CN106286693A - 一种适用于大振幅和宽频带的主被动一体化减隔振装置 - Google Patents

一种适用于大振幅和宽频带的主被动一体化减隔振装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于大振幅和宽频带的主被动一体化减隔振装置，包括复合弹性位移放大机构、安装在复合弹性位移放大机构内的压电陶瓷驱动器、振动控制器、功率放大器和传感器；复合弹性位移放大机构为六边形结构，包括两条相对且长度相等的短边和四条长度相等的长边；复合弹性位移放大机构的四条长边上均设置有阻尼层；复合弹性位移放大机构其中一组相邻的两条长边交点为用于支撑固定被隔振试件的刚性上端部，传感器安装在被隔振试件上，传感器、振动控制器、功率放大器和压电陶瓷驱动器依次电连接。本发明中阻尼层及复合弹性位移放大机构与压电陶瓷驱动器的主动隔振配合，实现精密仪器设备的较大振幅和宽频带的主被动一体化减振。

Description

一种适用于大振幅和宽频带的主被动一体化减隔振装置
技术领域
本发明属于振动控制领域，尤其涉及一种适用于大振幅和宽频带的主被动一体化减隔振装置。
背景技术
从民用工业到国防领域，很多仪器设备(比如光刻机、机床、仪器仪表、航天***、武器***、天文望远镜、建筑桥梁、文物等等)对振动环境的要求越来越苛刻，必须对这些仪器设备进行振动隔离或减振处理。在众多应用领域中，学术界和工业界对精密仪器设备的微振动控制或抑制需求越来越强烈。
减振隔振的应用领域非常宽广，不同应用领域的隔振技术特点和方法差异较大。概括起来，目前公知的隔振方法主要有三种类型：通过在原结构中增加阻尼材料和弹簧原件的被动隔振；通过控制的方法改变***阻尼和刚度参数进而实现振动抑制的半主动隔振；通过能量注入和一定的振动控制策略实现振动抑制的主动振动控制。针对精密仪器设备(例如精密光学***、航天器摄像头等)的振动抑制，其特点是振动幅值相对较小，频率范围宽，低至0.01Hz，而且振动控制精度要求较高，常规的被动隔振技术限于低频效果差、体积和重量大等不足，很难直接应用于精密仪器设备的减隔振。
目前，常见的主动振动控制中的执行机构一般为压电驱动器、磁致伸缩驱动器、气动/液压驱动器或电磁驱动器等。其中压电驱动器利用逆压电效应原理，在压电晶体上施加交变电场，压电晶体就会在某一方向上产生交变的机械应变，实现振动输出，由于其优良的性能，例如：激振原理简单、输出力大、分辨力能达到纳米量级，成为精密振动控制的很好选择。但是压电驱动器的输出位移很小，一般只有几十微米，不能直接用于振动幅值较大的场合。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题，针对精密仪器设备的减振致稳，而提供一种适用于大振幅和宽频带的主被动一体化减隔振装置。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种适用于大振幅和宽频带的主被动一体化减隔振装置，包括复合弹性位移放大机构、安装在所述复合弹性位移放大机构内的压电陶瓷驱动器、振动控制器、功率放大器和传感器；
所述复合弹性位移放大机构为六边形结构，所述复合弹性位移放大机构包括两条相对且长度相等的短边和四条长度相等的长边，所述压电陶瓷驱动器的两端分别与所述复合弹性位移放大机构的两条短边刚性连接；
所述复合弹性位移放大机构的四条长边上均设置有阻尼层；
所述复合弹性位移放大机构其中一组相邻的两条长边交点为用于支撑固定被隔振试件的刚性上端部，所述复合弹性位移放大机构另外一组相邻的两条长边交点为刚性下端部；
所述传感器安装在所述被隔振试件上，所述传感器的信号输出端通过信号线与所述振动控制器的信号输入端电连接，所述振动控制器的信号输出端与所述功率放大器的信号输入端电连接，所述功率放大器的信号输出端通过压电陶瓷电源线与所述压电陶瓷驱动器电连接。
优选地，所述复合弹性位移放大机构的四条长边在厚度方向上均采用相同的多根柔性臂组成的叠层结构，相邻两层所述柔性臂之间设置有所述阻尼层。
优选地，所述压电陶瓷驱动器为堆叠型压电陶瓷结构或封装压电陶瓷结构。
优选地，所述传感器为位移传感器、加速度传感器或者力传感器。
优选地，所述阻尼层为橡胶阻尼层或者聚合物阻尼层。
优选地，所述刚性上端部和所述刚性下端部均设置有螺纹孔。
优选地，所述阻尼层采用自由阻尼材料或约束阻尼材料的结构阻尼形式嵌入到所述复合弹性位移放大机构中。
本发明的有益效果在于：
本发明可实现精密仪器设备的较大振幅和宽频带的主被动一体化减振，阻尼层嵌入到复合弹性位移放大机构中，与压电陶瓷驱动器的主动隔振配合，实现宽频带振动控制，此外复合弹性位移放大机构还将压电陶瓷驱动器的输出位移放大，从而确保了较大振幅的振动输出，具有推广使用的价值。
附图说明
图1是本发明的结构原理图；
图2是本发明所述复合弹性位移放大机构的结构示意图；
图中：1-压电陶瓷驱动器，2-复合弹性位移放大机构，3-阻尼层，4-柔性臂，5-柔性臂，6-螺纹孔，7-刚性上端部，8-刚性下端部，9-压电陶瓷电源线，10-被隔振试件，11-传感器，12-信号线，13-振动控制器，14-功率放大器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1和图2所示，本发明包括复合弹性位移放大机构2、安装在复合弹性位移放大机构2内的压电陶瓷驱动器1、振动控制器13、功率放大器14和传感器11，压电陶瓷驱动器1可以为堆叠型压电陶瓷结构或封装压电陶瓷结构，传感器11为位移传感器、加速度传感器或者力传感器。
压电陶瓷驱动器1用于产生与振动干扰相反的振动信号。复合弹性位移放大机构2的功能主要有三个：用于放大压电陶瓷驱动器1的输出位移和固定压电陶瓷驱动器1；用于支撑和固定被隔振试件10；用于装载阻尼层3。
复合弹性位移放大机构2为在公知的菱形柔性机构的基础之上改进的弹性机构，为六边形结构，复合弹性位移放大机构2包括两条相对且长度相等的短边和四条长度相等的长边，压电陶瓷驱动器1的两端分别与复合弹性位移放大机构2的两条短边刚性连接，复合弹性位移放大机构2的四条长边上均设置有阻尼层3。
复合弹性位移放大机构2其中一组相邻的两条长边交点为用于支撑固定被隔振试件10的刚性上端部7，复合弹性位移放大机构2另外一组相邻的两条长边交点为刚性下端部8，刚性上端部7和刚性下端部8均设置有螺纹孔6，被隔振试件10即为精密仪器设备，被隔振试件10连接在刚性上端部7的螺纹孔6处，刚性下端部8通过其上的螺纹孔6刚性连接到含有振动源的基底上。
传感器11安装在被隔振试件10上，传感器11的信号输出端通过信号线12与振动控制器13的信号输入端电连接，振动控制器13的信号输出端与功率放大器14的信号输入端电连接，功率放大器14的信号输出端通过压电陶瓷电源线9与压电陶瓷驱动器1电连接。
复合弹性位移放大机构2的四条长边在厚度方向上均采用相同的多根柔性臂组成的叠层结构(一般选择两到三层，在本专利中的附图体现出了两层，两根柔性臂标号分别为4和5)，各叠层间存在一定间距，间隙中间设置有阻尼层3，叠层间距根据输出位移大小和固有频率大小选择。
根据振动幅值和频率等指标要求，复合弹性位移放大机构2的四条长边柔性梁与刚性上端部7的连接处，以及四条长边与刚性下端部8的连接处，可以设置柔性铰链，这些柔性铰链可以为公知的圆形柔性铰链、椭圆形柔性机构或直圆形柔性铰链。
阻尼层3为橡胶阻尼层3或者聚合物阻尼层3。阻尼层3采用自由阻尼材料或约束阻尼材料的结构阻尼形式嵌入到复合弹性位移放大机构2中。
自由阻尼材料的结构阻尼形式即为将阻尼材料直接通过灌注或粘贴的方式以公知的自由阻尼层3结构形式粘贴到复合弹性位移放大机构2的柔性梁间隙中；阻尼材料也可以直接通过灌注或粘贴的方式以公知的自由阻尼层3结构形式粘贴到复合弹性位移放大机构2柔性梁的外边缘或内边缘。
约束阻尼材料的结构阻尼形式即为将阻尼材料与硬质片(为钢片、铝片或铜片)组成公知的约束阻尼层3结构粘贴到复合弹性位移放大机构2的柔性梁间隙中；阻尼材料也可与硬质片(为钢片、铝片或铜片)组成公知的约束阻尼层3结构粘贴到复合弹性位移放大机构2柔性梁的外边缘或内边缘。
本发明的减震原理如下：
当外界有振动干扰时，一方面复合弹性位移放大机构2中的阻尼层3与复合弹性位移放大机构2组成的结构阻尼衰减掉部分振动能量，尤其是中高频的振动能量衰减效果更佳；另一方面，传感器11感测到传递到被隔振试件10上的振动信号，通过信号线12传递给振动控制器13，通过一定的振动控制策略，振动控制器13输出的驱动信号接入功率放大器14，功率放大器14输出信号用于驱动压电陶瓷驱动器1运动，产生与振动源信号相反的振动输出，进而实现振动的隔离和衰减。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种适用于大振幅和宽频带的主被动一体化减隔振装置，包括复合弹性位移放大机构和安装在所述复合弹性位移放大机构内的压电陶瓷驱动器，其特征在于：还包括振动控制器、功率放大器和传感器；
所述复合弹性位移放大机构为六边形结构，所述复合弹性位移放大机构包括两条相对且长度相等的短边和四条长度相等的长边，所述压电陶瓷驱动器的两端分别与所述复合弹性位移放大机构的两条短边刚性连接；
所述复合弹性位移放大机构的四条长边上均设置有阻尼层；
所述复合弹性位移放大机构其中一组相邻的两条长边交点为用于支撑固定被隔振试件的刚性上端部，所述复合弹性位移放大机构另外一组相邻的两条长边交点为刚性下端部；
所述传感器安装在所述被隔振试件上，所述传感器的信号输出端通过信号线与所述振动控制器的信号输入端电连接，所述振动控制器的信号输出端与所述功率放大器的信号输入端电连接，所述功率放大器的信号输出端通过压电陶瓷电源线与所述压电陶瓷驱动器电连接。
2.根据权利要求1所述的适用于大振幅和宽频带的主被动一体化减隔振装置，其特征在于：所述复合弹性位移放大机构的四条长边在厚度方向上均采用相同的多根柔性臂组成的叠层结构，相邻两层所述柔性臂之间设置有所述阻尼层。
3.根据权利要求1所述的适用于大振幅和宽频带的主被动一体化减隔振装置，其特征在于：所述压电陶瓷驱动器为堆叠型压电陶瓷结构或封装压电陶瓷结构。
4.根据权利要求1所述的适用于大振幅和宽频带的主被动一体化减隔振装置，其特征在于：所述传感器为位移传感器、加速度传感器或者力传感器。
5.根据权利要求1所述的适用于大振幅和宽频带的主被动一体化减隔振装置，其特征在于：所述阻尼层为橡胶阻尼层或者聚合物阻尼层。
6.根据权利要求1所述的适用于大振幅和宽频带的主被动一体化减隔振装置，其特征在于：所述刚性上端部和所述刚性下端部均设置有螺纹孔。
7.根据权利要求1所述的适用于大振幅和宽频带的主被动一体化减隔振装置，其特征在于：所述阻尼层采用自由阻尼材料或约束阻尼材料的结构阻尼形式嵌入到所述复合弹性位移放大机构中。
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