CN103727167B - 一种用于微振动控制的智能隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于微振动控制的智能隔振器，其具有外壳（1）、磁流变弹性体（2）、力输出杆（3）、滑动轴承（4）、盖板（5）、导磁质量块（6）、压电陶瓷堆（7）、压紧螺母（8）、连接座（9）、钢球（10）和线圈（11），该智能隔振器采用磁流变弹性体与压电陶瓷堆串联形式，根据激励频率大小，通过切换控制选择压电陶瓷堆和磁流变弹性体的工作状态，实现振动的半主动/全主动两级隔振。本发明兼顾了稳定性和可控性以及压电陶瓷堆隔振器动态特性好、输出力大的优点，可以实现包括超低频在内的全频段微振动的有效衰减，解决精密加工不确定激励引起的振动问题，同时减小隔振器体积和质量。

Description

一种用于微振动控制的智能隔振器

技术领域

本发明涉及振动控制技术，具体涉及一种对精密加工过程中的微振动进行振动抑制的器件。

背景技术

微振动对精密加工和精密测量造成的不良影响日益突出，近年来受到广泛关注。虽然其振动位移相当微小,在微米量级,加速度在毫米每平方秒量级,但该微振动足以对精密加工生产及其振动敏感产品的工作造成非常严重的影响。如集成电路制造的关键设备—光刻机的最小光刻线宽受到曝光机镜头和工件台的振动状态制约，造成分辨率无法提高；光学干涉显微镜和扫描电子显微镜等电镜类精密光学仪器的分辨率为微米、亚微米级，环境微振动会导致测试结果错误，甚至仪器损坏。精密加工和精密测量过程中的微振动干扰不仅有来自地面、台面仪器设备运转，还有空调气流及实验室人员走动等，振动干扰频率范围宽。其中地面振动由地球自转、地壳变化等因素造成，振幅一般在几十到几百纳米，振动频率在0-1Hz；建筑物本身摆动频率一般在10-100Hz之间；通风管道、变压器和马达所引起的振动在6-65Hz之间；实验室人员走动所引起的振动频率在1-3Hz。

而现有微振动控制主要采用被动隔振技术（如橡胶、气垫等材料），对高频干扰有着很好的隔离效果，但结构庞大、低频抑制效果差；主动隔振（如压电执行器）对低频干扰控制效果明显，但能量消耗大，稳定性差，高频抑制效果不理想。由于精密加工平台环境存在各种频率的干扰，因此，采用现有的微振动控制方法无法获得理想的微振动抑制效果。

发明内容

为了克服被动隔振技术低频抑制效果差，主动隔振能量消耗大和稳定性差，高频抑制效果不理想的不足，本发明提出采用磁流变弹性体和压电陶瓷材料设计一种半主动/全主动可切换控制智能隔振器，兼顾稳定性和可控性以及压电陶瓷堆隔振器动态特性好、输出力大的优点，实现包括超低频在内的全频段微振动的有效衰减，解决精密加工不确定激励引起的振动问题，同时减小隔振器体积和质量。

本发明的技术方案如下：

本发明提出一种用于微振动控制的智能隔振器，所述智能隔振器采用磁流变弹性体与压电陶瓷堆串联形式，根据激励频率大小，通过切换控制选择压电陶瓷堆和磁流变弹性体的工作状态，实现振动的半主动/全主动两级隔振；所述智能隔振器具有外壳、磁流变弹性体、力输出杆、滑动轴承、盖板、导磁质量块、压电陶瓷堆、压紧螺母、连接座、钢球和线圈，各部件的装配关系为：

外壳，其一端为法兰盘状，法兰盘上设置有螺栓孔；

导磁质量块,装于外壳中，其中间部分与外壳之间留有空间，导磁质量块具有中心通孔；

磁流变弹性体,为环状体，分别嵌装在导磁质量块两端的外周，磁流变弹性体的外周又嵌装在外壳的内壁环槽中，由此将导磁质量块与外壳连接起来；

线圈，装在导磁质量块的中间部分之外；

压电陶瓷堆，装在导磁质量块的中心通孔中；

连接座,装在压电陶瓷堆上下两端；

钢球，在上下连接座上各设置一个；

力输出杆,一端穿入导磁质量块的中心通孔中，压在其中一个钢球上，另一端穿出导磁质量块的中心通孔，并从外壳的法兰盘相对一端穿出；

滑动轴承,装在力输出杆与中心通孔之间；

盖板,盖在滑动轴承外端，固定滑动轴承，所述力输出杆通过滑动轴承与盖板穿出；

压紧螺母，装在导磁质量块中心通孔中，压紧另一个钢球。

本发明提出采用磁流变弹性体和压电陶瓷材料设计一种半主动/全主动可切换控制智能隔振器，相当于将一组刚度与阻尼在一定范围内可任意调节的被动隔振器与全主动隔振器相结合，利用磁流变弹性体隔振器由外加磁场改变结构刚度和阻尼参数，兼顾稳定性和可控性以及压电陶瓷隔振器动态特性好、输出力大的优点，实现了包括超低频在内的全频段微振动的有效衰减，解决精密加工不确定激励引起的振动问题，同时减小隔振器体积和质量。

附图说明

图1是智能隔振器的结构示意图；

图2是在精密加工平台上使用本发明的智能隔振器的隔振结构示意图。

图中，1-外壳,2-磁流变弹性体,3-力输出杆,4-滑动轴承,5-盖板,6-导磁质量块,7-压电陶瓷堆,8-压紧螺母,9-连接座,10-钢球，11-线圈，12-基座，13-隔振支柱，14-加工平台，15-精密加工设备，16-地面振动。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的结构和原理做进一步说明：

参见图1，该智能隔振器结构采用磁流变弹性体与压电陶瓷堆串联形式，根据激励频率大小，通过切换控制方法选择压电陶瓷堆和磁流变弹性体的工作状态，实现振动的半主动/全主动两级隔振。其中1为外壳,2为磁流变弹性体,3为力输出杆,4为滑动轴承,5为盖板,6为导磁质量块,7为压电陶瓷堆,8为压紧螺母,9为连接座,10为钢球，11为线圈。

具体结构如下：

外壳1为筒体结构，其一端为法兰盘状，法兰盘上设置有螺栓孔，用于与需要隔振的设备固定。

导磁质量块6装于外壳1中，两端大，中间部分与外壳1之间留有空间，用于安装线圈11，导磁质量块6具有中心通孔，用于装压电陶瓷堆7等。

磁流变弹性体2为环状体，环状体的内圈部分分别嵌装在导磁质量块6两端的外周的环槽中，磁流变弹性体2的外周又嵌装在外壳1的内壁环槽中，由此将导磁质量块6与外壳（1）连接起来。

分别嵌装在导磁质量块6两端的外周，并与外壳1连接固定。

线圈11装在导磁质量块6的中间部分的外周。

压电陶瓷堆7装在导磁质量块6的中心通孔中，其上下两端分别安装有连接座9。在上、下连接座9上又各设置有一个钢球10。压紧螺母8装在导磁质量块6的中心通孔中，压紧其中一个钢球10。

力输出杆3一端穿入导磁质量块6的中心通孔中，压在另一个钢球10上，力输出杆3的另一端穿出导磁质量块6的中心通孔，并从外壳1的法兰盘相对一端穿出。并且在力输出杆3与导磁质量块6的中心通孔之间设置滑动轴承4，滑动轴承4外端由盖板5盖住固定，使得力输出杆3通过滑动轴承4与盖板5穿出于外壳1。

参见图2，本发明通过将图1所示的智能隔振器结构安装在加工平台14下，作为隔振支柱13，并列设置多个，精密加工设备15安装在加工平台上，智能隔振器通过法兰盘端的螺栓孔由螺栓与加工平台14固定，力输出杆3下端支撑在基座12上，通过此智能隔振器作为隔振支柱，可以隔离地面和加工设备引起的全频振动，工作原理如下：

当激励频率为低频信号时，采用压电陶瓷堆7作为主动振动执行器，此时对磁流变弹性体2不施加电流控制，其刚度不变，为被动隔振装置。当激励位移受到隔振对象的约束时将产生作用力，此时给压电陶瓷堆7输入一定控制电压，压电陶瓷堆7在控制电压驱动下，产生轴向位移推动力输出杆3，与激振力相抵消，从而实现振动抑制。其中钢球10用于消除安装不平衡时产生的弯曲力矩，保护压电陶瓷堆不被损坏。

当激励频率为高频信号时，采用磁流变弹性体半主动控制，此时压电陶瓷堆执行器作为一个刚度不变的刚性器件。磁流变弹性体2工作于剪切模式下，当线圈11通以励磁电流时，导磁质量块6、磁流变弹性体2、外壳1形成闭合磁路，在磁场的控制下，磁流变弹性体的剪切储能模量和损耗模量发生改变，从而引起结构的刚度和阻尼特性发生改变，***的共振频率和振动衰减率也发生变化，针对不同频率和幅值的振动激励，设计相应的控制算法，得到不同大小的励磁电流从而实现高频振动抑制。

Claims (2)

1.一种用于微振动控制的智能隔振器，其特征在于，所述智能隔振器采用磁流变弹性体与压电陶瓷堆串联形式，根据激励频率大小，通过切换控制选择压电陶瓷堆和磁流变弹性体的工作状态，实现振动的半主动/全主动两级隔振；所述智能隔振器具有：

外壳（1），其一端为法兰盘状，法兰盘上设置有螺栓孔；

导磁质量块（6）,所述导磁质量块装于外壳（1）中，其中间部分与外壳之间留有空间，导磁质量块（6）具有中心通孔；

磁流变弹性体（2）,所述磁流变弹性体（2）为环状体，分别嵌装在导磁质量块（6）两端的外周，磁流变弹性体（2）的外周又嵌装在外壳（1）的内壁环槽中，由此将导磁质量块（6）与外壳（1）连接起来；

线圈（11），所述线圈（11）装在导磁质量块（6）的中间部分之外；

压电陶瓷堆（7），所述压电陶瓷堆（7）装在导磁质量块（6）的中心通孔中；

连接座（9）,所述连接座（9）装在压电陶瓷堆（7）上下两端；

钢球（10），所述钢球（10）在上下连接座（9）上各设置一个；

力输出杆（3）,所述力输出杆（3）一端穿入导磁质量块（6）的中心通孔中，压在其中一个钢球（10）上，另一端穿出导磁质量块（6）的中心通孔，并从外壳（1）的法兰盘相对一端穿出；

压紧螺母（8），所述压紧螺母（8）装在导磁质量块（6）的中心通孔中，压紧另一个钢球（10）。

2.根据权利要求1所述的用于微振动控制的智能隔振器，其特征在于，所述智能隔振器还包括有：

滑动轴承（4）,所述滑动轴承（4）装在力输出杆（3）与导磁质量块（6）的中心通孔之间；

盖板（5）,所述盖板（5）盖在滑动轴承（4）外端，固定滑动轴承（4）；

所述力输出杆（3）通过滑动轴承（4）与盖板（5）穿出。