CN108144829B - 一种刚度可控的正应力电磁式振动平台及控制方法 - Google Patents

一种刚度可控的正应力电磁式振动平台及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种刚度可控的正应力电磁式振动平台及控制方法，其特征在于：该正应力电磁式振动平台包括振动平台、底座和连接振动平台与底座的悬臂梁支撑结构，还包括固定在平台与底座之间的正应力电磁作动器；和正应力电磁作动器依次连接的是十字形质量块、作动杆、组合弹簧以及预紧装置；正应力电磁作动器围绕十字形质量块对称布置；振动平台下端安装导向套筒，使作动杆沿导向套筒做竖直方向运动；本发明正应力电磁式振动平台，根据电容式位移传感器监测振动平台位移信号，通过正应力电磁作动器产生与振动位移成正比的电磁正应力，并且与弹簧的弹性力串联补偿，实现弹性力的控制与振动***的刚度控制，本发明结构紧凑，频带范围宽，安装方便，操作简单。

Description

一种刚度可控的正应力电磁式振动平台及控制方法
技术领域
本发明涉及主被动振动控制技术领域，具体设计一种刚度可控的正应力电磁式振动平台及控制方法。
背景技术
在振动工程环境中，对于结构振动的控制，采用被动抑制方法难以达到预期的控制效果，而主动控制技术对于振动抑制相比被动控制具有明显优势。音圈电机作为一种线性驱动原件，其作动行程大、无滞后、驱动电压低、无传动间隙，在振动主动控制中应用广泛。但是，当被控对象质量较大，需要保持大作动行程时，需要较大电流产生所需输出力，导致该驱动方式即使工作于准静态条件下也将产生较大的功耗，并且线圈发热严重。由于振动控制对象应用需求对功耗存在限制，使得基于音圈电机驱动方式的振动平台往往只能具备较小的整体结构刚度，抗过载能力较差，无法满足较大结构刚度的需求。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种刚度可控的正应力电磁式振动平台及控制方法，该机构结构紧凑、安装方便，输出力密度大，响应速度快。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种刚度可控的正应力电磁式振动平台，包括振动平台1、底座2和连接振动平台与底座的悬臂梁支撑结构3，还包括固定在底座2与振动平台1之间的四个正应力电磁作动器4以及监测振动平台1振动位移的电容式位移传感器5；所述四个正应力电磁作动器4围绕十字形质量块10呈对角两两分布，十字形质量块10中心通过螺纹安装有作动杆11，作动杆11与振动平台1通过弹簧13连接，弹簧13上端连接与振动平台1通过螺纹连接的预紧装置14，作动杆11外套有固定在振动平台1下端的导向套筒12，作动杆11和导向套筒12限制振动平台1只能沿竖直方向运动，弹簧13与作动杆11串联连接；振动平台1四周的悬臂梁支撑结构3限制振动平台1在水平方向的自由度。
所述正应力电磁作动器4包括C形固定铁芯6，励磁绕组线圈7，长方体永磁铁8，正方体运动铁芯9；励磁绕组线圈7缠绕在C形固定铁芯6的上下两端，永磁体8水平安装在C形固定铁芯6的中间，与C形固定铁芯6保持同一平面；运动铁芯9与永磁体8通过橡胶垫块连接并位于C形固定铁芯6的开口处，并与C形固定铁芯6开口处两端构成气隙15，运动铁芯9的外端与C形固定铁芯6开口处上下端面平齐。
所述底座2上通过螺栓固定安装电容式位移传感器5。
所述运动铁芯9采用软磁材料。
所述十字形质量块10、作动杆11、导向套筒12和悬臂梁支撑结构3均采用硬铝合金材料。
所述组合弹簧13采用非导磁弹簧组成。
所述的一种刚度可控的正应力电磁式振动平台的控制方法，给正应力电磁作动器4输入电流信号，通电的励磁绕组线圈7会产生励磁磁场，该励磁磁场方向随电流方向变化；励磁绕组线圈7产生的励磁磁场叠加到永磁铁8产生的直流偏置磁场，通过C形固定铁芯6与运动铁芯9之间的气隙15形成磁路，产生的电磁正应力作用到运动铁芯9上，并沿电磁正应力方向运动产生作动位移；改变励磁绕组线圈7中的电流方向，即改变电磁正应力方向，使运动铁芯9反向运动；运动铁芯9的输出位移通过十字形质量块10传递到作动杆11，与作动杆11通过弹簧13相连接的振动平台1会产生振动位移；由于作动杆11与弹簧13串联连接，通过电容式位移传感器5监测振动平台1的振动位移，并经过处理并反馈给正应力电磁作动器4，使得正应力电磁作动器4产生与振动平台1的位移成正比例的输出力，实现了***弹性力可控并对弹簧13的刚度补偿，使得振动平台1总体等效刚度可控；由于正应力电磁作动器4产生的作动位移为微米量级，因此振动位移调节分辨率可以达到微弧度级，并且***刚度可控。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1)本发明中，采用正应力电磁驱动方式，相比音圈电机驱动方式，利用磁场叠加，使运动质量块产生轴向运动，进而推动振动平台运动，其响应速度快，输出力大，发热量少，频带范围大。
2)本发明中，由于弹簧与作动杆为串联连接，并采用电容式位移传感器检测振动平台位移信号，通过刚度串联补偿的方式实现结构支撑刚度的可控，理论上可得到结构刚度无限大，可满足对于较大结构刚度的需求。
附图说明
图1为本发明正应力电磁式振动平台结构示意图。
图2为本发明正应力电磁式振动平台结构剖视图。
图3位本发明正应力电磁作动器结构示意图。
图4位本发明正应力电磁式振动平台等效力学模型图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明一种刚度可控的正应力电磁式振动平台，包括振动平台1，底座2。所述振动平台1通过悬臂梁支撑结构3与底座2相连接。四个正应力电磁作动器4通过螺栓安装在底座2上，并且围绕十字形质量块10对称布置，呈对角两两分布。所述十字形质量块10中心安装有作动杆11，作动杆11与振动平台1通过弹簧13连接，弹簧13上端连接与振动平台1通过螺纹连接的预紧装置14，作动杆11外面套有固定在振动平台1下端的导向套筒12，作动杆11和导向套筒12限制振动平台1只能沿竖直方向运动，弹簧13与作动杆11串联连接。振动平台1四周的悬臂梁支撑结构3限制振动平台1在水平方向的自由度。在底座2上安装有电容式位移传感器5，用于检测振动平台1的轴向振动位移。
如图2和图3所示，所述正应力电磁作动器4的磁路包括C形固定铁芯6、励磁线圈绕组7、永磁铁8、运动铁芯9、气隙15。其中，永磁铁8用于产生直流偏置磁场，与C形固定铁芯6、运动铁芯9、和气隙15组成直流磁场回路，励磁绕组线圈7用于产生交流磁场，与固定铁芯6、永磁铁8、运动铁芯9和气隙15组成交流磁场回路。给励磁绕组线圈7输入电流信号，产生励磁磁场，该励磁磁场叠加到直流偏置磁场上，产生电磁正应力。改变励磁绕组线圈7中电流的方向，该电磁正应力也随之改变方向，与运动铁芯9相连接的十字形质量块10会沿轴向上下运动，该运动传递到作动杆11，从而推动振动平台1沿竖直方向运动。
作为本发明的优选实施方式，所述永磁铁8可采用钕铁硼材料。运动铁芯9采用软磁材料构成。
作为本发明的优选实施方式，所述十字形质量块10、作动杆11、导向套筒12和悬臂梁支撑结构3采用硬铝合金材料。
作为本发明的优选实施方式，螺栓采用非导磁螺栓。
本发明的工作原理为：给正应力电磁作动器4输入电流信号，通电的励磁绕组线圈7会产生励磁磁场，该励磁磁场方向随电流方向变化。励磁绕组线圈7产生的励磁磁场叠加到永磁铁8产生的直流偏置磁场，通过C形固定铁芯6与运动铁芯9之间的气隙15形成磁路，产生的电磁正应力作用到运动铁芯9上，并沿电磁正应力方向运动产生作动位移。改变励磁绕组线圈7中的电流方向，即改变电磁正应力方向，使运动铁芯9反向运动。运动铁芯9的输出位移通过十字形质量块10传递到作动杆11，与作动杆11通过弹簧13相连接的振动平台1会产生振动位移。具体力学模型如图4所示，m1为振动平台1的质量，c1位振动平台1的等效阻尼，k1为悬臂梁支撑结构3的刚度；k2为弹簧13的刚度，m2为十字形质量块10和作动杆11等效质量。由于作动杆11与弹簧13串联连接，通过电容式位移传感器5监测振动平台1的振动位移，并经过处理并反馈给正应力电磁作动器4，使得正应力电磁作动器4产生与振动平台1的位移成正比例的输出力，实现了***弹性力可控并对弹簧13的刚度补偿，使得振动平台1总体等效刚度可控。由于正应力电磁作动器4产生的作动位移为微米量级，因此本发明的振动位移调节分辨率可以达到微弧度级，并且***刚度可控。

Claims (5)

1.一种刚度可控的正应力电磁式振动平台，其特征在于：包括振动平台(1)、底座(2)和连接振动平台(1)与底座(2)的悬臂梁支撑结构(3)，还包括固定在振动平台(1)与底座(2)之间的正应力电磁作动器(4)以及监测振动平台(1)振动位移的电容式位移传感器(5)；所述四个正应力电磁作动器(4)围绕十字形质量块(10)呈对角两两分布，十字形质量块(10)中心通过螺纹安装有作动杆(11)，作动杆(11)与振动平台(1)通过弹簧(13)连接，弹簧(13)上端连接与振动平台(1)通过螺纹连接的预紧装置(14)，作动杆(11)外套有固定在振动平台(1)下端的导向套筒(12)，作动杆(11)和导向套筒(12)限制振动平台(1)只能沿竖直方向运动；振动平台(1)四周的悬臂梁支撑结构(3)限制振动平台(1)在水平方向的自由度；
所述正应力电磁作动器(4)包括C形固定铁芯(6)、励磁绕组线圈(7)、永磁铁(8)和运动铁芯(9)；励磁绕组线圈(7)缠绕在C形固定铁芯(6)的上下两端，永磁体(8)水平安装在C形固定铁芯(6)的中间，与C形固定铁芯(6)保持同一平面；运动铁芯(9)与永磁体(8)通过橡胶垫块连接并位于C形固定铁芯(6)的开口处，并与C形固定铁芯(6)开口处两端构成气隙(15)，运动铁芯(9)的外端与C形固定铁芯(6)开口处上下端面平齐。
2.根据权利要求1所述的一种刚度可控的正应力电磁式振动平台，其特征在于：所述底座(2)上通过螺栓固定安装电容式位移传感器(5)。
3.根据权利要求1所述的一种刚度可控的正应力电磁式振动平台，其特征在于：所述永磁铁(8)可采用钕铁硼材料，所述运动铁芯(9)采用软磁材料。
4.根据权利要求1所述的一种刚度可控的正应力电磁式振动平台，其特征在于：所述十字形质量块(10)、作动杆(11)、导向套筒(12)和悬臂梁支撑结构(3)均采用硬铝合金材料。
5.权利要求1至4任一项所述的一种刚度可控的正应力电磁式振动平台的控制方法，其特征在于：给正应力电磁作动器(4)输入电流信号，通电的励磁绕组线圈(7)会产生励磁磁场，该励磁磁场方向随电流方向变化；励磁绕组线圈(7)产生的励磁磁场叠加到永磁铁(8)产生的直流偏置磁场，通过C形固定铁芯(6)与运动铁芯(9)之间的气隙(15)形成磁路，产生的电磁正应力作用到运动铁芯(9)上，并沿电磁正应力方向运动产生作动位移；改变励磁绕组线圈(7)中的电流方向，即改变电磁正应力方向，使运动铁芯(9)反向运动；运动铁芯(9)的输出位移通过十字形质量块(10)传递到作动杆(11)，与作动杆(11)通过弹簧(13)相连接的振动平台(1)会产生振动位移；由于作动杆(11)与弹簧(13)串联连接，通过电容式位移传感器(5)监测振动平台(1)的振动位移，并经过处理并反馈给正应力电磁作动器(4)，使得正应力电磁作动器(4)产生与振动平台(1)的位移成正比例的输出力，实现了***弹性力可控并对弹簧(13)的刚度补偿，使得振动平台(1)总体等效刚度可控；由于正应力电磁作动器(4)产生的作动位移为微米量级，因此振动位移调节分辨率能够达到微弧度级，并且***刚度可控。
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