CN107943128B - 一种多自由度的音圈隔振抑振结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多自由度音圈隔振抑振结构及其控制方法，以两个作动器组成隔振抑振结构，将安装平台和基座串联起来，每个作动器由两个音圈电机与两片膜簧组成；当启用上音圈电机时，可以在安装平台与作动器的过渡平台之间提供一个负刚度，与下部膜簧的正刚度串联起来，理论上可以使结构整体刚度趋于无穷大，从而抑制安装平台带来的直接干扰；当启动下音圈电机时，提供一个可变阻尼，使基座振动在传递到作动器过渡平台时就得到良好的隔离，减弱甚至消除由下部膜簧柔性引起的低频共振，从而大幅削弱基座宽带振动对安装平台上高精密设备的影响。

Description

一种多自由度的音圈隔振抑振结构及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种多自由度的音圈隔振抑振结构及其控制方法，属于主动控制技术领域。

背景技术

随着科学技术的高速发展，高精密仪器设备越发广泛的应用在航空航天领域，与之相应的则是对其安装结构隔振性能与抗干扰能力要求的进一步提高，传统的被动隔振结构已逐渐满足不了需求，于是主动控制技术应运而生。

通常，高精密设备及其安装结构需要面对两方面的干扰因素，一是设备自身带来的直接干扰，如由设备重量变化引起的干扰力、自身携带陀螺工作时带来的干扰力等；另一种则是来自于结构基座传递而来的振动干扰。如果需要抑制直接干扰，需要结构有较高的刚度，而如果要隔离基座振动，则是需要结构有较高的柔性。这两方面的需求往往相互矛盾，不可兼得，会顾此失彼。此外，空间环境中的扰动，往往是多自由度的，这也提出了新的需求。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，克服现有技术无法同时隔振抑振的不足，提供一种多自由度的音圈隔振抑振结构及其控制方法，大幅削弱基座带宽振动对安装平台上的精密设备的影响。

本发明技术解决方案：一种多自由度的音圈隔振抑振结构及其控制方法，安装平台和基座之间通过两对完全相同的作动器串联起来，两个作动器均有一个过渡平台。单个作动器则是由两个音圈电机和两片膜簧组串联成，膜簧起到弹簧与铰链的作用，在起到支撑作用的情况下，既提供了轴向刚度，又提供了一定的转动角度，可隔离平动和转动等多自由度的振动扰动。对于结构整体而言，当启用两个作动器的上音圈电机时，可以在安装平台和其各自的过渡平台之间提供一个负刚度，与下膜簧提供的正刚度串联起来，理论上可以使结构整体刚度趋于无穷大，从而抑制直接干扰。而当启用两个作动器的下音圈电机时，可以提供一个可变阻尼，使基座振动在传递到各作动器过渡平台时就得到良好的隔离，减弱甚至消除由下膜簧柔性引起的低频共振，从而大幅削弱基座带宽振动对安装平台上的精密设备的影响。而该结构则可以通过组装，进一步构成Hexapod构型的平台，起到更好的振动隔离/抑制的作用。

具体结构为：本发明采用两个作动器将安装平台和基座串联起来，每个作动器包括：动力部分、支撑结构和测量部分；支撑结构用于提供并保持动力部分初始状态，便于其运动，测量部分用于测量动力部分的运动情况；

所述动力部分包括：各作动器中的上音圈电机和下音圈电机，所述上音圈电机包括上音圈电机线圈和上音圈电机磁体，所述上音圈电机线圈与所述作动杆固定连接，所述上音圈电机磁体与过渡平台固定连接，上音圈电机线圈位于上音圈电机磁体内部的环形槽中，通过膜簧支撑起来；下音圈电机包括下音圈电机线圈和下音圈电机磁体，下音圈电机线圈与过渡平台固定连接，下音圈电机磁体与外部总体结构中的基座固定连接，下音圈电机线圈位于下音圈电机磁体内部的环形槽中，通过膜簧支撑；

支撑结构包括：过渡平台、电机底座、支撑柱、作动杆、连接块、压槽、压片和膜簧；电机底座将各作动器固定安装在基座上；四个支撑柱以90°的夹角均匀分布安装在电机底座和过渡平台上，支撑柱上安装压槽，通过压片分别将膜簧外圈固定安装在电机底座与过渡平台上；膜簧内圈通过连接块，分别将下音圈电机线圈与过渡平台、上音圈电机线圈与作动杆固定连接；作动杆分别将两个作动器与安装平台固定连接；膜簧除了提供轴向位移外，还能进行小角度的翻转，从而能进行包括平动和转动的多个自由度的隔振/抑振；过渡平台在上下音圈电机运动下可在安装平台与基座之间相对运动；

测量部分包括：相对位移传感器、速度传感器和传感器支架；相对位移传感器通过传感器支架安装在作动杆上；速度传感器固定在过渡平台外边缘；测量部分的输出提供给外部控制器。

所述的音圈电机均采用型号为LA34-37-000A的音圈电机，其响应带宽大、无滞后、可靠性高。

所述的膜簧由铍青铜片(QBe2)切花制成，具有较好力学性能。

所述安装平台、过渡平台、基座、电机底座、支撑柱和作动杆均用45钢材料制造，连接块、压槽、压片采用铝合金制造。

所述相对位移传感器的型号为CWY-D0-502，速度传感器的型号为CS-YD-004，测量精度高。

本发明一种多自由度音圈隔振抑振结构的控制方法，包括：各作动器中上音圈电机的控制方法和下音圈电机的控制方法：

所述上音圈电机的控制方法为：

对于上音圈电机，当安装平台与各过渡平台受到干扰力而发生相对运动时，两个作动器中作动杆与发生位移，相对位移传感器会将其相对位移信号传递给外部控制器，控制器经过电路运算后向各作动器中上音圈电机线圈输出相应电流，使各自的线圈部分和磁体部分发生相对运动，并最终使安装平台和过渡平台产生稳定的相对位移，提供与干扰力等效的负刚度；通过调节控制器传递函数的参数，使负刚度的大小等于下膜簧所提供的正刚度，从而使整体刚度趋于无穷大；

下音圈电机的控制方法具体为：

对于下音圈电机，当基座发生振动时，速度传感器将各作动器过渡平台的速度信号传递给外部控制器，经过电路运算后向下音圈电机输出电流，产生一个与速度成比例的电磁阻尼力；通过调节控制器参数改变阻尼系数的大小，在振动扰动的低频段时增加阻尼系数抑制共振，高频段减小阻尼系数增加振动衰减速率，从而获得良好的隔振性能。

本发明中的高频与低频指的是物理上的振荡，通常情况下，将6Hz以下的振动扰动定义为低频，将100Hz以上的振动扰动定义为高频。

本发明的有点在于：

(1)本发明结构简单，且音圈电机应用广泛，技术成熟，可靠性高。

(2)本发明可以同时抑制来自安装平台的直接干扰和隔离来自基座的多自由度振动，性能全面；

(3)本发明在减弱甚至消除低频共振的同时，能保证结构在高频段的振动衰减速率；

(4)本发明可以进一步组合使用，组成Hexapod构型的隔振平台，进行更加复杂的应用，使用方便。

附图说明

图1为本发明结构的三维正视图；

图2为本发明结构的三维为轴测图；

图3为本发明的单个作动器的三维视图，其中a为正视图，b为轴测图；

图4为本发明的单个作动器的剖视图；

图5为本发明的膜簧的结构简图；

图6是上音圈电机的控制方法示意图；

图7是下音圈电机的控制方法示意图；

图8是本发明的组合构成Hexapod平台的一种示意图；

图中：

1-动力部分 2-支撑结构部分 3-测量部分

101-上音圈电机 102-下音圈电机 103-上音圈电机线圈

104-上音圈电机磁体 105-下音圈电机线圈 106-下音圈电机磁体

201-安装平台 202-过渡平台 203-基座

204-电机底座 205-支撑柱 206-压槽

207-压片 208-膜簧 209-作动杆

210-连接块 301-相对位移传感器 302-速度传感器

303-传感器支架

具体实施方式

下面将结合附图和实例对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明是一种多自由度的音圈隔振抑振结构，安装平台和基座之间通过两对完全相同的作动器串联起来。每个作动器的结构包括动力部分1、支撑结构部分2和测量部分3，支撑结构用于提供并保持动力部分初始状态，便于其运动，测量部分用于测量动力部分的运动情况。

动力部分1包括上音圈电机101和下音圈电机102，上音圈电机101包括上音圈电机线圈103和上音圈电机磁体104，上音圈电机线圈103通过连接块210用螺钉与作动杆209固定连接，上音圈电机磁体104与过渡平台202固定连接，上音圈电机线圈103位于上音圈电机磁体104内部的环形槽中，通过膜簧208支撑起来；下音圈电机102包括下音圈电机线圈105和下音圈电机磁体106，下音圈电机线圈105通过连接块210用螺钉与过渡平台202固定连接，下音圈电机磁体106通过螺钉与基座203固定连接，下音圈电机线圈105位于下音圈电机磁体106内部的环形槽中，通过膜簧208支撑起来。

支撑结构部分2包括过渡平台202、电机底座204、支撑柱205、压槽206、压片207、膜簧208、作动杆209和连接块210。

电机底座204将作动器通过螺钉固定安装在基座203上；四个支撑柱205以90°的夹角均匀分布安装在电机底座204和过渡平台202上，用螺钉安装；支撑柱205上端有螺纹，拧在压槽206上，通过压片207分别将膜簧208外圈固定安装在电机底座204与过渡平台202上；膜簧208内圈则是通过连接块210，分别将下音圈电机线圈105与过渡平台202、上音圈电机线圈103与作动杆209固定连接，由于膜簧208自身的结构特点，其既能沿轴向位移，又能提供一定反转角度，可用多自由度振动的隔离；作动杆209则分别将两个作动器与安装平台201固定连接。

测量部分3包括相对位移传感器301、速度传感器302和传感器支架303；相对位移传感器301通过传感器支架302安装在作动杆209上；速度传感器302则是用螺钉固定在过渡平台外边缘。

上音圈电机101和下音圈电机102均采用型号为LA34-37-000A的音圈电机，为市购产品，主要由磁体和线圈两部分组成。两者通过嵌套配合使用，可以进行相对直线运动。其中线圈部分可以外接电路，对其提供合适的电流来实现期望的运动。

膜簧208由铍青铜片(QBe2)切花制成，如图4所示，起到支撑过渡平台202和作动杆209的作用，同时提供较大的轴向刚度，也使作动器能进行一定角度的转动。

安装平台201、过渡平台202、基座203、电机底座204、支撑柱205和作动杆209均用45钢材料制造，连接块、压槽、压片则是采用铝合金制造。其中安装平台201用于安装设备，基座203起支撑作用。

测试部分3主要为外部电路控制提供参考量和反馈量，其中的相对位移传感器301为电涡流式位移传感器，型号为CWY-D0-502，由探头和前置器两部分构成，通过传感器支架303安装在作动杆209上，用于测量作动杆209沿轴向的相对位移。速度传感器302为单轴压电式速度传感器，型号为CS-YD-004，其中有内螺纹，通过螺钉安装在过渡平台202下表面外边缘。

本发明可以同时抑制来自安装平台201的直接干扰和隔离来自基座203的宽带振动，工作过程:当有直接干扰作用于安装平台201时，两片起支撑作用的膜簧会发生变形产生一个沿轴向的压缩量，此时通过控制外部电路对上音圈电机线圈103提供一个合适的电流，使其与上音圈电机磁体104产生相对运动，上音圈电机101提供的电磁力将克服上部膜簧208的压力，使作动杆209沿轴向产生一个伸长量，提供所谓的负刚度。通过调节外部控制器参数使其等效负刚度大大小刚好等于下部膜簧208的正刚度，能使作动杆209的伸长量刚好补偿各作动器过渡平台202轴向缩短量，整体串联刚度趋于无穷大。总体效果就是安装平台201的绝对位置不变，两个作动器的过渡平台202均沿轴向下移，从而保证了安装在安装平台201的设备不受位置变化干扰。另一方面，当基座203发生振动时，可以通过外部控制器对下音圈电机线圈105提供一个合适的电流，产生一个可变的电磁阻尼力，从而减弱甚至消除下部膜簧柔性引起的低频共振的同时，也保证力结构在高频段的振动衰减速率。这样使得基座203宽带振动传递到安装平台201时的影响非常小，从而满足高精密设备对安装结构隔振性能的要求。

此外，可以将本发明的进行组合使用，组成Hexapod平台，如图所8示，其中①即为本发明的多自由度的音圈隔振抑振结构，②为隔振连接平台，③为载荷连接平台。使用三个完全相同的多自由度的音圈隔振抑振结构①，以一定的角度分布安装在隔振连接平台②上，将其与载荷连接平台③相连，整体实现隔振抑振功能。

本发明的多自由度音圈隔振/抑振结构的控制方法，包括上音圈电机101的控制方法和下音圈电机102的控制方法。

如图6所示，上音圈电机101的控制方法具体为：

对于上音圈电机101，当安装平台201与各作动器过渡平台202受到扰动而发生相对运动时，相对位移传感器301将相对位移信号传递给外部控制器，控制器经过电路运算后向上音圈电机线圈103输出电流，使线圈部分和磁体部分发生相对运动，并最终使安装平台201和中作动器间平台202产生稳定的相对位移，提供相应于干扰力的等效负刚度。可以通过调节控制器传递函数的参数，使负刚度的大小等于下部膜簧提供的正刚度，从而使得整体刚度趋于无穷大。

如图7所示，下音圈电机102的控制方法具体为:

对于下音圈电机102，当基座203发生振动时，速度传感器302将作动器过渡平台202的速度信号传给外部控制器，控制器经过电路运算后向下音圈电机线圈105输出电流，并产生一个与速度成比例的电磁阻尼。可以通过调节控制器参数来改变阻尼系数的大小，在低频段时适当增加阻尼系数抑制共振，高频段减小阻尼系数增加振动衰减速率，从而获得良好的隔振性能。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种多自由度音圈隔振抑振结构，其特征在于：采用两个作动器将安装平台和基座串联起来，每个作动器包括：动力部分、支撑结构和测量部分；支撑结构用于提供并保持动力部分初始状态，便于其运动，测量部分用于测量动力部分的运动情况；

所述动力部分包括：各作动器中的上音圈电机和下音圈电机，所述上音圈电机包括上音圈电机线圈和上音圈电机磁体，所述上音圈电机线圈与作动杆固定连接，所述上音圈电机磁体与过渡平台固定连接，上音圈电机线圈位于上音圈电机磁体内部的环形槽中，通过膜簧支撑起来；下音圈电机包括下音圈电机线圈和下音圈电机磁体，下音圈电机线圈与过渡平台固定连接，下音圈电机磁体与外部总体结构中的基座固定连接，下音圈电机线圈位于下音圈电机磁体内部的环形槽中，通过膜簧支撑；

支撑结构包括：过渡平台、电机底座、支撑柱、作动杆、连接块、压槽、压片和膜簧；电机底座将各作动器固定安装在基座上；四个支撑柱以90°的夹角均匀分布安装在电机底座和过渡平台上，支撑柱上安装压槽，通过压片分别将膜簧外圈固定安装在电机底座与过渡平台上；膜簧内圈通过连接块，分别将下音圈电机线圈与过渡平台、上音圈电机线圈与作动杆固定连接；作动杆分别将两个作动器与安装平台固定连接；膜簧除了提供轴向位移外，还能进行小角度的翻转，从而能进行包括平动和转动的多个自由度的隔振/抑振；过渡平台在上下音圈电机运动下可在安装平台与基座之间相对运动；

测量部分包括:相对位移传感器、速度传感器和传感器支架；相对位移传感器通过传感器支架安装在作动杆上；速度传感器固定在过渡平台外边缘；测量部分的输出提供给外部控制器。

2.根据权利要求1所述一种多自由度音圈隔振抑振结构，其特征在于：所述的音圈电机均采用型号为LA34-37-000A的音圈电机。

3.根据权利要求1所述一种多自由度音圈隔振抑振结构，其特征在于：所述的膜簧由铍青铜片(QBe2)切花制成。

4.根据权利要求1所述一种多自由度音圈隔振抑振结构，其特征在于：所述安装平台、过渡平台、基座、电机底座、支撑柱和作动杆均用45号钢材料制造，连接块、压槽、压片采用铝合金制造。

5.根据权利要求1所述一种多自由度音圈隔振抑振结构，其特征在于：所述相对位移传感器的型号为CWY-D0-502，速度传感器的型号为CS-YD-004。

6.一种采用权利要求1所述的多自由度音圈隔振抑振结构的控制方法，其特征在于：包括各作动器中上音圈电机的控制方法和下音圈电机的控制方法：

所述上音圈电机的控制方法为：

对于上音圈电机，当安装平台与各过渡平台受到干扰力而发生相对运动时，两个作动器中作动杆发生位移，相对位移传感器会将其相对位移信号传递给外部控制器，控制器经过电路运算后向各作动器中上音圈电机线圈输出相应电流，使各自的线圈部分和磁体部分发生相对运动，并最终使安装平台和过渡平台产生稳定的相对位移，提供与干扰力等效的负刚度；通过调节控制器传递函数的参数，使负刚度的大小等于下膜簧所提供的正刚度，从而使整体刚度趋于无穷大；

下音圈电机的控制方法具体为：

对于下音圈电机，当基座发生振动时，速度传感器将各作动器过渡平台的速度信号传递给外部控制器，经过电路运算后向下音圈电机输出电流，产生一个与速度成比例的电磁阻尼力；通过调节控制器参数改变阻尼系数的大小，在振动扰动的低频段时增加阻尼系数抑制共振，高频段减小阻尼系数增加振动衰减速率，从而获得良好的隔振性能。