧为中部镂空的圆形薄片，边缘有4个均布的连接通孔；该M4螺母和M3螺钉为市购标准件。该电机动子包括动子导向杆、铁块、永磁铁和衬套。动子导向杆从两端向中部依次安装有衬套、铁块和永磁铁。动子导向杆、铁块、永磁铁和衬套之间紧密连接。该动子导向杆为圆柱形细长杆结构，两端各设置有M4螺纹；该永磁铁为空心圆柱形结构，是市购产品；该铁块为空心圆柱形结构件；该衬套为空心圆柱形结构件。

其中，该装置与被控结构的连接方式有两种是：内接被控结构方式和外接被控结构方式。

其中，该支架的数量为一套；

其中，该单自由度动力吸振器的数量为6套；

其中，单自由度吸振器与支架的连接用螺钉为M5×8，数量共12件；

其中，单自由度吸振器的端盖与外壳的连接用螺钉为M3×5，数量共48件；

其中，该M4螺母的数量共12件；

本发明的工作过程为：首先将本发明按照与被控结构的安装方式进行组装，并安装于被控结构上。本发明有主动和被动两种抑振控制模式。主动抑振模式是利用被控结构上的传感器测得振动的信号，通过抑振控制算法控制装置的6个单自由度动力吸振器的线圈的电流实现；被动抑振模式是通过将装置的6个单自由度动力吸振器的线圈外接电阻实现。沿装置某个轴向方向上，当两个对称分布的单自由度动力吸振器同向运动时，能抑制被控结构沿该轴向方向上的平动振动；当两个对称分布的单自由度动力吸振器反向运动时，能抑制被控结构围绕吸振器运动平面法线轴的转动振动。通过上述工作过程，实现对被控结构的三个平动、三个转动自由度的振动抑制。

通过上述结构组成的六自由度主被动动力吸振装置，具有六自由度全方位的振动抑制能力。该吸振装置根据与被控结构的连接方式由两种组装方式：内接被控结构和外接被控结构。其单自由度吸振器采用电磁式作动方式，依靠控制缠绕在线圈套筒上的线圈电流实现主被动控制，具有响应速度快、定位精度高、可靠性好的特点，可使本发明进行有效的振动控制。

本发明的优点在于：

(1)本发明安装于被控结构表面，无需改造被控结构，较嵌入式智能结构具有广阔的应用前景。

(2)本发明具有6自由度振动抑制能力，能适应多自由度复杂振动抑制工况。

(3)本发明中的吸振器具有主、被动控制模式。通过控制线圈电流实现主动控制；通过将线圈外接电阻即能实现被动抑振。控制模式灵活、简单、响应速度快、可靠性好。

(4)本发明中的吸振器，采用动磁铁、定线圈的作动方式，较传统动线圈、定磁铁的作动方式，有效利用了磁铁的自身重量，降低了整个装置的设计重量。

附图说明

图1(a)为内接被控结构的组装方式示意图；

图1(b)为外接被控结构的组装方式示意图；

图2为支架的示意图；

图3为单自由度动力吸振器的示意图；

图4为单自由度动力吸振器的剖面图；

图5为单自由度动力吸振器的结构***图；

图6为电机动子结构***图；

图7(a)平动抑振控制示意图；

图7(b)转动抑制控制示意图。

图中符号说明如下：

1.支架

2.单自由度动力吸振器

1A.支架连接孔2B.单自由度动力吸振器连接孔

2-1.端盖；2-2.外壳；2-3.线圈套筒；2-4.电机动子；2-5.膜片弹簧；2-6.M4螺母；2-7.M3螺钉。

2-4-1.动子导向杆；2-4-2.铁块；2-4-3.永磁铁；2-4-4.衬套。

F动力吸振器产生的作用力。

M动力吸振器产生的作用力矩。

具体实施方式

下面结合附图来对本发明作出进一步说明。

本发明一种六自由度主被动动力吸振装置，包括支架1和六个单自由度动力吸振器2。其中，六个单自由度动力吸振器2以两两对称的布局与支架1的三个垂直方向的连接孔用M5×8的螺钉固连。如图1所示，根据与被控结构的连接方式有两种组装方式：图1(a)的内接被控结构和图1(b)的外接被控结构。

如图2、图3所示，所述的支架6个面上中部各设置有呈对称分布的2个M5连接孔1A；其中支架每个面上的连接孔1A与单自由度动力吸振器2的连接孔2B通过2个M5×8的螺钉连接。支架的形状为中空的6个十字连结成一个正方体的金属框架结构。

如图4、图5所示，所述单自由度动力吸振器包括端盖2-1、外壳2-2、线圈套筒2-3、电机动子2-4、膜片弹簧2-5、M4螺母2-6和M3螺钉2-7。其中，端盖2-1、膜片弹簧边缘2-5与外壳2-2端部通过8个M3×5的螺钉2-7相连；膜片弹簧2-5的边缘与线圈套筒2-3接触连接，膜片弹簧2-5中部与电机动子2-4轴向连接，并由M4螺母2-6拧紧；电机动子2-4与线圈套筒2-3轴向连接，与线圈套筒2-3内壁存在间隙。该端盖2-1为一个中空的圆锥凸台状结构件，边缘有4个周向均布的直径3mm的通孔；外壳2-2为两端有阶梯凹槽的空心圆筒结构，阶梯槽两端各有4个均布的M3螺纹孔，其中一端切有方形槽，外壳壁上有呈轴向对称分布的4个切面，每个切面上各有2个打通的M5螺纹连接孔2B；线圈套筒2-3为外壁开有两个环形凹槽的空心圆筒结构，线圈套筒外圈上、下半部凹槽上分别按正反方向绕有线圈；膜片弹簧2-5为中部镂空的圆形薄片，采用无磁不锈钢的材料，边缘有4个均布的直径3mm的连接通孔；M4螺母2-6和M3螺钉2-7为市购标准件。

如图4、图6所示，所述电机动子2-4包括动子导向杆2-4-1、铁块2-4-2、永磁铁2-4-3和衬套2-4-4。沿动子导向杆2-4-1从两端向中部依次安装有衬套2-4-4、铁块2-4-2和永磁铁2-4-3。动子导向杆2-4-1、铁块2-4-2、永磁铁2-4-3和衬套2-4-4之间紧密连接。动子导向杆2-4-1为圆柱形细长杆结构，两端各攻有长度为8mm的M4螺纹；铁块2-4-2为空心圆柱形结构件，外形尺寸为直径28mm，厚度10mm，中间通孔直径为4.5mm；永磁铁2-4-3为空心圆柱形结构，其材料为钕铁硼合金，是市购产品；衬套2-4-4为空心圆柱形结构件，外形尺寸为外径35mm，内径30mm，高度87mm，侧面上下部各开1.25mm深、30mm宽的环形槽。

其中，该支架1的数量为一套；

其中，该单自由度动力吸振器2的数量为6套；

其中，单自由度吸振器2与支架1的连接用螺钉为M5×8，数量共12件；

其中，单自由度吸振器2的端盖2-1与外壳2-2的连接用螺钉为M3×5，数量共48件；

其中，该M4螺母的数量共12件；

本发明的工作过程为：首先将本发明按照与被控结构的安装方式图1(a)内接式或图1(b)外接式两种安装在支架1上，并将装置安装于被控结构上。本发明有主动和被动两种抑振控制模式。主动抑振模式是利用被控结构上的传感器测得振动的信号，通过抑振控制算法控制装置的6个单自由度动力吸振器2的线圈电流实现；被动抑振模式是通过将装置的6个单自由度动力吸振器2的线圈外接电阻实现。沿该装置某个轴向方向上，如图7(a)所示，当两个对称分布的单自由度动力吸振器2同向运动时，产生作用力F，能抑制被控结构沿该轴向方向上的平动振动；如图7(b)所示，当两个对称分布的单自由度动力吸振器2反向运动时，产生作用力矩M，能抑制被控结构围绕吸振器运动平面法线轴的转动振动。通过上述工作过程，实现对被控结构的三个平动、三个转动自由度的振动抑制。

通过上述结构组成的六自由度主被动动力吸振装置，具有六自由度全方位的振动抑制能力。该吸振装置根据与被控结构的连接方式由两种组装方式：图1(a)的内接被控结构和图1(b)的外接被控结构。其单自由度吸振器2采用电磁式作动方式，依靠控制缠绕在线圈套筒2-3上的线圈电流实现主被动控制，具有响应速度快、定位精度高、可靠性好的特点，可使本发明进行有效的振动控制。它在航空航天技术领域里具有较好的实用价值和广阔地应用前景。

Claims (5)

1.一种六自由度主被动动力吸振装置，其特征在于：它包括支架和六个单自由度动力吸振器；六个单自由度动力吸振器以两两对称的布局与支架的三个垂直方向分别用螺钉固连，该单自由度动力吸振器与被控结构的连接方式有两种：内接被控结构方式和外接被控结构方式；

所述的支架是普通金属结构支架，其6个面上各设置有呈对称分布的两个M5支架连接孔；其中支架每个面上的两个M5支架连接孔与单自由度动力吸振器通过M5的螺钉连接，支架的形状为一个中空的6个十字形连结成正方体的框架结构，两个M5支架连接孔在十字形中央；

所述单自由度动力吸振器，包括端盖、外壳、线圈套筒、电机动子、膜片弹簧、M4螺母和M3螺钉；端盖、膜片弹簧边缘与外壳端部通过M3螺钉相连；膜片弹簧边缘与线圈套筒接触连接，膜片弹簧中部与电机动子轴向连接，并由M4螺母拧紧；电机动子与线圈套筒轴向连接，与线圈套筒内壁存在间隙；该端盖为一个中空的圆锥凸台状结构件，边缘有4个均布的通孔；该外壳为两端有阶梯凹槽的空心圆筒结构，阶梯槽两端各有4个均布的M3螺纹孔，其中一端切有方形槽，外壳壁上有呈轴向对称分布的4个切面，每个切面上中部各均布有两个M5的螺纹通孔；该线圈套筒为外壁开有两个环形凹槽的空心圆筒结构，线圈套筒外圈上、下半部凹槽上分别按正反方向绕有线圈；该膜片弹簧为中部镂空的圆形薄片，边缘有4个均布的连接通孔；该M3螺钉和M4螺母为标准件；该电机动子包括动子导向杆、铁块、永磁铁和衬套，动子导向杆从两端向中部依次安装有衬套、铁块和永磁铁，动子导向杆、铁块、永磁铁和衬套之间紧密连接；该动子导向杆为圆柱形细长杆结构，两端各设置有M4螺纹；该永磁铁为空心圆柱形结构市购件；该铁块为空心圆柱形结构件；该衬套为空心圆柱形结构件。

2.根据权利要求1所述的一种六自由度主被动动力吸振装置，其特征在于：该支架的数量为一套。

3.根据权利要求1所述的一种六自由度主被动动力吸振装置，其特征在于：该单自由度动力吸振器与支架的连接用螺钉为M5×8，数量共12件。

4.根据权利要求1所述的一种六自由度主被动动力吸振装置，其特征在于：该单自由度动力吸振器的端盖与外壳的连接用螺钉为M3×5，数量共48件。

5.根据权利要求1所述的一种六自由度主被动动力吸振装置，其特征在于：该M4螺母的数量共12件。 

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