一种二维转动抑振装置 |
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| 申请号 | CN202311547489.X | 申请日 | 2023-11-20 | 公开(公告)号 | CN117719699A | 公开(公告)日 | 2024-03-19 |
| 申请人 | 上海航天控制技术研究所; | 发明人 | 程明; 黄静; 朱东方; 孙俊; 孟亦真; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种二维转动抑振装置，包括： 基础 平台，作为二维转动抑振装置的底座。球铰 支撑 ，设置在基础平台上。负载平台，其位于球铰支撑上，并与球铰支撑的一端铰接，负载平台相对基础平台 水 平转动；负载平台，用于放置待抑振的负载。若干组支腿结构，若干组支腿结构环绕基础平台间隔设置，位于基础平台和负载平台之间；每一支腿结构包括：驱动单元和非线性弹性单元；驱动单元和非线性弹性单元串接；驱动单元设置在基础平台上，通过非线性弹性单元与负载平台连接；驱动单元用于产生转动驱动 力 ，以通过非线性弹性单元带动负载平台翻转，从而抑制负载产生的弯曲振动。本发明具有高 能量 密度 、高动态响应、控制 算法 设计简单的优势。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种二维转动抑振装置，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种二维转动抑振装置技术领域[0001] 本发明涉及一种振动抑制装置，尤其涉及一种二维转动抑振装置。 背景技术[0002] 弯曲振动在航天器在轨运行环境无处不在，如桁架天线、太阳翼和帆板等部件会在非均匀热载荷下产生弯曲振动。弯曲振动不仅会对部件自身的功能(如对地观测精度)和寿命产生影响，还会影响航天器的姿态稳定度和指向精度。随着桁架天线等部件的大型化，其质量和惯性力也急剧增加，对振动抑制装置的性能如承载能力、能量密度和响应速度提出了新的挑战。 [0003] 近年来，不同构型的集成智能作动器(压电驱动器、音圈电机、磁流变阻尼器)的并联抑振平台被广泛提出和研究，最典型的如基于Stewart(六自由度平台)机构的并联抑振平台。这类安装有六根支腿结构的并联平台，具六个方向上的抑振能力，包括三个平动方向和绕三个平动方向的转动方向。然而，该类型并联平台的各支腿之间通常存在严重的耦合关系，会导致动力学解算和控制算法设计十分复杂，进而影响振动控制精度和稳定性。六个支腿结构虽然增加了承载能力，但是也大幅增加了装置的质量。然而，航天环境对装置的质量控制极其严格。质量的增加势必会影响该类装置的实际应用。另外，桁架天线等部件通常产生弯曲振动，对平动方向的抑振能力的需求较小，那么，像Stewart机构类的并联平台的多维抑振能力并不能充分发挥出来。 [0004] 在智能作动器方面，压电驱动器由于具有结构简单、出力大、行程精度高等优点，被广泛用于并联抑振装置的作动器。然而，现有设计方案中，通常将压电驱动器单独使用，或者将其与放大机构配合使用，鲜有与非线性弹性元件集成使用的方案。导致传统方案难以协调压电驱动器作动行程和驱动能力的矛盾关系，行程过大会导致驱动能力急剧下降，而小行程下不能充分作动耗能。 发明内容[0005] 本发明为了解决背景技术中的问题，基于主动抑振原理，并结合压电驱动器的实际使用要求，本发明提出了一种二维转动抑振装置，通过以下技术方案实现： [0006] 一种二维转动抑振装置，包括：基础平台，作为所述二维转动抑振装置的底座；球铰支撑，设置在所述基础平台上；负载平台，其位于所述球铰支撑上，并与所述球铰支撑的一端铰接，所述负载平台相对所述基础平台水平转动；所述负载平台，用于放置待抑振的负载；若干组支腿结构，若干组所述支腿结构环绕所述基础平台间隔设置，位于所述基础平台和所述负载平台之间。每一所述支腿结构包括：驱动单元和非线性弹性单元；所述驱动单元和所述非线性弹性单元串接；所述驱动单元设置在所述基础平台上，通过所述非线性弹性单元与所述负载平台连接。所述驱动单元用于产生转动驱动力，以通过所述非线性弹性单元带动所述负载平台翻转，从而抑制所述负载产生的弯曲振动。 [0007] 可选地，所述球铰支撑包括：支撑筒，设置在所述负载平台上，所述支撑筒的顶端设有螺纹孔；所述负载平台的底面中心设有向顶面凹陷的球面凹槽。球头，所述球头与所述球面凹槽相匹配，且设置在所述球面凹槽内。球头螺杆，所述球头螺杆的一端设置在所述支撑筒的螺纹孔内，另一端与所述球头连接。球头盖，其贯穿所述球头螺杆，所述球头盖将所述球头与所述负载平台压紧。 [0008] 可选地，所述球铰支撑还包括若干压紧螺钉，其用于将所述球头盖压紧在所述负载平台上，所述球头盖和所述负载平台之间的压紧度通过旋转压紧螺钉进行调节。 [0009] 可选地，所述支腿结构为四组，四组所述支腿结构环绕所述基础平台间隔设置。 [0010] 可选地，所述驱动单元包括：菱形放大结构，所述菱形放大结构整体呈菱形，其中包括两个沿竖直方向分布的第一顶角和第二顶角，两个沿水平方向分布的第三顶角和第四顶角。所述菱形放大结构设置在所述基础平台和所述负载平台之间上，所述第一顶角与所述非线性弹性单元连接；所述第二顶角与所述基础平台连接；所述菱形放大结构用于将压电驱动器的作动位移和方向进行放大和转换，以驱动所述非线性弹性单元转动；所述压电驱动器设置在所述菱形放大结构的内部，所述压电驱动器的两端分别与所述第三顶角和所述第四顶角连接，并且所述压电驱动器的水平轴线与所述基础平台的上端面平行；所述压电驱动器用于沿其水平轴线方向做往复的直线运动，以对所述菱形放大结构提供直线驱动力。垫块，设置在所述菱形放大结构和所述压电驱动器之间，用于将所述菱形放大结构和所述压电驱动器紧密贴合。 [0011] 可选地，所述负载平台呈十字架状，每一所述十字架的端部底面设有安装孔。所述非线性弹性单元包括：圆筒，其内部中空，所述圆筒设置在所述安装孔内；端盖，设置在所述圆筒的下端面上，与所述圆筒的内部形成一个容纳空间。球面出力杆，所述球面出力杆的上端面为球面，所述球面出力杆的球面设置在所述容纳空间内，所述球面出力杆的另一端贯穿所述端盖与所述第一顶角固定连接。台阶垫块，位于所述容纳空间内，设置在所述球面出力杆的上端面上，其与所述球面出力杆的球面贴合在一起。上碟簧，位于所述容纳空间内，位于所述圆筒的顶端与所述台阶垫块之间。下碟簧，位于所述容纳空间内，位于所述球面出力杆球面的下部和所述端盖之间；所述下碟簧和上碟簧均处于压缩状态。 [0012] 当所述支腿结构为四组时，四个所述圆筒两两一组，其中一组的两个所述圆筒称为第一圆筒和第二圆筒，对应的所述球面出力杆称为第一球面出力杆和第二球面出力杆；所述第一圆筒和所述第二圆筒之间的连线作为第一翻转轴；另外一组的两个所述圆筒称为第三圆筒和第四圆筒；对应的所述球面出力杆称为第三球面出力杆和第四球面出力杆；所述第三圆筒和所述第四圆筒之间的连线作为第二翻转轴。当所述第一球面出力杆相对所述第一圆筒做背向/相向运动时，所述第一圆筒产生竖直向下/向上的驱动力。所述第二球面出力杆相对所述第二圆筒做相向/背向运动时，所述第二圆筒产生竖直向上/向下的驱动力，以驱动所述负载平台沿所述第二翻转轴左右翻转。当所述第三球面出力杆相对所述第三圆筒做背向/相向运动时，所述第三圆筒产生竖直向下/向上的驱动力。所述第四球面出力杆相对所述第四圆筒做相向/背向运动时，所述第四圆筒产生竖直向上/向下的驱动力，以驱动所述负载平台沿所述第一翻转轴上下翻转。 [0013] 可选地，所述第一负载的重量范围为0Nm‑20Nm，所述第二负载的重量范围为20Nm‑100Nm，当待抑振的所述负载为第一负载时，所述非线性弹性单元的等效刚度为第一等效刚度；当待抑振的所述负载为第二负载时，所述非线性弹性单元的等效刚度为第二等效刚度； 所述第二等效刚度大于所述第一等效刚度。 [0014] 可选地，所述非线性弹性单元还包括：垫片，位于所述容纳空间内，位于所述上碟簧与所述圆筒的顶端之间。 [0016] 可选地，当所述球面出力杆相对所述圆筒做背向运动时，所述下碟簧压缩量增大，所述上碟簧压缩量减小。当所述球面出力杆相对所述圆筒做相向运动时，所述下碟簧压缩量减小，所述上碟簧压缩量增大。 [0017] 本发明至少具有以下技术效果之一： [0018] (1)本发明提出的二维转动抑振装置，集成了驱动单元和非线性弹性元件，驱动单元通过菱形放大结构对压电驱动器的作动位移和方向进行放大和转换；非线性弹性单元提供非线性刚度，刚度随压缩量增大而增大，以协调压电驱动器作动行程和驱动能力的矛盾关系。本发明提出的二维转动抑振装置，能够保证压电驱动器在小负载情况能够充分作动以提供较大能量耗散作用，而在大负载情况下能够快速响应以完成驱动任务，具有高能量密度和高动态响应的特性。 [0019] (2)本发明提出的二维转动抑振装置，通过球铰支撑、菱形放大机构和球面出力杆的配合，将压电驱动器的直线运动转换为负载平台的转动，便于对弯曲振动进行抑制。 [0020] (3)本发明提出的二维转动抑振装置，驱动单元和非线性弹性单元串接成支腿结构，四组支腿结构绕中轴线均布，各支腿之间不存在耦合作用，相比于Stewart平台等并联机构，无需进行动力学解耦运算，具有控制算法设计简单、控制精度高的优势。附图说明 [0021] 图1是本发明一实施例提供的一种二维转动抑振装置的结构示意图； [0022] 图2是本发明一实施例提供的一种二维转动抑振装置的俯视图； [0023] 图3是本发明一实施例提供的一种二维转动抑振装置的主视图； [0024] 图4是本发明一实施例提供的球铰支撑的结构示意图； [0025] 图5是本发明一实施例提供的支腿结构的结构示意图； [0026] 附图标记：1‑基础平台、2‑支撑筒、3‑球头螺杆、4‑球头、5‑球头盖、6‑负载平台、7‑压电驱动器、8‑垫块、9‑菱形放大结构、10‑球面出力杆、11‑台阶垫块、12‑下碟簧、13‑上碟簧、14‑垫片、15‑圆筒、1501‑第一圆筒、1502‑第二圆筒、1503‑第三圆筒、1504‑第四圆筒、16‑端盖。 具体实施方式[0027] 以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种二维转动抑振装置作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。 [0028] 在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0029] 图1为本发明一实施例提供的一种二维转动抑振装置的整体结构示意图，如图1所示，本实施例提供的一种二维转动抑振装置包括：包括：基础平台1(可以参见图4的标号1所示)，作为所述二维转动抑振装置的底座；球铰支撑，设置在所述基础平台1上；负载平台6(可以参见图3的标号6所示)，其位于所述球铰支撑上，并与所述球铰支撑的一端铰接，所述负载平台6相对所述基础平台1水平转动；所述负载平台6，用于放置待抑振的负载；若干组支腿结构，若干组所述支腿结构环绕所述基础平台1间隔设置，位于所述基础平台1和所述负载平台1之间。每一所述支腿结构包括：驱动单元和非线性弹性单元；所述驱动单元和所述非线性弹性单元串接；所述驱动单元设置在所述基础平台1上，通过所述非线性弹性单元与所述负载平台6连接。所述驱动单元用于产生转动驱动力，以通过所述非线性弹性单元带动所述负载平台翻转，从而抑制所述负载产生的弯曲振动。 [0030] 本实施例提供的一种二维转动抑振装置，驱动单元通过菱形放大结构对压电驱动器的作动位移和方向进行放大和转换；非线性弹性单元提供非线性刚度，以协调压电驱动器作动行程和驱动能力的矛盾关系，保证压电驱动器在小负载情况能够充分作动以提供较大能量耗散作用，而在大负载情况下能够快速响应以完成驱动任务。 [0031] 如图4所示，所述球铰支撑包括：支撑筒，设置在所述负载平台6上，所述支撑筒的顶端设有螺纹孔；所述负载平台的底面中心设有向顶面凹陷的球面凹槽。球头4，所述球头4与所述球面凹槽相匹配，且设置在所述球面凹槽内。球头螺杆3，所述球头螺杆3的一端设置在所述支撑筒2的螺纹孔内，另一端与所述球头4连接。球头盖5，其贯穿所述球头螺杆3，所述球头盖5将所述球头4与所述负载平台压紧。 [0032] 如图3所示，所述驱动单元包括：菱形放大结构9，所述菱形放大结构9整体呈菱形状，其中包括两个沿竖直方向分布的第一顶角和第二顶角，两个沿水平方向分布的第三顶角和第四顶角；所述菱形放大结构9设置在所述基础平台1和所述负载平台之间上，所述第一顶角与所述非线性弹性单元连接；所述第二顶角与所述基础平台1连接；所述菱形放大结构9用于将压电驱动器7的作动位移和方向进行放大和转换，以驱动所述非线性弹性单元转动；所述压电驱动器7设置在所述菱形放大结构9的内部，所述压电驱动器7的两端分别与所述第三顶角和所述第四顶角连接，并且所述压电驱动器7的水平轴线与所述基础平台1的上端面平行；所述压电驱动器7用于沿其水平轴线方向做往复的直线运动，以对所述菱形放大结构9提供直线驱动力。垫块8，设置在所述菱形放大结构9和所述压电驱动器7之间，用于将所述菱形放大结构9和所述压电驱动器7紧密贴合。 [0033] 如图5所示，所述负载平台呈十字架状，每一所述十字架的端部底面设有安装孔。所述非线性弹性单元包括：圆筒15，其内部中空，所述圆筒15设置在所述安装孔内。端盖16，设置在所述圆筒15的下端面上，与所述圆筒的内部形成一个容纳空间。球面出力杆10，所述球面出力杆10的上端面为球面，所述球面出力杆10的球面设置在所述容纳空间内，所述球面出力杆10的另一端贯穿所述端盖16与所述第一顶角固定连接。台阶垫块11，位于所述容纳空间内，设置在所述球面出力杆10的上端面上，其与所述球面出力杆10的球面贴合在一起。上碟簧13，位于所述容纳空间内，位于所述圆筒15的顶端与所述台阶垫块11之间。下碟簧12，位于所述容纳空间内，位于所述球面出力杆10球面的下部和所述端盖16之间；所述下碟簧12和上碟簧13均处于压缩状态。垫片14，位于所述容纳空间内，位于所述上碟簧13与所述圆筒15的顶端之间。紧定螺钉，所述紧定螺钉与所述圆筒15的上端面螺纹连接，旋转所述紧定螺钉以调节所述下碟簧12和所述上碟簧13的压缩量。 [0034] 请继续参考图1，所述支腿结构为四组，四组所述支腿结构环绕所述基础平台1间隔设置。如图2所示，当所述支腿结构为四组时，四个所述圆筒两两一组，其中一组的两个所述圆筒称为第一圆筒1501和第二圆筒1502，对应的所述球面出力杆称为第一球面出力杆和第二球面出力杆；所述第一圆筒1501和所述第二圆筒1502之间的连线作为第一翻转轴。另外一组的两个所述圆筒称为第三圆筒1503和第四圆筒1504；对应的所述球面出力杆称为第三球面出力杆和第四球面出力杆；所述第三圆筒1503和所述第四圆筒1504之间的连线作为第二翻转轴。 [0035] 当所述第一球面出力杆相对所述第一圆筒1501做背向运动时，所述第一圆筒1501产生竖直向下的驱动力；所述第二球面出力杆相对所述第二圆筒1502做相向运动时，所述第二圆筒1502产生竖直向上的驱动力，以驱动所述负载平台沿所述第二翻转轴左右翻转。 [0036] 当所述第一球面出力杆相对所述第一圆筒1501做相向运动时，所述第一圆筒1501产生竖直向上的驱动力；所述第二球面出力杆相对所述第二圆筒1502做背向运动时，所述第二圆筒1502产生竖直向下的驱动力，以驱动所述负载平台沿所述第二翻转轴左右翻转。 [0037] 当所述第三球面出力杆相对所述第三圆筒1503做背向运动时，所述第三圆筒1503产生竖直向下的驱动力；所述第四球面出力杆相对所述第四圆筒1504做相向运动时，所述第四圆筒1504产生竖直向上的驱动力，以驱动所述负载平台沿所述第一翻转轴上下翻转。 [0038] 当所述第三球面出力杆相对所述第三圆筒1503做相向运动时，所述第三圆筒1503产生竖直向上的驱动力；所述第四球面出力杆相对所述第四圆筒1504做背向运动时，所述第四圆筒1504产生竖直向下的驱动力，以驱动所述负载平台沿所述第一翻转轴上下翻转。 [0039] 当待抑振的所述负载为第一负载时，所述上碟簧13和所述下碟簧12的压缩量均较小，所述非线性弹性单元的等效刚度较小；当待抑振的所述负载为第二负载时，所述第二负载的重量大于所述第一负载的重量，所述上碟簧13和所述下碟簧12的压缩量均较大，所述非线性弹性单元的等效刚度较大。 [0040] 所述第一负载的重量范围为0Nm‑20Nm，所述第二负载的重量范围为20Nm‑100Nm，当待抑振的所述负载为第一负载时，所述非线性弹性单元的等效刚度为第一等效刚度；当待抑振的所述负载为第二负载时，所述非线性弹性单元的等效刚度为第二等效刚度；所述第二等效刚度大于所述第一等效刚度。当所述待抑振的负载为第一负载时，所述上碟簧和所述下碟簧的压缩量均较小，所述非线性弹性单元的等效刚度较小；所述非线性弹性单元的等效刚度为所述垫片14、所述圆筒15、所述下碟簧13和所述上碟簧12的等效刚度的总和。 [0041] 当所述球面出力杆10相对所述圆筒15做背向运动时，所述下碟簧12压缩量增大，所述上碟簧13压缩量减小；当所述球面出力杆10相对所述圆筒15做相向运动时，所述下碟簧12压缩量减小，所述上碟簧13压缩量增大大；上碟簧和上碟簧始终处于并联连接关系。下碟簧和上碟簧的刚度随着压缩量的增大而增大。 [0042] 本实施例的工作原理如下： [0043] 振动抑制装置安装抑振系统的基座上，被抑振负载安装在振动抑制装置的负载平台6的上端面。当负载发生弯曲振动后，传感器检测振动状态并反馈至控制器，控制器经过运算后输出控制指令，驱动压电驱动器7。压电驱动器7输出经菱形放大机构9放大和转向后，通过弹性单元带动负载平台6发生转动。通过控制算法设计，控制负载平台6按一定规律运动，以抑制负载的弯曲振动。 [0044] 球面出力杆10相对圆筒15发生相对运动时，下碟簧12和上碟簧13的压缩量发生变化，提供并联等效刚度。等效刚度随着压缩量的增大而逐渐增大，保证压电驱动器在小负载情况能够充分作动以提供较大能量耗散作用，而在大负载情况下能够快速响应以完成驱动任务。 [0045] 综上所述，本发明提出的一种二维转动抑振装置，是质量较小的转动式抑振装置，采用驱动单元和非线性弹性单元串接成支腿结构，四组支腿结构绕中轴线均布，各支腿之间不存在耦合作用，而且结构更加紧促。采用非线弹性元件，以保证压电驱动器在小负载情况能够充分作动以提供较大能量耗散作用，而在大负载情况下能够快速响应以完成驱动任务。 |
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