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

背景技術：

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

結(jié)構上，目前主流的微振動隔振器均采用被動隔振元件與主動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的主被動混合并聯(lián)使用、膜片彈簧與音圈電機、彎曲片彈簧與壓電致動器的主被動混合串聯(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衰減能力。

空氣彈簧與音圈電機的主被動并聯(lián)結(jié)構使得隔振器具有工作行程大、負載高和固有頻率低的特點，但其結(jié)構也較為復雜，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)構簡單，同時剛度較低。音圈電機具有大行程的優(yōu)點，但其耗能大，主動控制帶寬窄。且其剛度較低，多為軟式結(jié)構，且空間設備發(fā)射時需要額外的鎖定裝置，以上因素制約了其在太空環(huán)境中的應用。壓電智能材料的應用為隔振器的設計開拓了新領域，其定位精度高(可達納米級)且動態(tài)響應好，同時具有較高的主動控制帶寬。但其作動行程較小，可應用于微定位及微振動抑制平臺。采用壓電陶瓷為執(zhí)行器的主動隔振機構多為硬式結(jié)構，空間設備發(fā)射時不需要鎖定裝置，也擴大了其使用遠景。但壓電陶瓷剛度大，會導致結(jié)構固有頻率較高，難以有效的衰減低頻干擾。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種單自由度主被動隔振裝置，該裝置結(jié)構緊湊、安裝簡便，具有較低的固有頻率，能夠有效的衰減和抑制微振動信號。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種單自由度主被動隔振裝置，包括由下至上依次連接的基礎平臺、下彎曲片彈簧、波紋屏蔽管、上彎曲片彈簧和負載平臺，以及放置于波紋屏蔽管內(nèi)部的主動隔振單元；下彎曲片彈簧和上彎曲片彈簧構成被動隔振單元；主動隔振單元包括壓電致動器、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器的輸入端。

進一步的，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、單邊長度L和彎曲半徑R之間滿足如下約束關系：

進一步的，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，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，通過主動控制單元與上、下彎曲片彈簧構成的被動隔振單元的復合使用，不僅對高頻振動干擾具有良好的高衰減率隔振效果，還能有效的實現(xiàn)低頻共振抑制，隔離低頻振動，可有效抑制微振動環(huán)境，為遙感衛(wèi)星高分辨率觀測成像等設備提供穩(wěn)定的工作環(huán)境，被動隔振單元采用上、下彎曲片彈簧結(jié)構，有效的降低了結(jié)構的固有頻率，能夠有效的抑制精密設備中的微振動低頻干擾，可有效降低系統(tǒng)的行程間隙，同時減小工作狀態(tài)中的摩擦和發(fā)熱。采用壓電致動器，可達到納米級定位精度，可有效應用于精密微振動抑制及隔離領域；還可降低太空應用的耗能，且為硬式結(jié)構，設備發(fā)射時不需要額外的鎖定裝置，相比于音圈電機，能夠更為有效的在太空環(huán)境中使用，擴大了使用場景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的三維結(jié)構示意圖；

圖2是圖1所示結(jié)構的剖視圖；

圖3是本發(fā)明所采用彎曲片彈簧結(jié)構及尺寸標注圖；

圖4(a)是傳統(tǒng)被動隔振裝置簡化示意圖；

圖4(b)是傳統(tǒng)主被動隔振裝置示意圖；

圖4(c)是本發(fā)明被動隔振裝置示意圖

圖4(d)是本發(fā)明主被動復合隔振裝置示意圖；

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

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實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)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

圖1是本發(fā)明的三維結(jié)構示意圖；其中下彎曲片彈簧11a的下端通過沉頭螺釘與基礎平臺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的上端通過雙頭螺釘連接，上彎曲片彈簧11b上端則與負載平臺16通過沉頭螺釘連接。其中下彎曲片彈簧11a、上彎曲片彈簧11b構成被動隔振單元，主動隔振單元放置于波紋屏蔽管15內(nèi)，進行高壓屏蔽保護。

圖2是圖1所示結(jié)構的剖視圖；波紋屏蔽管15內(nèi)的主動隔振單元包括帶壓電致動器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，壓電致動器13與控制器20連接，其中加速度傳感器14用于測量負載平臺附近的振動加速度信號，然后信號被傳輸給控制器20，在控制器20中進行主動控制算法運算，運算結(jié)果被輸出給壓電致動器13，壓電致動器作為主動隔振單元的執(zhí)行單元，進行主動力控制。波紋屏蔽管端面蓋板12連接起主動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)構及尺寸標注圖，彎曲片彈簧11a、11b采用2n個半圓彎曲成形片彈簧結(jié)構組成，圖5所示n＝7，按照本發(fā)明的一種較佳實施方式，其結(jié)構關系滿足式(1)，其中字母標識如圖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度，R是彎曲片彈簧的彎曲半徑。

在上述優(yōu)化的結(jié)構參數(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)被動隔振裝置示意圖，傳統(tǒng)被動隔振裝置通過傳統(tǒng)的彈簧-質(zhì)量-阻尼單元實現(xiàn)，傳統(tǒng)被動隔振裝置的簡易動力學公式如(2)所示，傳統(tǒng)被動隔振裝置的傳遞率函數(shù)如公式(3)所示。

式中，M_p是負載平臺的質(zhì)量，c是負載平臺與基礎平臺間的等效阻尼，k_ini是負載平臺與基礎平臺間的等效剛度，x_o是負載平臺的振動位移量，x_i是基礎平臺的振動位移量，是x_o的二次導數(shù)，是x_o的一次導數(shù)，是x_i的一次導數(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變量。

圖4(b)是傳統(tǒng)主被動隔振裝置示意圖，通過傳統(tǒng)的彈簧-質(zhì)量-阻尼單元附加主動隔振單元實現(xiàn)。將加速度傳感器安裝在負載平臺上測量負載平臺附近的振動加速度信號，然后輸入給控制器進行主動控制運算(本例中采用天棚阻尼控制算法)得到實時控制信號，將實時控制信號輸出給壓電致動器以完成主動控制。其簡易動力學公式如(4)所示，壓電致動器控制算法如公式(5)所示，傳遞率函數(shù)如公式(6)所示。

式中，M_p是負載平臺的質(zhì)量，c是負載平臺與基礎平臺間的等效阻尼，k_ini是負載平臺與基礎平臺間的等效剛度，x_o是負載平臺的振動位移量，x_i是基礎平臺的振動位移量，是x_o的二次導數(shù)，是x_o的一次導數(shù)，是x_i的一次導數(shù)，F(xiàn)_fb是由壓電致動器的實時控制信號得到的輸出力，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變量。

圖4(c)是本發(fā)明被動隔振裝置示意圖，通過傳統(tǒng)的彈簧-質(zhì)量-阻尼單元附加被動隔振單元串聯(lián)實現(xiàn)。被動隔振單元被串聯(lián)到基礎平臺與負載平臺的連接處。其簡易動力學公式如(7)所示，串聯(lián)被動隔振單元后系統(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是負載平臺的質(zhì)量，c是負載平臺與基礎平臺間的等效阻尼，k_sys是本發(fā)明中負載平臺與基礎平臺間的等效剛度，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是原負載平臺與基礎平臺間的等效剛度，x_o是負載平臺的振動位移量，x_i是基礎平臺的振動位移量，是x_o的二次導數(shù)，是x_o的一次導數(shù)，是x_i的一次導數(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變量。

圖4(d)是本發(fā)明主被動復合隔振裝置示意圖，通過傳統(tǒng)的彈簧-質(zhì)量-阻尼單元附加被動隔振單元和主動隔振單元實現(xiàn)。將加速度傳感器安裝在負載平臺上測量負載平臺附近的振動加速度信號，然后輸入給控制器進行主動控制運算(本例中采用積分加速度反饋控制算法)，將輸出的實時控制信號傳遞給壓電致動器以完成主動控制。本發(fā)明簡易動力學公式如(10)所示，本發(fā)明壓電致動器控制算法如公式(11)所示，本發(fā)明傳遞率函數(shù)如公式(12)所示。

式中，M_p是負載平臺的質(zhì)量，c是負載平臺與基礎平臺間的等效阻尼，k_sys是本發(fā)明中負載平臺與基礎平臺間的等效剛度，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是原負載平臺與基礎平臺間的等效剛度，x_o是負載平臺的振動位移量，x_i是基礎平臺的振動位移量，是x_o的二次導數(shù)，是x_o的一次導數(shù)，是x_i的一次導數(shù)，F(xiàn)_fb是由壓電致動器的實時控制信號得到的輸出力，t是時間系數(shù)，是積分加速度信號，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變量。

圖5是圖4(a)傳統(tǒng)被動隔振裝置、圖4(b)傳統(tǒng)主被動隔振裝置、圖4(c)本發(fā)明被動隔振裝置和圖4(d)本發(fā)明主被動復合隔振裝置的傳遞率曲線對比圖；即公式(3，6，9，12)的仿真圖。從圖中實線可以看出采用傳統(tǒng)被動隔振時，因為存在阻尼，高頻段會保持高衰減率，但低頻段的共振峰處具有較高的峰值；而采用傳統(tǒng)主動隔振可以有效抑制共振峰處的幅值，但由于主動隔振單元中的壓電致動器剛度較大，導致主被動隔振單元固有頻率較高；本發(fā)明被動隔振裝置在傳統(tǒng)被動隔振裝置的基礎上，在與基礎平臺、負載平臺的連接處串聯(lián)兩個被動隔振元件以形成本發(fā)明的雙被動隔振系統(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)明中雙被動隔振系統(tǒng)的基礎上，繼續(xù)添加主動隔振單元以形成本發(fā)明所提及的主被動復合隔振裝置，不僅保證了高頻的高衰減率，同時有效抑制共振峰處的幅值，提高了隔振帶寬。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，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、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。