本發(fā)明屬于微振動(dòng)主動(dòng)隔離與抑制領(lǐng)域，更具體地，涉及一種單自由度主被動(dòng)隔振裝置。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的被動(dòng)隔振器由質(zhì)量-彈簧-阻尼元件構(gòu)成，由于其在低頻振動(dòng)傳遞率與高頻振動(dòng)衰減率之間存在的固有矛盾，而無(wú)法滿足精密微振動(dòng)的隔振需求，因此迫切需要一些新技術(shù)、新手段來(lái)改善這一現(xiàn)狀。如衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，由于搭載設(shè)備正常工作會(huì)造成衛(wèi)星整體及局部幅度較小的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這些微振動(dòng)是影響高精度遙感衛(wèi)星指向精度和成像質(zhì)量等關(guān)鍵性能的主要因素。

結(jié)構(gòu)上，目前主流的微振動(dòng)隔振器均采用被動(dòng)隔振元件與主動(dòng)隔振單元以一定連接方式組合而成。如空氣彈簧與音圈電機(jī)的主被動(dòng)混合并聯(lián)使用、膜片彈簧與音圈電機(jī)、彎曲片彈簧與壓電致動(dòng)器的主被動(dòng)混合串聯(lián)使用等都極大提高了這類精密減振器的低頻減振與高頻振動(dòng)衰減能力。

空氣彈簧與音圈電機(jī)的主被動(dòng)并聯(lián)結(jié)構(gòu)使得隔振器具有工作行程大、負(fù)載高和固有頻率低的特點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，空氣彈簧需持續(xù)供氣，需要提供額外的氣源支持。膜片彈簧和彎曲片彈簧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)剛度較低。音圈電機(jī)具有大行程的優(yōu)點(diǎn)，但其耗能大，主動(dòng)控制帶寬窄。且其剛度較低，多為軟式結(jié)構(gòu)，且空間設(shè)備發(fā)射時(shí)需要額外的鎖定裝置，以上因素制約了其在太空環(huán)境中的應(yīng)用。壓電智能材料的應(yīng)用為隔振器的設(shè)計(jì)開拓了新領(lǐng)域，其定位精度高(可達(dá)納米級(jí))且動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，同時(shí)具有較高的主動(dòng)控制帶寬。但其作動(dòng)行程較小，可應(yīng)用于微定位及微振動(dòng)抑制平臺(tái)。采用壓電陶瓷為執(zhí)行器的主動(dòng)隔振機(jī)構(gòu)多為硬式結(jié)構(gòu)，空間設(shè)備發(fā)射時(shí)不需要鎖定裝置，也擴(kuò)大了其使用遠(yuǎn)景。但壓電陶瓷剛度大，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)固有頻率較高，難以有效的衰減低頻干擾。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種單自由度主被動(dòng)隔振裝置，該裝置結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡(jiǎn)便，具有較低的固有頻率，能夠有效的衰減和抑制微振動(dòng)信號(hào)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種單自由度主被動(dòng)隔振裝置，包括由下至上依次連接的基礎(chǔ)平臺(tái)、下彎曲片彈簧、波紋屏蔽管、上彎曲片彈簧和負(fù)載平臺(tái)，以及放置于波紋屏蔽管內(nèi)部的主動(dòng)隔振單元；下彎曲片彈簧和上彎曲片彈簧構(gòu)成被動(dòng)隔振單元；主動(dòng)隔振單元包括壓電致動(dòng)器、加速度傳感器和控制器，所述加速度傳感器的輸出端連接控制器的輸入端，所述控制器的輸出端連接壓電致動(dòng)器的輸入端。

進(jìn)一步的，下彎曲片彈簧和上彎曲片彈簧均使用彎曲片彈簧，彎曲片彈簧的剛度k_fsp、彈性模量E、寬度b、厚度h、單邊長(zhǎng)度L和彎曲半徑R之間滿足如下約束關(guān)系：

進(jìn)一步的，下彎曲片彈簧和上彎曲片彈簧為65Mn或者不銹鋼材料。

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過(guò)主動(dòng)控制單元與上、下彎曲片彈簧構(gòu)成的被動(dòng)隔振單元的復(fù)合使用，不僅對(duì)高頻振動(dòng)干擾具有良好的高衰減率隔振效果，還能有效的實(shí)現(xiàn)低頻共振抑制，隔離低頻振動(dòng)，可有效抑制微振動(dòng)環(huán)境，為遙感衛(wèi)星高分辨率觀測(cè)成像等設(shè)備提供穩(wěn)定的工作環(huán)境，被動(dòng)隔振單元采用上、下彎曲片彈簧結(jié)構(gòu)，有效的降低了結(jié)構(gòu)的固有頻率，能夠有效的抑制精密設(shè)備中的微振動(dòng)低頻干擾，可有效降低系統(tǒng)的行程間隙，同時(shí)減小工作狀態(tài)中的摩擦和發(fā)熱。采用壓電致動(dòng)器，可達(dá)到納米級(jí)定位精度，可有效應(yīng)用于精密微振動(dòng)抑制及隔離領(lǐng)域；還可降低太空應(yīng)用的耗能，且為硬式結(jié)構(gòu)，設(shè)備發(fā)射時(shí)不需要額外的鎖定裝置，相比于音圈電機(jī)，能夠更為有效的在太空環(huán)境中使用，擴(kuò)大了使用場(chǎng)景。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1所示結(jié)構(gòu)的剖視圖；

圖3是本發(fā)明所采用彎曲片彈簧結(jié)構(gòu)及尺寸標(biāo)注圖；

圖4(a)是傳統(tǒng)被動(dòng)隔振裝置簡(jiǎn)化示意圖；

圖4(b)是傳統(tǒng)主被動(dòng)隔振裝置示意圖；

圖4(c)是本發(fā)明被動(dòng)隔振裝置示意圖

圖4(d)是本發(fā)明主被動(dòng)復(fù)合隔振裝置示意圖；

圖5是圖4(a)傳統(tǒng)被動(dòng)隔振裝置、圖4(b)傳統(tǒng)主被動(dòng)隔振裝置、圖4(c)本發(fā)明被動(dòng)隔振裝置和圖4(d)本發(fā)明主被動(dòng)復(fù)合隔振裝置的傳遞率曲線對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1是本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意圖；其中下彎曲片彈簧11a的下端通過(guò)沉頭螺釘與基礎(chǔ)平臺(tái)10連接，下彎曲片彈簧11a的上端與波紋屏蔽管15的下端相連。上彎曲片彈簧11b下端與波紋屏蔽管15的上端通過(guò)雙頭螺釘連接，上彎曲片彈簧11b上端則與負(fù)載平臺(tái)16通過(guò)沉頭螺釘連接。其中下彎曲片彈簧11a、上彎曲片彈簧11b構(gòu)成被動(dòng)隔振單元，主動(dòng)隔振單元放置于波紋屏蔽管15內(nèi)，進(jìn)行高壓屏蔽保護(hù)。

圖2是圖1所示結(jié)構(gòu)的剖視圖；波紋屏蔽管15內(nèi)的主動(dòng)隔振單元包括帶壓電致動(dòng)器13、加速度傳感器14、控制器20。加速度傳感器14與控制器20連接，壓電致動(dòng)器13與控制器20連接，其中加速度傳感器14用于測(cè)量負(fù)載平臺(tái)附近的振動(dòng)加速度信號(hào)，然后信號(hào)被傳輸給控制器20，在控制器20中進(jìn)行主動(dòng)控制算法運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果被輸出給壓電致動(dòng)器13，壓電致動(dòng)器作為主動(dòng)隔振單元的執(zhí)行單元，進(jìn)行主動(dòng)力控制。波紋屏蔽管端面蓋板12連接起主動(dòng)隔振單元與下彎曲片彈簧11a。

圖3是本發(fā)明所采用彎曲片彈簧結(jié)構(gòu)及尺寸標(biāo)注圖，彎曲片彈簧11a、11b采用2n個(gè)半圓彎曲成形片彈簧結(jié)構(gòu)組成，圖5所示n＝7，按照本發(fā)明的一種較佳實(shí)施方式，其結(jié)構(gòu)關(guān)系滿足式(1)，其中字母標(biāo)識(shí)如圖3所示。

式中，k_fsp是本發(fā)明所采用彎曲片彈簧的剛度，F(xiàn)是彎曲片彈簧所受的載荷，δ是彎曲片彈簧在載荷F下的形變量，E是彎曲片彈簧采用的材料的彈性模量，b是彎曲片彈簧的寬度，h是彎曲片彈簧的厚度，L是彎曲片彈簧的單邊長(zhǎng)度，R是彎曲片彈簧的彎曲半徑。

在上述優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，彎曲片彈簧以其較低的軸向剛度，不僅可以降低行程間隙，而且具有熱穩(wěn)定性。

圖4(a)是傳統(tǒng)被動(dòng)隔振裝置示意圖，傳統(tǒng)被動(dòng)隔振裝置通過(guò)傳統(tǒng)的彈簧-質(zhì)量-阻尼單元實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)被動(dòng)隔振裝置的簡(jiǎn)易動(dòng)力學(xué)公式如(2)所示，傳統(tǒng)被動(dòng)隔振裝置的傳遞率函數(shù)如公式(3)所示。

式中，M_p是負(fù)載平臺(tái)的質(zhì)量，c是負(fù)載平臺(tái)與基礎(chǔ)平臺(tái)間的等效阻尼，k_ini是負(fù)載平臺(tái)與基礎(chǔ)平臺(tái)間的等效剛度，x_o是負(fù)載平臺(tái)的振動(dòng)位移量，x_i是基礎(chǔ)平臺(tái)的振動(dòng)位移量，是x_o的二次導(dǎo)數(shù)，是x_o的一次導(dǎo)數(shù)，是x_i的一次導(dǎo)數(shù)，X_o是x_o的拉普拉斯變換形式，X_i是x_i的拉普拉斯變換形式，s為拉普拉斯變換的復(fù)變量。

圖4(b)是傳統(tǒng)主被動(dòng)隔振裝置示意圖，通過(guò)傳統(tǒng)的彈簧-質(zhì)量-阻尼單元附加主動(dòng)隔振單元實(shí)現(xiàn)。將加速度傳感器安裝在負(fù)載平臺(tái)上測(cè)量負(fù)載平臺(tái)附近的振動(dòng)加速度信號(hào)，然后輸入給控制器進(jìn)行主動(dòng)控制運(yùn)算(本例中采用天棚阻尼控制算法)得到實(shí)時(shí)控制信號(hào)，將實(shí)時(shí)控制信號(hào)輸出給壓電致動(dòng)器以完成主動(dòng)控制。其簡(jiǎn)易動(dòng)力學(xué)公式如(4)所示，壓電致動(dòng)器控制算法如公式(5)所示，傳遞率函數(shù)如公式(6)所示。

式中，M_p是負(fù)載平臺(tái)的質(zhì)量，c是負(fù)載平臺(tái)與基礎(chǔ)平臺(tái)間的等效阻尼，k_ini是負(fù)載平臺(tái)與基礎(chǔ)平臺(tái)間的等效剛度，x_o是負(fù)載平臺(tái)的振動(dòng)位移量，x_i是基礎(chǔ)平臺(tái)的振動(dòng)位移量，是x_o的二次導(dǎo)數(shù)，是x_o的一次導(dǎo)數(shù)，是x_i的一次導(dǎo)數(shù)，F(xiàn)_fb是由壓電致動(dòng)器的實(shí)時(shí)控制信號(hào)得到的輸出力，λ是本例中采用的天棚阻尼控制算法的比例系數(shù)，X_o是x_o的拉普拉斯變換形式，X_i是x_i的拉普拉斯變換形式，s為拉普拉斯變換的復(fù)變量。

圖4(c)是本發(fā)明被動(dòng)隔振裝置示意圖，通過(guò)傳統(tǒng)的彈簧-質(zhì)量-阻尼單元附加被動(dòng)隔振單元串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。被動(dòng)隔振單元被串聯(lián)到基礎(chǔ)平臺(tái)與負(fù)載平臺(tái)的連接處。其簡(jiǎn)易動(dòng)力學(xué)公式如(7)所示，串聯(lián)被動(dòng)隔振單元后系統(tǒng)等效剛度如公式(8)所示，傳遞率函數(shù)如公式(9)所示。

式中，M_p是負(fù)載平臺(tái)的質(zhì)量，c是負(fù)載平臺(tái)與基礎(chǔ)平臺(tái)間的等效阻尼，k_sys是本發(fā)明中負(fù)載平臺(tái)與基礎(chǔ)平臺(tái)間的等效剛度，k_add1是本發(fā)明中下彎曲片彈簧的剛度，k_add2是本發(fā)明中上彎曲片彈簧的剛度，k_ini是原負(fù)載平臺(tái)與基礎(chǔ)平臺(tái)間的等效剛度，x_o是負(fù)載平臺(tái)的振動(dòng)位移量，x_i是基礎(chǔ)平臺(tái)的振動(dòng)位移量，是x_o的二次導(dǎo)數(shù)，是x_o的一次導(dǎo)數(shù)，是x_i的一次導(dǎo)數(shù)，X_o是x_o的拉普拉斯變換形式，X_i是x_i的拉普拉斯變換形式，s為拉普拉斯變換的復(fù)變量。

圖4(d)是本發(fā)明主被動(dòng)復(fù)合隔振裝置示意圖，通過(guò)傳統(tǒng)的彈簧-質(zhì)量-阻尼單元附加被動(dòng)隔振單元和主動(dòng)隔振單元實(shí)現(xiàn)。將加速度傳感器安裝在負(fù)載平臺(tái)上測(cè)量負(fù)載平臺(tái)附近的振動(dòng)加速度信號(hào)，然后輸入給控制器進(jìn)行主動(dòng)控制運(yùn)算(本例中采用積分加速度反饋控制算法)，將輸出的實(shí)時(shí)控制信號(hào)傳遞給壓電致動(dòng)器以完成主動(dòng)控制。本發(fā)明簡(jiǎn)易動(dòng)力學(xué)公式如(10)所示，本發(fā)明壓電致動(dòng)器控制算法如公式(11)所示，本發(fā)明傳遞率函數(shù)如公式(12)所示。

式中，M_p是負(fù)載平臺(tái)的質(zhì)量，c是負(fù)載平臺(tái)與基礎(chǔ)平臺(tái)間的等效阻尼，k_sys是本發(fā)明中負(fù)載平臺(tái)與基礎(chǔ)平臺(tái)間的等效剛度，k_add1是本發(fā)明中下彎曲片彈簧的剛度，k_add2是本發(fā)明中上彎曲片彈簧的剛度，k_ini是原負(fù)載平臺(tái)與基礎(chǔ)平臺(tái)間的等效剛度，x_o是負(fù)載平臺(tái)的振動(dòng)位移量，x_i是基礎(chǔ)平臺(tái)的振動(dòng)位移量，是x_o的二次導(dǎo)數(shù)，是x_o的一次導(dǎo)數(shù)，是x_i的一次導(dǎo)數(shù)，F(xiàn)_fb是由壓電致動(dòng)器的實(shí)時(shí)控制信號(hào)得到的輸出力，t是時(shí)間系數(shù)，是積分加速度信號(hào)，ψ是本例中采用的積分加速度反饋控制算法的積分系數(shù)，X_o是x_o的拉普拉斯變換形式，X_i是x_i的拉普拉斯變換形式，s為拉普拉斯變換的復(fù)變量。

圖5是圖4(a)傳統(tǒng)被動(dòng)隔振裝置、圖4(b)傳統(tǒng)主被動(dòng)隔振裝置、圖4(c)本發(fā)明被動(dòng)隔振裝置和圖4(d)本發(fā)明主被動(dòng)復(fù)合隔振裝置的傳遞率曲線對(duì)比圖；即公式(3，6，9，12)的仿真圖。從圖中實(shí)線可以看出采用傳統(tǒng)被動(dòng)隔振時(shí)，因?yàn)榇嬖谧枘?，高頻段會(huì)保持高衰減率，但低頻段的共振峰處具有較高的峰值；而采用傳統(tǒng)主動(dòng)隔振可以有效抑制共振峰處的幅值，但由于主動(dòng)隔振單元中的壓電致動(dòng)器剛度較大，導(dǎo)致主被動(dòng)隔振單元固有頻率較高；本發(fā)明被動(dòng)隔振裝置在傳統(tǒng)被動(dòng)隔振裝置的基礎(chǔ)上，在與基礎(chǔ)平臺(tái)、負(fù)載平臺(tái)的連接處串聯(lián)兩個(gè)被動(dòng)隔振元件以形成本發(fā)明的雙被動(dòng)隔振系統(tǒng)。其能夠有效降低系統(tǒng)的固有頻率，提高隔振帶寬，但仍然存在較高的共振峰峰值。在本發(fā)明中雙被動(dòng)隔振系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)添加主動(dòng)隔振單元以形成本發(fā)明所提及的主被動(dòng)復(fù)合隔振裝置，不僅保證了高頻的高衰減率，同時(shí)有效抑制共振峰處的幅值，提高了隔振帶寬。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。