一種仿啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種仿啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺，包括被動減振組件、變剛度變阻尼空氣彈簧組件、組合承載平臺和外框架，所述被動減振組件包括硬質(zhì)橡膠墊和剪切型粘彈阻尼器，所述變剛度變阻尼空氣彈簧組件包括兩個或兩個以上沿機座對稱分布的雙氣室空氣彈簧，所述組合承載平臺包括鋼板制成的頂板、底板和側(cè)板，頂板、底板和側(cè)板之間設置有隔離層，所述外框架對稱安裝在機座兩側(cè)。本實用新型的仿啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺無作動部件，耗能低，相對于有主動控制的減振平臺，可大幅度降低制造成本和運行成本，節(jié)能，經(jīng)濟實用。
【專利說明】一種仿啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及本實用新型涉及振動控制技術和仿生【技術領域】，尤其涉及一種仿啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺。
【背景技術】
[0002]近年來，由于技術與產(chǎn)業(yè)的不斷進步，高速旋轉(zhuǎn)機械、電子設備、高效高精密加工和微機械等高精密系統(tǒng)對隔減振系統(tǒng)的要求達到了極其苛刻的程度。各種環(huán)境振動、機械沖擊成為限制各類高精密系統(tǒng)提高加工精度或工作精度的重要因素。目前在精密系統(tǒng)中仍是以空氣彈簧作為主要隔振元件的被動或半主動隔減振系統(tǒng)，這種單一隔振元件組成的隔減振系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足高精尖技術裝備對振動隔離技術的需求。為了提高隔減振系統(tǒng)的隔振效率，科研和工程技術人員也開發(fā)了一些隔減振系統(tǒng)。
[0003]《中國機械工程》2006年第17卷第21期刊載的論文《微制造平臺隔振系統(tǒng)仿生設計》，模仿啄木鳥頭部結(jié)構設計了一種基于主動控制技術的隔振平臺，由I個平臺、4個空氣彈簧、8個超磁致伸縮致動器、6個伺服型傳感器、3個高度控制閥、I套控制系統(tǒng)組成。該裝置以超磁致伸縮致動器作為主動隔振元件，并與檢測系統(tǒng)一起構成閉環(huán)主動振動控制系統(tǒng)，可以有效地消除由基礎傳遞過來的各種頻率的振動擾力。但是該文件給出的主動隔振系統(tǒng)包括平臺、空氣彈簧、超磁致伸縮致動器、伺服型傳感器、高度控制閥、控制系統(tǒng)等，結(jié)構相對復雜，而且致動器、傳感器等的運行都需要消耗能量。哈爾濱工業(yè)大學2010年公開的一篇工學碩士學位論文《基于磁流變阻尼器減振平臺的研制》描述了一種基于磁流變阻尼器的半主動減振平臺，由交流伺服電機、磁流變阻尼器、電控部件、機架等組成。該論文的主要目的是為了驗證開發(fā)的磁流變效應控制算法的有效性和控制效果。作為一種基于智能型減振材料的主動或半主動減振平臺，實際應用時必須設計相應的電控裝置，結(jié)構復雜，費用高。
[0004]專利CN100573341C所描述的一種精密減振組件及由其構成的減振平臺，將被動減振組件與主動減振執(zhí)行器并聯(lián)構成的一種半主動減振平臺，具有減振和定位功能，該結(jié)構雖然實現(xiàn)了對寬頻域振動的有效抑制，但是裝置中主動減振執(zhí)行器的結(jié)構復雜，能量消耗也較大。專利CN102621064A公開了一種專門為精密光學系統(tǒng)設計的減振平臺，包括可移動臺面和用于驅(qū)動可移動臺面運動的驅(qū)動系統(tǒng)，在組成結(jié)構中具有主動控制減振單元，使得整體振動量較小，可達0.005_數(shù)量級。因此該減振平臺屬于主動控制領域而且應用局限于精密控制系統(tǒng)，很難在其它各種機械設備中應用。
[0005]綜上可見，目前已開發(fā)的高精密系統(tǒng)隔減振平臺均采用以主動減振控制技術為主的主動或半主動振動控制技術，裝置中需要設計主動減振元件的執(zhí)行機構、控制器和控制算法，不僅結(jié)構復雜，而且費用高，周期長，安裝調(diào)試相對被動振動控制技術困難。因此如果能夠開發(fā)一種基于被動控制技術的隔減振平臺將會具有廣闊的工程應用前景。本案設計人員就是以此為目標，借鑒前期對啄木鳥頭部生理結(jié)構隔減振機理的研究，在工程實際應用場合中將減振器件與減振要求進行整體化考慮并進行優(yōu)化匹配，基于被動控制技術，利用剪切型粘彈阻尼器模擬啄木鳥頭骨內(nèi)腦脊液與大腦之間的相對運動，在此基礎上構造一種高效被動隔減振平臺，并運用振動基礎理論、非線性阻尼理論和生物力學設計計算該平臺非線性剛度、阻尼的變化范圍，并對高效隔減振平臺的質(zhì)量、阻尼和剛度進行優(yōu)化匹配，實現(xiàn)抑制低頻振動和隔離中高頻振動的目的，滿足高精密設備對隔減振系統(tǒng)的要求。
實用新型內(nèi)容
[0006]為解決現(xiàn)有技術存在的不足，本實用新型通過借鑒前期對啄木鳥頭部生理結(jié)構的觀察和隔振機理的研究，提供一種利用硬質(zhì)橡膠墊、剪切型粘彈阻尼器、蜂窩狀復合結(jié)構材料和雙氣室空氣彈簧等構件來模仿啄木鳥頭部生理結(jié)構而形成的一種高效被動隔減振平臺。該平臺具有承載和隔減振作用，可有效隔離各種環(huán)境寬頻域隨機振動對承載設備(如微機械系統(tǒng)、超精密加工系統(tǒng))的影響，提聞承載設備的工作精度，也可有效減小承載設備(如聞速旋轉(zhuǎn)機械、聞速或超聞速加工系統(tǒng))廣生的中聞頻振動或沖擊對環(huán)境的影響。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的具體方案如下:
[0008]一種仿啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺，包括被動減振組件、變剛度變阻尼空氣彈簧組件、組合承載平臺和外框架，所述被動減振組件包括硬質(zhì)橡膠墊和剪切型粘彈阻尼器，所述變剛度變阻尼空氣彈簧組件包括2個或2個以上沿機座對稱分布的雙氣室空氣彈簧，所述組合承載平臺包括鋼板制成的頂板、底板和側(cè)板，頂板、底板和側(cè)板之間設置有隔離層，所述外框架對稱安裝在機座兩側(cè)。
[0009]所述剪切型粘彈阻尼器是由粘彈性阻尼材料通過膠接或栓接使外框架和組合承載平臺構成三層結(jié)構的剪切型粘彈阻尼器。
[0010]所述粘彈性阻尼材料通過膠接或栓接安裝在外框架與組合承載平臺之間。
[0011 ] 所述硬質(zhì)橡膠墊安裝于環(huán)境基礎和機座之間。
[0012]所述鋼板為剛性大、變形小的優(yōu)質(zhì)鋼板。
[0013]所述外框架通過緊固螺栓固定在機座上，螺栓與機座之間還設有墊片。
[0014]所述隔離層為有蜂窩狀復合結(jié)構材料制成的隔離層。
[0015]所述機座的形狀與實際環(huán)境空間相配合，為圓形或方形。
[0016]所述組合承載平臺的形狀與使用的被隔離對象相配合，為圓形或方形。
[0017]所述雙氣室空氣彈簧包括主氣室和輔助氣室，主氣室、輔助氣室分別安裝有橡膠主氣囊和橡膠輔助氣囊，輔助氣室的橡膠輔助氣囊密閉構成壓力腔，主氣室和輔助氣室之間開有阻尼孔作為主氣室和輔助氣室之間空氣的流動通道。
[0018]所述剪切型粘彈阻尼器兼具彈性固體和粘性流體的特性，具有模仿啄木鳥頭部頭骨-腦脊液-大腦之間的流體剪切作用。
[0019]機座可根據(jù)實際環(huán)境空間設計成圓形或方形，組合承載平臺可根據(jù)被隔離對象的使用要求設計成圓形或方形，同時硬質(zhì)橡膠墊和外框架的結(jié)構也要作相應的調(diào)整。
[0020]用于承載被隔離對象的平臺是由剛度大的優(yōu)質(zhì)結(jié)構鋼和蜂窩狀復合結(jié)構材料構成的一種組合承載平臺，具有承載和減振的作用。剛度大的優(yōu)質(zhì)結(jié)構鋼用于模擬啄木鳥頭部堅硬的喙，蜂窩狀復合結(jié)構材料用于模仿喙底部的海綿狀軟骨，即松質(zhì)骨。
[0021]本實用新型利用剪切型粘彈阻尼模擬啄木鳥頭部腦脊液的流體流動作用，利用剛度大的優(yōu)質(zhì)結(jié)構鋼模擬啄木鳥堅硬的喙，利用蜂窩狀復合結(jié)構材料模擬喙底部的海綿狀軟骨，并在組成結(jié)構中添加具有變剛度變阻尼功能的雙氣室空氣彈簧來模擬啄木鳥頭部的肌肉、軟骨等軟組織。在此思路上采用被動減振組件，變剛度變阻尼空氣彈簧組件，組合承載平臺和外框架等零部件進行優(yōu)化匹配設計形成了一種仿啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺。該高效隔減振平臺利用空氣彈簧優(yōu)越的衰減振動性能、粘彈性阻尼優(yōu)越的耗能特性進行優(yōu)化匹配來實現(xiàn)高效減振抗沖性能。
[0022]本實用新型的有益效果:本實用新型提供的一種仿照啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺是借鑒啄木鳥頭部的生理結(jié)構特征，同時充分考慮工程實際應用場合的隔減振要求來設計完成的，具體有益效果如下:
[0023]1.借鑒啄木鳥頭部結(jié)構，利用振動理論和非線性阻尼理論并結(jié)合優(yōu)化設計理論將“剪切型”粘彈阻尼、變剛度變阻尼空氣彈簧組件、組合承載平臺等功能模塊設計計算優(yōu)化匹配，形成仿啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺，其全部隔減振元件均為被動控制元件，不僅設計緊湊，結(jié)構簡單、可靠，而且不消耗能量。大大克服了過往隔減振平臺由于主動隔振元件的存在帶來的結(jié)構復雜、需要耗能的弊端。
[0024]2.仿啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺運用仿生學和流體動力學理論設計，不僅具有雙氣室空氣彈簧結(jié)構，而且還具有“剪切型”粘彈阻尼結(jié)構，因此兼具空氣彈簧的大承載和粘彈阻尼的耗能特性，“剪切型”粘彈阻尼器與空氣彈簧結(jié)構的優(yōu)化匹配可使隔減振平臺的減振效率較于現(xiàn)有的由單一隔振元件組成的減振平臺大幅度提高。
[0025]3.剪切型粘彈阻尼器和雙氣室空氣彈簧的組合使用使本實用新型的隔減振平臺具有兩大明顯優(yōu)勢:一是系統(tǒng)低頻時高阻尼和高頻時低阻尼，能夠有效抑制低頻諧振同時又能夠隔離中高頻振動，因此適用的頻率范圍更加廣泛；二是小承載時低剛度大承載時高剛度，“遇強則強，遇柔則柔”，因此所適用的載荷大小更加廣泛。
[0026]4.模仿啄木鳥頭部海綿狀松質(zhì)骨結(jié)構而形成的蜂窩狀復合材料的組合承載平臺，能夠有效降低組合承載平臺的剛度，而且大大提高阻尼值，能夠有效衰減中高頻振動。
[0027]5.仿啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺針對不同外部載荷的類型和大小，運用仿生學和流體動力學理論進行設計，包括“剪切型”阻尼的材料、厚度和寬度，空氣彈簧主、輔助氣室的空氣壓力、流量、流速等參數(shù)，當各參數(shù)設計得當，結(jié)構件強度設計滿足要求時可使得其整體振動量較小，可達微米級，可以為電子設備、高精密加工、高速旋轉(zhuǎn)機械、MEMS系統(tǒng)等提供較好的隔減振環(huán)境。
[0028]6.本實用新型的仿啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺無作動部件，耗能低，相對于有主動控制的減振平臺，可大幅度降低制造成本和運行成本，節(jié)能，經(jīng)濟實用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1啄木鳥頭部生理結(jié)構示意圖；
[0030]圖2本實用新型整體結(jié)構示意圖；
[0031]圖3本實用新型中組合承載平臺結(jié)構示意圖；
[0032]圖4 (a)本實用新型中雙氣室空氣彈簧(以安裝4個為例)均勻?qū)ΨQ分布長方形布置不意圖；
[0033]圖4 (b)本實用新型中雙氣室空氣彈簧(以安裝4個為例)均勻?qū)ΨQ分布菱形布置示意圖；[0034]圖5本實用新型具體實施例結(jié)構示意圖；
[0035]圖中，I環(huán)境基礎，2硬質(zhì)橡膠墊，3機座，4緊固螺栓，5墊片，6外框架，7粘彈性阻尼材料，8側(cè)板，9頂板，10蜂窩狀復合材料，11底板，12主氣囊，13主氣室14阻尼孔，15輔助氣室，16輔助氣囊，17變剛度變阻尼空氣彈簧組件，18組合承載平臺，19MEMS系統(tǒng)，20喙，21松質(zhì)骨，22軟組織，23腦脊液，24大腦。
【具體實施方式】:
[0036]下面結(jié)合附圖對本實用新型進行詳細說明:
[0037]如圖1所示，本實用新型通過借鑒具有優(yōu)良減振抗沖性能的啄木鳥頭部的生理結(jié)構進行設計，啄木鳥頭部的生理結(jié)構為:啄木鳥的喙20十分堅固，而且喙20的底部和頭部連接的部位長有一層海綿狀軟骨，稱之為松質(zhì)骨21，對喙20傳給大腦24的振動能作很好的初步緩解。在大腦24周圍有一層綿狀骨骼，內(nèi)含液體，稱之為腦脊液23，流體流動的剪力作用大大降低啄20擊時的沖擊力傳遞到大腦24，對外力能起緩沖和消振作用。除此之外，它的腦殼周圍還長滿了具有減振作用的肌肉和軟組織22，可以將喙尖和頭部始終保持在一條直線上，使啄木鳥在啄木時頭部嚴格地進行直線運動。
[0038]如圖2-3所示，一種仿啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺，包括被動減振組件、變剛度變阻尼空氣彈簧組件、組合承載平臺18和外框架6，所述被動減振組件包括硬質(zhì)橡膠墊2和剪切型粘彈阻尼器，所述變剛度變阻尼空氣彈簧組件17包括2個或2個以上沿機座對稱分布的雙氣室空氣彈簧，所述組合承載平臺18包括鋼板制成的頂板9、底板11和側(cè)板8,頂板9、底板11和側(cè)板8之間設置有隔尚層,所述外框架6對稱安裝在機座兩側(cè)。
[0039]剪切型粘彈阻尼器為由粘彈性阻尼材料通過膠接或栓接使外框架6和組合承載平臺18構成三層結(jié)構的剪切型粘彈阻尼器。粘彈性阻尼材料7安裝在外框架6與組合承載平臺18之間。硬質(zhì)橡膠墊2安裝于環(huán)境基礎I和機座3之間。鋼板為剛性大、變形小的優(yōu)質(zhì)鋼板，外框架6通過緊固螺栓4固定在機座3上，緊固螺栓4與機座3之間還設有墊片
5。隔離層為有蜂窩狀復合結(jié)構材料10制成的隔離層。機座3的形狀與實際環(huán)境空間相配合，為圓形或方形。組合承載平臺18的形狀與使用的被隔離對象相配合，為圓形或方形。
[0040]所述雙氣室空氣彈簧包括主氣室13和輔助氣室15，主氣室13、輔助氣室15分別安裝有橡膠主氣囊12和橡膠輔助氣囊16，輔助氣室15的橡膠輔助氣囊16密閉構成壓力腔，主氣室13和輔助氣室15之間開有阻尼孔14作為主氣室13和輔助氣室15之間空氣的流動通道。
[0041]所述剪切型粘彈阻尼器兼具彈性固體和粘性流體的特性，具有模仿啄木鳥頭部頭骨-腦脊液23-大腦24之間的流體剪切作用。
[0042]若干個雙氣室空氣彈簧構成對稱結(jié)構，一般采用2個或2個以上，并置于機座3和組合承載平臺18之間并沿機座3的重心對稱分布，因此可降低組合承載平臺18受到不對稱分布的激勵時發(fā)生彎曲振動。其中在受到外力作用時，空氣可通過阻尼孔14在空氣彈簧的主氣室13和輔助氣室15內(nèi)流動，空氣彈簧的剛度和阻尼隨之變化，從而消耗振動能量，達到衰減振動的目的。除此之外，變剛度變阻尼空氣彈簧組件17會隨著外載荷的大小調(diào)節(jié)自身剛度，具有一定的自適應、自調(diào)節(jié)功能，“遇強則強，遇弱則弱”，所適用的載荷大小更加廣泛。
[0043]如圖4 (a)-圖4 (b)所示為4個雙氣室空氣彈簧沿底座重心的兩種分布方式結(jié)構示意圖，分別為為長方形布置方式和菱形布置方式。
[0044]雙氣室空氣彈簧17與由外框架6、粘彈性阻尼材料7和組合承載平臺18的側(cè)板8構成的三層結(jié)構的剪切型粘彈阻尼器的組合使用，能夠獲得較大的垂向支撐力和比較低的垂向剛度，而且由2個或2個以上雙氣室空氣彈簧構成的變剛度變阻尼空氣彈簧組件17安裝在機座3和組合承載平臺18之間，相互協(xié)同工作，能夠衰減較寬頻域的振動。由于較大的垂向支撐力因此也能夠抵抗大沖擊振動。而且剪切型粘彈阻尼器的阻尼值隨激勵頻率的升高而降低，因此可實現(xiàn)系統(tǒng)低頻時高阻尼和高頻時低阻尼，能夠有效抑制低頻諧振的同時又能夠隔離中高頻振動，大大克服現(xiàn)階段普通被動振動控制技術普遍存在的低頻諧振抑制和高頻振動隔離無法兼顧的缺點。
[0045]如附圖5所示，為本實用新型在MEMS系統(tǒng)中的一個具體實施例，MEMS系統(tǒng)19安裝于組合承載平臺18上，四個雙氣室空氣彈簧采用方形布置方式支撐組合承載平臺18。雙氣室空氣彈簧的數(shù)量可以根據(jù)實際需要進行設計。
[0046]本實用新型特指一種仿照啄木鳥頭部生理結(jié)構而設計的用于減振、抗沖的高效被動隔減振平臺，尤其適用于高精密加工、高速旋轉(zhuǎn)機械、微機械等精密系統(tǒng)以及電子設備等有較高隔減振要求的設備中，尤其對中高頻振動、沖擊具有良好的隔減振效果。
[0047]上述雖然結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內(nèi)。
【權利要求】
1.一種仿啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺，其特征是，包括被動減振組件、變剛度變阻尼空氣彈簧組件、組合承載平臺和外框架，所述被動減振組件包括硬質(zhì)橡膠墊和剪切型粘彈阻尼器，所述變剛度變阻尼空氣彈簧組件包括2個或2個以上沿機座對稱分布的雙氣室空氣彈簧，所述組合承載平臺包括鋼板制成的頂板、底板和側(cè)板，頂板、底板和側(cè)板之間設置有隔離層，所述外框架對稱安裝在機座兩側(cè)。
2.如權利要求1所述的一種仿啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺，其特征是，所述剪切型粘彈阻尼器是由粘彈性阻尼材料通過膠接或栓接使外框架和組合承載平臺構成三層結(jié)構的剪切型粘彈阻尼器。
3.如權利要求2所述的一種仿啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺，其特征是，所述粘彈性阻尼材料安裝在外框架與組合承載平臺之間。
4.如權利要求1所述的一種仿啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺，其特征是，所述硬質(zhì)橡膠墊安裝于環(huán)境基礎和機座之間。
5.如權利要求1所述的一種仿啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺，其特征是，所述外框架通過緊固螺栓固定在機座上，螺栓與機座之間還設有墊片。
6.如權利要求1所述的一種仿啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺，其特征是，所述隔離層為有蜂窩狀復合結(jié)構材料制成的隔離層。
7.如權利要求1所述的一種仿啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺，其特征是，所述機座的形狀與實際環(huán)境空間相配合，為圓形或方形。
8.如權利要求1所述的一種仿啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺，其特征是，所述組合承載平臺的形狀與使用的被隔離對象相配合，為圓形或方形。
9.如權利要求1所述的一種仿啄木鳥頭部生理結(jié)構的高效被動隔減振平臺，其特征是，所述雙氣室空氣彈簧包括主氣室和輔助氣室，主氣室、輔助氣室分別安裝有橡膠主氣囊和橡膠輔助氣囊，輔助氣室的橡膠輔助氣囊密閉構成壓力腔，主氣室和輔助氣室之間開有阻尼孔作為主氣室和輔助氣室之間空氣的流動通道。
【文檔編號】F16F15/08GK203532619SQ201320614451
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權日:2013年9月30日
【發(fā)明者】唐委校, 呂宏卿, 宋清華 申請人:山東大學