CN105041961B - 一种基于Stewart平台的六自由度准零刚度隔振系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于Stewart平台的六自由度准零刚度隔振系统,包括上平台和下平台,通过铰链块固定在上平台和下平台间的六个相同的支腿;所述铰链块为三个且呈等边三角形的形式分布,每个铰链块上固定两个支腿,相邻的支腿互相垂直,上平台相对下平台有六个自由度;所述的六个支腿具有准零刚度特性,故隔振系统在六个自由度上均具有准零刚度的特点,因此隔振系统的各阶共振频率很小,具有很宽的隔振频率范围;本发明具有高承载能力、低共振频率的特点,对低频振动具有很好的抑制效果,适用于航天领域中的飞轮系统、光学相机,及民用领域中精密机床、精密测量系统等设备的隔振。
Description
技术领域
本发明属于被动隔振技术领域,具体涉及一种基于Stewart平台的六自由度准零刚度隔振系统。
背景技术
随着航天技术的进步,航天设备逐渐向精密化的方向发展。航天器中的低频振动、微振动不但会对精密的仪器设备造成破坏作用,也会影响仪器设备(如光学相机)的使用效果。对于精密机床、精密测量系统等精密设备,来自地震波等周围环境中的低频振动会严重影响设备使用精度。微振动、低频振动已成为振动控制领域的重点和难点。隔振是振动控制的重要手段,国内外研究人员研究了各种主动或主、被动混合的隔振方式。但是主动隔振存在能耗大、可靠性低、结构复杂等缺点。而对于单纯的被动隔振系统,隔振频带受到固有频率的限制,只在高频段有较好的隔振效果。要想提高隔振效果,扩展隔振频带,必须通过降低隔振系统的刚度来降低固有频率。而为了保证隔振器的静承载能力,刚度又不可能做到很小。
为解决隔振器低共振频率和高承载能力之间的矛盾,研究人员提出了准零刚度隔振器的概念,这种隔振器具有低动态刚度、高静态刚度的特点,因此能够同时实现低共振频率和高承载能力。设计准零刚度隔振器主要是设计负刚度机构,通过负刚度机构抵消正刚度弹性元件在平衡位置的刚度,从而达到准零刚度的目的,使得隔振器的共振频率很低。在单自由度隔振方面,已经有各种形式的准零刚度隔振器被提出。但是将准零刚度的原理应用到多自由度隔振上的研究还很少。多自由度隔振,特别是六自由度隔振,在工程中有重要的应用需求,因此设计六自由度的准零刚度隔振器具有重要的应用价值。
发明内容
本发明提供了一种基于Stewart平台的六自由度准零刚度隔振系统,能实现六自由度的低频隔振,对低频振动具有很好的抑制效果,具有高承载能力、低共振频率的特点,适用于航天领域中的飞轮系统、光学相机,及民用领域中精密机床、精密测量系统等设备的隔振。
为了达到以上目的,本发明采用如下技术方案:
一种基于Stewart平台的六自由度准零刚度隔振系统,包括上平台1和下平台4,通过铰链块5固定在上平台1和下平台4间的六个相同的支腿3,所述铰链块5为三个且呈等边三角形的形式分布,每个铰链块5上固定两个支腿3,相邻的支腿3互相垂直,支腿3的长度可变,上平台1相对下平台4有六个自由度。
所述支腿3包括位于其两端的固定在铰链块5上的下柔性球铰3.1和上柔性球铰3.12,下柔性球铰3.1通过第二螺钉3.2和下盖3.3连接,下盖3.3的另一端依次设置有下膜片弹簧3.17、外筒3.5、上膜片弹簧3.13和上盖3.8,第三螺钉3.4将下盖3.3、下膜片弹簧3.17和外筒3.5三者紧固连接,第四螺钉3.6将上盖3.8、上膜片弹簧3.13和外筒3.5紧固连接;第五螺钉3.10将固定件3.11和上柔性球铰3.12固定连接,轴3.9的一端通过螺纹连接在固定件3.11上,另一端穿入上盖3.8、外筒3.5和下盖3.3的腔体中并依次穿过上膜片弹簧3.13和下膜片弹簧3.17,第一螺栓3.18将下膜片弹簧3.17和轴3.9固定,内磁环3.15固定在轴9上,外磁环3.16固定在外筒3.5内壁上,上膜片弹簧3.13和内磁环3.15将设置套筒3.14,第二螺栓3.7将上膜片弹簧3.13和套筒3.14沿轴向固定,所述下柔性球铰3.1、下盖3.3、下膜片弹簧3.17、外筒3.5、上膜片弹簧3.13、轴3.9和上柔性球铰3.12须保证较高的对中性;上膜片弹簧3.13和下膜片弹簧3.17一方面能够限制轴3.9的径向运动,另一方面能够提供一定的轴向支撑刚度,由于上膜片弹簧3.13和下膜片弹簧3.17的变形,轴3.9能够相对上盖3.8、外筒3.5和下盖3.3组成的组合体发生运动,因此支腿3长度可变;当该隔振系统承载时,须保证隔振系统处于静平衡状态下,内磁环3.15和外磁环3.16正对,此时由内磁环3.15和外磁环3.16组成的磁力弹簧在平衡位置附近产生负刚度,用来抵消上膜片弹簧3.13和下膜片弹簧3.17的正刚度,从而使支腿3达到准零刚度状态。
所述下柔性球铰3.1和上柔性球铰3.12的材料采用铍青铜。
所述上膜片弹簧3.13和下膜片弹簧3.17的材料采用铍青铜。
所述内磁环3.15和外磁环3.16的材料采用剩磁强度大的汝铁硼;其充磁方向有两种方式:第一,内磁环3.15和外磁环3.16均为辐射充磁,且充磁方向相反,即一个沿径向向外,另一个须沿径向向内;第二,内磁环3.15和外磁环3.16均为轴向充磁,且充磁方向相同。
除内磁环3.15、外磁环3.16、下柔性球铰3.1、上柔性球铰3.12、上膜片弹簧3.13和下膜片弹簧3.17外,所述准零刚度隔振系统的其它部件采用弱导磁性的材料。
所述铰链块5通过第一螺钉2固定在上平台1和下平台4上。
和现有的隔振技术相比,本发明具有以下优点:
1)能够实现六自由度的低频隔振,对低频振动具有很好的隔振效果。
2)所提出的隔振系统为被动式的隔振系统,无需消耗外部的能量。而对于传统的隔振器,在低频区间需要通过主动控制的方式来实现有效隔振,需要消耗外部的能量。
3)通过设计具有准零刚度特性的支腿,既使平台具有较大的支撑刚度,又降低了平台的各阶共振频率。从而在保证承载能力的同时,增大了隔振频带,提高了隔振效果。
4)和其他负刚度机构相比,通过同轴布置的两个永磁铁环来提供负刚度,具有尺寸小、重量轻的优点。
5)采用柔性球铰替换球铰链,具有无摩擦、无间隙的优点,可以减小噪声。
6)采用膜片弹簧提供支腿的轴向刚度,具有安装方便、精度高等优点,而且能够限制轴的径向运动,无需其他限制径向运动的零件,使得整体结构更简单。
附图说明
图1为本发明准零刚度隔振系统的整体示意图。
图2为支腿结构剖视图。
图3为内永磁铁环和外永磁铁环的充磁方向,其中:图3(a)为辐射充磁;图3(b)为轴向充磁。
图4为柔性球铰三维视图。
图5为支腿的刚度—位移曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
如图1所示,本发明一种基于Stewart平台的准零刚度隔振系统,包括上平台1,下平台4,六个相同的支腿3,以及铰链块5、第一螺钉2。支腿3的两端固定在铰链块5上,上平台1和下平台4上各有三个铰链块5,三个铰链块呈等边三角形的形式分布。铰链块5通过第一螺钉2固定在上平台1和下平台4上。该Stewart平台为立方形结构,相邻的两个支腿互相垂直。由于六个支腿长度可变,上平台相对下平台有六个自由度。把需要隔振的设备安装在上平台,可以隔离下平台的扰动;若上平台上安装飞轮等设备,扰动源在上平台,该系统同样可以隔离上平台的扰动。
如图2所示,所述支腿3包括位于其两端的固定在铰链块5上的下柔性球铰3.1和上柔性球铰3.12,下柔性球铰3.1通过第二螺钉3.2和下盖3.3连接,下盖3.3的另一端依次设置有下膜片弹簧3.17、外筒3.5、上膜片弹簧3.13和上盖3.8,第三螺钉3.4将下盖3.3、下膜片弹簧3.17和外筒3.5三者紧固连接,第四螺钉3.6将上盖3.8、上膜片弹簧3.13和外筒3.5紧固连接;第五螺钉3.10将固定件3.11和上柔性球铰3.12固定连接,轴3.9的一端通过螺纹连接在固定件3.11上,另一端穿入上盖3.8、外筒3.5和下盖3.3的腔体中并依次穿过上膜片弹簧3.13和下膜片弹簧3.17,第一螺栓3.18将下膜片弹簧3.17和轴3.9固定,内磁环3.15固定在轴9上,外磁环3.16固定在外筒3.5内壁上,上膜片弹簧3.13和内磁环3.15将设置套筒3.14,第二螺栓3.7将上膜片弹簧3.13和套筒3.14沿轴向固定,所述下柔性球铰3.1、下盖3.3、下膜片弹簧3.17、外筒3.5、上膜片弹簧3.13、轴3.9和上柔性球铰3.12须保证较高的对中性。柔性球铰具有很大的拉压刚度和剪切刚度,但是弯曲刚度和扭转刚度很小,故下柔性球铰3.1和上柔性球铰3.12的功能相当于普通球铰。
上膜片弹簧3.13和下膜片弹簧3.17具有很大的径向刚度和较小的轴向刚度,一方面可以限制轴3.9的径向运动,另一方面可以提供一定的轴向支撑刚度。由于上膜片弹簧3.13和下膜片弹簧3.17的变形,轴3.9可相对下盖3.3、外筒3.5和上盖3.8的组合体发生运动,因此支腿3长度可变,上平台1相对下平台4可实现六自由度运动。
内磁环3.15固定在轴9上,外磁环3.16固定在外筒3.5上。当轴9相对外筒3.5运动时,内磁环3.15就相对外磁环3.16沿轴向运动。外磁环3.16对内磁环3.15有磁力作用,随着内磁环3.15相对外磁环3.16发生相对运动,磁力大小会发生变化。内磁环3.15和外磁环3.16相当于构成了一个磁力弹簧,磁刚度由它们间的磁力决定。
当该隔振系统承载时,须保证系统处于静平衡状态下,内磁环3.15和外磁环3.16正对,此时由内磁环3.15和外磁环3.16组成的磁力弹簧可在平衡位置附近产生线性程度较好、数值较大的负刚度,用来抵消上膜片弹簧3.13和下膜片弹簧3.17的正刚度,从而使支腿3达到准零刚度状态。支腿的刚度特性如图5所示,由图可知,支腿在平衡位置附近的刚度很小,所以隔振系统的共振频率很小,可以隔离低频振动;远离平衡位置时,支腿刚度逐渐增大,所以支腿具有较大的支撑能力,不会使系统承载时发生过大的变形。综上分析,隔振系统具有很小的动刚度和很大的静刚度,可在保证静承载能力的前提下使共振频率很低,从而增大隔振频带、提高隔振效果。
内磁环3.15和外磁环3.16的充磁方向如图3所示,有两种方案:如图3a,内磁环3.15和外磁环3.16辐射充磁,方向相反,即一个沿径向向外,另一个须沿径向向内;如图3b,内磁环3.15和外磁环3.16沿轴向充磁,且充磁方向相同。两种方案都可以在平衡位置附近产生很大的负刚度。当然,由于径向充磁的永磁铁环加工较困难,实际使用时可采用瓦片拼接成磁环。而轴向充磁的磁环加工容易,实际使用时是优选方案。
下柔性球铰3.1和上柔性球铰3.12的结构如图4所述,和普通球铰相比,柔性球铰具有无摩擦、无间隙,精度高的优点,适用于精密仪器中。柔性球铰的最大转角受到屈服强度的限制,设计时应保证柔性球铰有足够大的转角,且不会发生破坏。
本发明的工作原理如下:如图1所示的Stewart平台,每个支腿都是一个被动隔振单元。由于六个支腿的长度都可变,上平台1相对下平台4存在六个自由度的运动。在支腿中,由膜片弹簧提供轴向支撑刚度,由内磁环3.15、外磁环3.16构成的磁力弹簧在平衡位置产生负刚度,抵消膜片弹簧的正刚度,从而使每个支腿都具有很小的动刚度,达到准零刚度状态,支腿刚度特性如图5所示。当Stewart平台的六个支腿都具有很小的动刚度时,Stewart平台的各阶共振频率就会很小,因此该六自由度准零刚度隔振系统能隔离低频扰动,具有很好的隔振效果。
Claims (6)
1.一种基于Stewart平台的六自由度准零刚度隔振系统,包括上平台(1)和下平台(4),通过铰链块(5)固定在上平台(1)和下平台(4)间的六个相同的支腿(3),其特征在于:所述铰链块(5)为三个且呈等边三角形的形式分布,每个铰链块(5)上固定两个支腿(3),相邻的支腿(3)互相垂直,支腿(3)的长度可变,上平台(1)相对下平台(4)有六个自由度;所述支腿(3)包括位于其两端的固定在铰链块(5)上的下柔性球铰(3.1)和上柔性球铰(3.12),下柔性球铰(3.1)通过第二螺钉(3.2)和下盖(3.3)连接,下盖(3.3)的另一端依次设置有下膜片弹簧(3.17)、外筒(3.5)、上膜片弹簧(3.13)和上盖(3.8),第三螺钉(3.4)将下盖(3.3)、下膜片弹簧(3.17)和外筒(3.5)三者紧固连接,第四螺钉(3.6)将上盖(3.8)、上膜片弹簧(3.13)和外筒(3.5)紧固连接;第五螺钉(3.10)将固定件(3.11)和上柔性球铰(3.12)固定连接,轴(3.9)的一端通过螺纹连接在固定件(3.11)上,另一端穿入上盖(3.8)、外筒(3.5)和下盖(3.3)的腔体中并依次穿过上膜片弹簧(3.13)和下膜片弹簧(3.17),第一螺栓(3.18)将下膜片弹簧(3.17)和轴(3.9)固定,内磁环(3.15)固定在轴(9)上,外磁环(3.16)固定在外筒(3.5)内壁上,上膜片弹簧(3.13)和内磁环(3.15)将设置套筒(3.14),第二螺栓(3.7)将上膜片弹簧(3.13)和套筒(3.14)沿轴向固定,所述下柔性球铰(3.1)、下盖(3.3)、下膜片弹簧(3.17)、外筒(3.5)、上膜片弹簧(3.13)、轴(3.9)和上柔性球铰(3.12)须保证较高的对中性;上膜片弹簧(3.13)和下膜片弹簧(3.17)一方面能够限制轴(3.9)的径向运动,另一方面能够提供一定的轴向支撑刚度,由于上膜片弹簧(3.13)和下膜片弹簧(3.17)的变形,轴(3.9)能够相对上盖(3.8)、外筒(3.5)和下盖(3.3)组成的组合体发生运动,因此支腿(3)长度可变;当该隔振系统承载时,须保证隔振系统处于静平衡状态下,内磁环(3.15)和外磁环(3.16)正对,此时由内磁环(3.15)和外磁环(3.16)组成的磁力弹簧在平衡位置附近产生负刚度,用来抵消上膜片弹簧(3.13)和下膜片弹簧(3.17)的正刚度,从而使支腿(3)达到准零刚度状态。
2.根据权利要求1所述的基于Stewart平台的六自由度准零刚度隔振系统,其特征在于:所述下柔性球铰(3.1)和上柔性球铰(3.12)的材料采用铍青铜。
3.根据权利要求1所述的基于Stewart平台的六自由度准零刚度隔振系统,其特征在于:所述上膜片弹簧(3.13)和下膜片弹簧(3.17)的材料采用铍青铜。
4.根据权利要求1所述的基于Stewart平台的六自由度准零刚度隔振系统,其特征在于:所述内磁环(3.15)和外磁环(3.16)的材料采用剩磁强度大的汝铁硼;其充磁方向有两种方式:第一,内磁环(3.15)和外磁环(3.16)均为辐射充磁,且充磁方向相反,即一个沿径向向外,另一个须沿径向向内;第二,内磁环(3.15)和外磁环(3.16)均为轴向充磁,且充磁方向相同。
5.根据权利要求1所述的基于Stewart平台的六自由度准零刚度隔振系统,其特征在于:除内磁环(3.15)、外磁环(3.16)、下柔性球铰(3.1)、上柔性球铰(3.12)、上膜片弹簧(3.13)和下膜片弹簧(3.17)外,所述准零刚度隔振系统的其它部件采用弱导磁性的材料。
6.根据权利要求1所述的基于Stewart平台的六自由度准零刚度隔振系统,其特征在于:所述铰链块(5)通过第一螺钉(2)固定在上平台(1)和下平台(4)上。
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