專利名稱：一種音圈隔振/抑振結(jié)構(gòu)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種音圈隔振/抑振結(jié)構(gòu)及其控制方法，屬于結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，高精密設(shè)備得到越來(lái)越廣泛的運(yùn)用，其對(duì)安裝結(jié)構(gòu)隔振性能和抗干擾能力的要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的被動(dòng)隔振結(jié)構(gòu)已經(jīng)漸漸無(wú)法滿足需要，而主動(dòng)控制技術(shù)則是解決這一問(wèn)題的有效途徑。一般來(lái)說(shuō)，高精密設(shè)備及其安裝結(jié)構(gòu)面臨的干擾因素主要有兩方面，一方面來(lái)自設(shè)備自身的直接干擾，例如由設(shè)備重量變化引起的干擾力；另一方面則來(lái)自于結(jié)構(gòu)基座傳來(lái)的振動(dòng)干擾。如果要抑制直接干擾，需要結(jié)構(gòu)有較高的剛度，而如果要隔離基座振動(dòng)，則需要結(jié)構(gòu)有較高的柔性。兩方面的需求是互相矛盾的，通常情況下兩者不可得兼，顧此則失彼。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述問(wèn)題，提出一種音圈隔振/抑振結(jié)構(gòu)及其控制方法，在安裝平臺(tái)和基座之間加入了一個(gè)中間平臺(tái)，三者通過(guò)兩個(gè)音圈電機(jī)和兩根支撐彈簧串聯(lián)起來(lái)，并由三根光軸限制徑向位移。當(dāng)啟用上音圈電機(jī)時(shí)，可以在安裝平臺(tái)和中間平臺(tái)之間提供一個(gè)負(fù)剛度，與下彈簧提供的正剛度串聯(lián)起來(lái)，理論上可以使結(jié)構(gòu)整體剛度趨于無(wú)窮大，從而抑制直接干擾。當(dāng)啟用下音圈電機(jī)時(shí)，可以提供一個(gè)可變阻尼，使基座振動(dòng)在傳遞到中間平臺(tái)時(shí)就得到良好的隔離，減弱甚至消除由下彈簧柔性引起的低頻共振，從而大幅削弱基座寬帶振動(dòng)對(duì)安裝平臺(tái)上高精密設(shè)備的影響。一種音圈隔振/抑振結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括動(dòng)力部分、支撐結(jié)構(gòu)部分和測(cè)量部分；動(dòng)力部分包括上音圈電機(jī)和下音圈電機(jī)，上音圈電機(jī)包括上音圈電機(jī)線圈和上音圈電機(jī)磁體，上音圈電機(jī)線圈與安裝平臺(tái)固定連接，上音圈電機(jī)磁體與中間平臺(tái)固定連接， 上音圈電機(jī)線圈位于上音圈電機(jī)磁體內(nèi)部的環(huán)形凹槽中，上音圈電機(jī)磁體外圍設(shè)有上支撐彈簧；下音圈電機(jī)包括下音圈電機(jī)線圈和下音圈電機(jī)磁體，下音圈電機(jī)線圈與基座固定連接，下音圈電機(jī)磁體與中間平臺(tái)固定連接，下音圈電機(jī)線圈位于下音圈電機(jī)磁體內(nèi)部的環(huán)形凹槽中，下音圈電機(jī)磁體外圍設(shè)有下支撐彈簧；支撐結(jié)構(gòu)部分包括安裝平臺(tái)、中間平臺(tái)、基座、上支撐彈簧、下支撐彈簧、光軸和直線滾珠導(dǎo)套；安裝平臺(tái)、中間平臺(tái)上均設(shè)有三個(gè)通孔，三個(gè)通孔為120°角均勻分布，安裝平臺(tái)、中間平臺(tái)的通孔中均設(shè)有直線滾珠導(dǎo)套，直線滾珠導(dǎo)套固定在通孔中，三根光軸分別穿過(guò)安裝平臺(tái)、中間平臺(tái)上的直線滾珠導(dǎo)套，最后固定在基座上；安裝平臺(tái)與中間平臺(tái)之間通過(guò)上支撐彈簧支撐，中間平臺(tái)與基座之間通過(guò)下支撐彈簧支撐；測(cè)量部分包括相對(duì)位移傳感器和速度傳感器；相對(duì)位移傳感器固定在安裝平臺(tái)的外邊緣；速度傳感器固定在中間平臺(tái)的外邊緣。一種音圈隔振/抑振結(jié)構(gòu)的控制方法，包括上音圈電機(jī)的控制方法和下音圈電機(jī)的控制方法；上音圈電機(jī)的控制方法具體為對(duì)于上音圈電機(jī)，當(dāng)安裝平臺(tái)與中間平臺(tái)受到干擾力而發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)位移傳感器會(huì)將其相對(duì)位移信號(hào)傳遞給外部控制器，控制器經(jīng)過(guò)電路運(yùn)算后向上音圈電機(jī)線圈輸出電流，使線圈部分和磁體部分發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并最終使安裝平臺(tái)和中間平臺(tái)產(chǎn)生穩(wěn)定的相對(duì)位移，提供對(duì)應(yīng)于干擾力的等效負(fù)剛度；通過(guò)調(diào)節(jié)控制器傳遞函數(shù)的參數(shù)，使負(fù)剛度的大小等于下彈簧提供的正剛度，從而使整體剛度趨于無(wú)窮大；下音圈電機(jī)的控制方法具體為對(duì)于下音圈電機(jī)，當(dāng)基座發(fā)生振動(dòng)時(shí)，速度傳感器將中間平臺(tái)的速度信號(hào)傳給外部控制器，控制器經(jīng)過(guò)電路運(yùn)算后向下音圈電機(jī)線圈輸出電流，并產(chǎn)生一個(gè)與速度成比例的電磁阻尼力；通過(guò)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)來(lái)改變阻尼系數(shù)的大小，在低頻段時(shí)增加阻尼系數(shù)抑制共振，高頻段減小阻尼系數(shù)增加振動(dòng)衰減速率，獲得良好的隔振性能。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，音圈電機(jī)應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，可靠性高；(2)本發(fā)明可以同時(shí)抑制來(lái)自安裝平臺(tái)的直接干擾和隔離來(lái)自基座的振動(dòng)，性能全面；(3)本發(fā)明在減弱甚至消除低頻共振的同時(shí)，也保證了結(jié)構(gòu)在高頻段的振動(dòng)衰減速率。


圖1是本發(fā)明的三維視圖2是本發(fā)明的四分之·一剖視圖3是本發(fā)明的半剖平面圖4是上音圈電機(jī)的控制方法示意圖5是下音圈電機(jī)的控制方法示意圖中
1-動(dòng)力部分2-支撐結(jié)構(gòu)部分3-測(cè)量部分
101-上音圈電機(jī)102-下音圈電機(jī)103-上音圈電機(jī)線圈
104-上音圈電機(jī)磁體105-下音圈電機(jī)線圈106-下音圈電機(jī)磁體
201-安裝平臺(tái)202-中間平臺(tái)203-基座
204-上支撐彈簧205-下支撐彈簧206-光軸
207-直線滾珠導(dǎo)套301-相對(duì)位移傳感器302-速度傳感器
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明是一種基于負(fù)剛度和振動(dòng)主動(dòng)控制的新型音圈隔振/抑振結(jié)構(gòu)，如圖1、圖 2、圖3所示，包括動(dòng)力部分1、支撐結(jié)構(gòu)部分2和測(cè)量部分3。
動(dòng)力部分1包括上音圈電機(jī)101和下音圈電機(jī)102，上音圈電機(jī)101包括上音圈電機(jī)線圈103和上音圈電機(jī)磁體104，上音圈電機(jī)線圈103通過(guò)螺釘與支撐結(jié)構(gòu)部分2的安裝平臺(tái)201固定連接，上音圈電機(jī)磁體104通過(guò)螺釘與支撐結(jié)構(gòu)部分2的中間平臺(tái)202固定連接，上音圈電機(jī)線圈103位于上音圈電機(jī)磁體104內(nèi)部的環(huán)形凹槽中，上音圈電機(jī)磁體 104外圍設(shè)有支撐結(jié)構(gòu)部分2的上支撐彈簧204 ；下音圈電機(jī)102包括下音圈電機(jī)線圈105 和下音圈電機(jī)磁體106，下音圈電機(jī)線圈105通過(guò)螺釘與支撐結(jié)構(gòu)部分2的基座203固定連接，下音圈電機(jī)磁體106通過(guò)螺釘與支撐結(jié)構(gòu)部分2的中間平臺(tái)202固定連接，下音圈電機(jī)線圈105位于下音圈電機(jī)磁體106內(nèi)部的環(huán)形凹槽中，下音圈電機(jī)磁體106外圍設(shè)有支撐結(jié)構(gòu)部分2的下支撐彈簧205。支撐結(jié)構(gòu)部分2包括安裝平臺(tái)201、中間平臺(tái)202、基座203、上支撐彈簧204、下支撐彈簧205、光軸206和直線滾珠導(dǎo)套207。安裝平臺(tái)201、中間平臺(tái)202上均設(shè)有三個(gè)通孔，三個(gè)通孔為120°角均勻分布，安裝平臺(tái)201、中間平臺(tái)202的通孔中均設(shè)有直線滾珠導(dǎo)套207，直線滾珠導(dǎo)套207通過(guò)螺釘固定在通孔中，三根光軸206分別穿過(guò)安裝平臺(tái)201、中間平臺(tái)202上的直線滾珠導(dǎo)套207， 最后通過(guò)螺釘固定在基座203上，三根光軸206用于限制徑向位移，通過(guò)直線滾珠導(dǎo)套207 后光軸206的摩擦力很小，保證軸向位移不受影響；安裝平臺(tái)201與中間平臺(tái)202之間通過(guò)上支撐彈簧204支撐，中間平臺(tái)202與基座203之間通過(guò)下支撐彈簧205支撐，上音圈電機(jī) 101、下音圈電機(jī)102分別位于上支撐彈簧204、下支撐彈簧205內(nèi)部。測(cè)量部分3包括相對(duì)位移傳感器301和速度傳感器302。相對(duì)位移傳感器301通過(guò)上下兩個(gè)螺母固定在安裝平臺(tái)201的外邊緣；速度傳感器302通過(guò)螺釘固定在中間平臺(tái) 202的外邊緣。所述的上音圈電機(jī)101和下音圈電機(jī)102均采用型號(hào)為L(zhǎng)A34-37-000A的音圈電機(jī)，是市購(gòu)產(chǎn)品，主要由磁體和線圈兩部分組成。兩者通過(guò)嵌套配合使用，可以進(jìn)行相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)。其中線圈部分可以外接電路，對(duì)其提供合適的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的運(yùn)動(dòng)。所述的上支撐彈簧204、下支撐彈簧205除了連接和支撐安裝平臺(tái)201和中間平臺(tái) 201與基座203之外，也為整體隔振結(jié)構(gòu)提供剛度。所述的中間平臺(tái)202和基座203均為45號(hào)鋼材料制造的圓形平臺(tái)，其中安裝平臺(tái) 201用來(lái)安裝設(shè)備，中間平臺(tái)202用來(lái)連接兩根支撐彈簧和安裝傳感器，基座203用來(lái)支撐整個(gè)結(jié)構(gòu)。所述的光軸206的型號(hào)為L(zhǎng)M-16，直線滾珠導(dǎo)套207型號(hào)為L(zhǎng)MF-16，均為市購(gòu)產(chǎn)品，兩者通過(guò)配合使用，滾動(dòng)摩擦力很小，可以忽略不計(jì)。三根光軸206和六個(gè)直線滾珠導(dǎo)套207在空間中分別成120°角均勻分布，在不影響安裝平臺(tái)201和中間平臺(tái)202軸向位移的同時(shí)，可以很好地限制結(jié)構(gòu)的徑向位移。所述的測(cè)量部分3的相對(duì)位移傳感器301為電渦流式位移傳感器，型號(hào)為 CWY-D0-502,由探頭和前置器兩部分構(gòu)成。其中探頭部分布有螺紋，通過(guò)兩個(gè)螺母與安裝平臺(tái)外邊緣的通孔相連，用來(lái)測(cè)量安裝平臺(tái)201與中間平臺(tái)202之間的相對(duì)位移。速度傳感器302為單軸壓電式速度傳感器，型號(hào)為CS-YD-004，其上布有內(nèi)螺紋，通過(guò)螺釘安裝中間平臺(tái)202的下表面外邊緣。測(cè)量部分3主要為外部電路控制提供參考量和反饋量。本發(fā)明可以同時(shí)抑制來(lái)自安裝平臺(tái)201的直接干擾和隔離來(lái)自基座203的寬帶振動(dòng)，工作過(guò)程為當(dāng)有直接干擾(例如由設(shè)備重量變化引起的向下的力)作用于安裝平臺(tái) 201時(shí)，兩根支撐彈簧會(huì)發(fā)生變形并產(chǎn)生一個(gè)壓縮量，此時(shí)通過(guò)控制外部電路對(duì)上音圈電機(jī)線圈103提供一個(gè)合適的電流，使其與上音圈電機(jī)磁體104產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，上音圈電機(jī)101 提供的電磁力將克服上支撐彈簧204的壓力，使安裝平臺(tái)201和中間平臺(tái)202之間的距離產(chǎn)生一個(gè)伸長(zhǎng)量，也就是提供了所謂的負(fù)剛度。通過(guò)調(diào)節(jié)外部控制器參數(shù)使其等效負(fù)剛度的大小剛好等于下支撐彈簧205提供的正剛度，那么安裝平臺(tái)201與中間平臺(tái)202之間距離的伸長(zhǎng)量則正好補(bǔ)償了中間平臺(tái)202與基座203之間距離的縮短量，整體串聯(lián)剛度趨于無(wú)窮大?？傮w效果就是安裝平臺(tái)201的絕對(duì)位置不變，中間平臺(tái)202向下偏移，從而保證了安裝在安裝平臺(tái)201的設(shè)備不受位置變化干擾。另一方面，當(dāng)基座203發(fā)生振動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)外部控制器對(duì)下音圈電機(jī)線圈105提供一個(gè)合適的電流，產(chǎn)生一個(gè)可變的電磁阻尼力， 從而在減弱甚至消除由下支撐彈簧205柔性引起的低頻共振的同時(shí)，也保證了結(jié)構(gòu)在高頻段的振動(dòng)衰減速率。這樣基座203寬帶振動(dòng)傳遞至中間平臺(tái)202時(shí)就已經(jīng)大大衰減，對(duì)安裝平臺(tái)201的影響更是微乎其微，從而滿足了高精密設(shè)備對(duì)安裝結(jié)構(gòu)隔振性能的要求。一種音圈隔振/抑振結(jié)構(gòu)及其控制方法，包括上音圈電機(jī)101的控制方法和下音圈電機(jī)102的控制方法。上音圈電機(jī)101的控制方法如圖4所示，具體為對(duì)于上音圈電機(jī)101，當(dāng)安裝平臺(tái)201與中間平臺(tái)202受到干擾力而發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)位移傳感器301會(huì)將其相對(duì)位移信號(hào)傳遞給外部控制器，控制器經(jīng)過(guò)電路運(yùn)算后向上音圈電機(jī)線圈103輸出電流，使線圈部分和磁體部分發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并最終使安裝平臺(tái)201和中間平臺(tái)202產(chǎn)生穩(wěn)定的相對(duì)位移，也就是提供了對(duì)應(yīng)于干擾力的等效負(fù)剛度。 可以通過(guò)調(diào)節(jié)控制器傳遞函數(shù)的參數(shù)，使負(fù)剛度的大小等于下彈簧提供的正剛度，從而使整體剛度趨于無(wú)窮大。下音圈電機(jī)102的控制方法如圖5所示，具體為對(duì)于下音圈電機(jī)102，當(dāng)基座203發(fā)生振動(dòng)時(shí)，速度傳感器302將中間平臺(tái)202的速度信號(hào)傳給外部控制器，控制器經(jīng)過(guò)電路運(yùn)算后向下音圈電機(jī)線圈105輸出電流，并產(chǎn)生一個(gè)與速度成比例的電磁阻尼力。可以通過(guò)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)來(lái)改變阻尼系數(shù)的大小，在低頻段時(shí)適當(dāng)增加阻尼系數(shù)抑制共振，高頻段減小阻尼系數(shù)增加振動(dòng)衰減速率，從而獲得良好的隔振性能。
權(quán)利要求
1.一種音圈隔振/抑振結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括動(dòng)力部分、支撐結(jié)構(gòu)部分和測(cè)量部分；動(dòng)力部分包括上音圈電機(jī)和下音圈電機(jī)，上音圈電機(jī)包括上音圈電機(jī)線圈和上音圈電機(jī)磁體，上音圈電機(jī)線圈與安裝平臺(tái)固定連接，上音圈電機(jī)磁體與中間平臺(tái)固定連接，上音圈電機(jī)線圈位于上音圈電機(jī)磁體內(nèi)部的環(huán)形凹槽中，上音圈電機(jī)磁體外圍設(shè)有上支撐彈簧；下音圈電機(jī)包括下音圈電機(jī)線圈和下音圈電機(jī)磁體，下音圈電機(jī)線圈與基座固定連接， 下音圈電機(jī)磁體與中間平臺(tái)固定連接，下音圈電機(jī)線圈位于下音圈電機(jī)磁體內(nèi)部的環(huán)形凹槽中，下音圈電機(jī)磁體外圍設(shè)有下支撐彈簧；支撐結(jié)構(gòu)部分包括安裝平臺(tái)、中間平臺(tái)、基座、上支撐彈簧、下支撐彈簧、光軸和直線滾珠導(dǎo)套；安裝平臺(tái)、中間平臺(tái)上均設(shè)有三個(gè)通孔，三個(gè)通孔為120°角均勻分布，安裝平臺(tái)、 中間平臺(tái)的通孔中均設(shè)有直線滾珠導(dǎo)套，直線滾珠導(dǎo)套固定在通孔中，三根光軸分別穿過(guò)安裝平臺(tái)、中間平臺(tái)上的直線滾珠導(dǎo)套，最后固定在基座上；安裝平臺(tái)與中間平臺(tái)之間通過(guò)上支撐彈簧支撐，中間平臺(tái)與基座之間通過(guò)下支撐彈簧支撐；測(cè)量部分包括相對(duì)位移傳感器和速度傳感器；相對(duì)位移傳感器固定在安裝平臺(tái)的外邊緣；速度傳感器固定在中間平臺(tái)的外邊緣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種音圈隔振/抑振結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的上音圈電機(jī)和下音圈電機(jī)均采用型號(hào)為L(zhǎng)A34-37-000A的音圈電機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種音圈隔振/抑振結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的中間平臺(tái)和基座均采用45號(hào)鋼材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種音圈隔振/抑振結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的光軸的型號(hào)為 LM-16。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種音圈隔振/抑振結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的直線滾珠導(dǎo)套型號(hào)為L(zhǎng)MF-16。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種音圈隔振/抑振結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的相對(duì)位移傳感器為電渦流式位移傳感器，型號(hào)為CWY-D0-502。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種音圈隔振/抑振結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的速度傳感器為單軸壓電式速度傳感器，型號(hào)為CS-YD-004。
8.—種音圈隔振/抑振結(jié)構(gòu)的控制方法，包括上音圈電機(jī)的控制方法和下音圈電機(jī)的控制方法；上音圈電機(jī)的控制方法具體為對(duì)于上音圈電機(jī)，當(dāng)安裝平臺(tái)與中間平臺(tái)受到干擾力而發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)位移傳感器會(huì)將其相對(duì)位移信號(hào)傳遞給外部控制器，控制器經(jīng)過(guò)電路運(yùn)算后向上音圈電機(jī)線圈輸出電流，使線圈部分和磁體部分發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并最終使安裝平臺(tái)和中間平臺(tái)產(chǎn)生穩(wěn)定的相對(duì)位移，提供對(duì)應(yīng)于干擾力的等效負(fù)剛度；通過(guò)調(diào)節(jié)控制器傳遞函數(shù)的參數(shù)，使負(fù)剛度的大小等于下彈簧提供的正剛度，從而使整體剛度趨于無(wú)窮大；下音圈電機(jī)的控制方法具體為對(duì)于下音圈電機(jī)，當(dāng)基座發(fā)生振動(dòng)時(shí)，速度傳感器將中間平臺(tái)的速度信號(hào)傳給外部控制器，控制器經(jīng)過(guò)電路運(yùn)算后向下音圈電機(jī)線圈輸出電流，并產(chǎn)生一個(gè)與速度成比例的電磁阻尼力；通過(guò)調(diào)節(jié)控制器參數(shù)來(lái)改變阻尼系數(shù)的大小，在低頻段時(shí)增加阻尼系數(shù)抑制共振，高頻段減小阻尼系數(shù)增加振動(dòng)衰減速率，獲得良好的隔振性能。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種音圈隔振/抑振結(jié)構(gòu)及其控制方法，在安裝平臺(tái)和基座之間加入了一個(gè)中間平臺(tái)，三者通過(guò)兩個(gè)音圈電機(jī)和兩根支撐彈簧串聯(lián)起來(lái)，并由三根光軸限制徑向位移。當(dāng)啟用上音圈電機(jī)時(shí)，可以在安裝平臺(tái)和中間平臺(tái)之間提供一個(gè)負(fù)剛度，與下彈簧提供的正剛度串聯(lián)起來(lái)，理論上可以使結(jié)構(gòu)整體剛度趨于無(wú)窮大，從而抑制直接干擾。當(dāng)啟用下音圈電機(jī)時(shí)，可以提供一個(gè)可變阻尼，使基座振動(dòng)在傳遞到中間平臺(tái)時(shí)就得到良好的隔離，減弱甚至消除由下彈簧柔性引起的低頻共振，從而大幅削弱基座寬帶振動(dòng)對(duì)安裝平臺(tái)上高精密設(shè)備的影響。
文檔編號(hào)H02K33/18GK102394548SQ20111028356
公開(kāi)日2012年3月28日 申請(qǐng)日期2011年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月22日
發(fā)明者李偉鵬, 鐘曉宇, 黃海 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)