一种基于压电效应的三轴向主动减振器及其系统的制作方法

1.本发明涉及减振技术领域，具体涉及一种基于压电效应的三轴向主动减振器及其系统。


背景技术：

2.随着军事装备对振动环境、产品结构振动特性越来越高的要求，被动隔振因其低频效果不好、不能适应外扰变化等局限性已难以满足需求，主动减振技术由于具有效果好、适应性强的特点具有重要的发展潜力，目前已成功应用于智能制造领域(光刻机、机床)，汽车领域(汽车悬架、座椅)，航空领域(航天器、空间站实验平台)及其它振动敏感设备中。
3.现有的主动减振器大多为单向减振，实际应用性差，难以直接应用于军事装备的减振，或者通过并联机构等方式实现多轴向减振，体积大，通用性差；如专利号为cn201921540891.4的专利文献，公开了一种主动减振器，其贮油缸右外侧壁在流通器处设计有电磁阀，流通器的第三油通孔与电磁阀的进油孔连通，电磁阀的出油孔与第二油通道连通，电磁阀通过电流的大小控制油液的流量，以此实现振动主动控制，该结构基于液压减振器，轴向尺寸大，且只能实现轴向振动控制；专利号为cn201911108027.1的专利文献，公开了一种面向军用计算机机柜应用的主动减振平台，其具有被动减振系统和主动减振系统，通过被动减振与主动减振系统的配合，实现对全频段振动的有效控制，但是其主动减振与被动减振独立，各轴向作动器相互独立，整个减振系统一体性差，集成度低；专利号为cn201811196314.8的专利文献，公开了一种三维主动减振控制系统，能够对测量得到平台上的振动进行计算，得到反馈信号，基于反馈信号驱动三维主动减振装置抵消残余的振动，来提高隔振效果，从而提高精密仪器的测量精度，相对于现有的被动隔振，其隔振能力大大增强，从而能够满足非常严苛的隔振需求，但是其可控频率仅为1-150hz，难以满足军用设备振动环境试验。
4.鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的不足，本发明所要解决的技术问题是：
6.本发明提供一种基于压电效应的三轴向主动减振器及其系统，将多个作动器设计于一体，可实现三轴向减振，整体体积小、集成度高，且更利于实际工程的应用。
7.本发明采用如下技术方案达到上述目的：
8.第一方面，本发明提供一种基于压电效应的三轴向主动减振器，包括：
9.作动器2、负载基板3和减振器基座5，所述负载基板3设有槽口，所述减振器基座5设有通孔，所述作动器2嵌于所述负载基板3槽口中并从所述减振器基座5通孔穿出；其中，所述作动器2包括径向作动器21、22和轴向作动器23，所述径向作动器21、22呈x轴向和y轴向设置并分别用于x轴向和y轴向的主动减振；所述轴向作动器23呈z轴向设置并用于z轴向的主动减振。
10.优选的，所述作动器2包括封装壳体24和压电堆25，所述封装壳体24设有槽口，所述压电堆25设于所述封装壳体24的槽口最深处，所述压电堆25根据所述x轴向、y轴向和z轴向的振动产生压电效应，通过所述压电效应实现所述x轴向、所述y轴向和所述z轴向的主动减振。
11.优选的，所述作动器2还包括依次设于所述压电堆25上方的球铰29、负载杆28、预压弹簧26和预紧力调节螺母27；其中，
12.所述球铰29做为传力装置，用于隔绝所述负载杆28弯曲载荷的传入和装配误差导致的弯矩直接作用于所述压电堆25上，防止所述压电堆25损坏；
13.所述负载杆28受到振动的激励时，外部控制系统自动调节输出电压使得所述压电堆25产生反向作用力，实现振动抑制；
14.所述预压弹簧26和所述预紧力调节螺母27用于消除所述压电堆25、所述球铰29和所述负载杆28之间的轴向间隙，使所述压电堆25始终工作在受压状态，通过调整预紧力调节螺母27，可控制所述压电堆25预压力大小。
15.优选的，还包括激励传感器11和响应传感器8，所述响应传感器8位于所述减振器基座5内部并设于所述负载基板3，所述激励传感器11设于所述减振器基座5下部，所述激励传感器11和所述响应传感器8用于采集和分析振动信号。
16.优选的，还包括控制接口1，所述控制接口1设于所述减振器基座5上，所述控制接口1用于传递所述激励传感器11和所述响应传感器8采集和分析的振动信号。
17.优选的，还包括弹性元件10，所述弹性元件10嵌于所述负载基板3槽口中并与所述径向作动器21、22同轴向相对设置，所述弹性元件10用于降低所述径向作动器21、22不同步引起的负载不平衡。
18.优选的，还包括位于所述减振器基座5下部的金属橡胶减振器6和高阻尼橡胶垫7，所述金属橡胶减振器6一端嵌入所述高阻尼橡胶垫7，另一端与所述减振器基座5机械连接；其中，所述金属橡胶减振器6和所述高阻尼橡胶垫7能实现被动减振。
19.优选的，还包括位于所述减振器基座5上部的密封盖4和密封圈9，所述密封盖4设有通孔，使得所述负载基板3能从所述密封盖4通孔穿出并能与外部基础连接；其中，所述密封圈9用于所述减振器基座5和所述密封盖4之间缝隙的填充。
20.优选的，所述作动器2与所述负载基板3为剪切力解耦结构，所述剪切力解耦结构用于降低所述作动器2与所述负载基板3之间的摩擦。
21.第二方面，本发明提供一种基于压电效应的三轴向主动减振器的系统，包括：控制器12、主动减振器13和振动敏感设备14，所述控制器12和所述主动减振器13通信连接，所述主动减振器13和所述振动敏感设备14机械连接，所述主动减振器13在所述控制器12的控制下用于对所述振动敏感设备14进行减振，所述主动减振器13根据振动敏感设备14的重心分布。
22.与现有技术相比，本发明所取得的有益效果在于：
23.本发明通过巧妙的结构设计，将多个作动器设计于一体，多个作动器集于一个负载基板上，通过三个作动器实现三个轴向的主动减振，整体结构简单、体积小巧、集成度高，实际工程应用范围广。
24.进一步的，本发明将压电堆设于封装壳体的最深处，并通过球铰、负载杆、预压弹
簧和预紧力调节螺母等部件的保护下，产品寿命长，可靠性好。
25.进一步的，本发明通过在径向作动器的轴向方向相对设置的弹性元件，降低了径向作动器不同步引起的负载不平衡，稳定性好，主动减振效果更优。
26.进一步的，本发明通过与金属橡胶减振器6和高阻尼橡胶垫7的结合应用，还能实现被动减振，减振频带更宽。
27.整体而言，本发明提出的一种基于压电效应的三轴向主动减振器及其系统，能实现三个轴向的主动减振，具有体积小、集成度高、稳定性好等多种优势，同时，还集成和具有被动减振能力，减振频带更宽，更利于实际工程应用。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作详细介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
29.图1为实施例1提供的一种基于压电效应的三轴向主动减振器结构示意图；
30.图2为实施例1提供的一种基于压电效应的三轴向主动减振器结构剖视图；
31.图3为实施例1提供的一种基于压电效应的三轴向主动减振器的作动器剖视图；
32.图4为实施例1提供的一种基于压电效应的三轴向主动减振器的金属橡胶减振器和高阻尼橡胶垫的连接结构示意图；
33.图5为实施例1提供的一种基于压电效应的三轴向主动减振器的金属橡胶减振器和高阻尼橡胶垫的连接结构剖视图；
34.图6为实施例1提供的一种基于压电效应的三轴向主动减振器的压电效用工作原理图；
35.图7为实施例1提供的一种基于压电效应的三轴向主动减振器的系统应用示意图。
36.在附图中，相同的附图标记用来表示相同的部件或结构，其中：
37.控制接口-1，作动器-2，负载基板-3，密封盖-4，减振器基座-5，金属橡胶减振器-6，高阻尼橡胶垫-7，响应传感器-8，密封圈-9，弹性元件-10，激励传感器-11，径向作动器-21、22，轴向作动器-23，封装壳体-24，压电堆-25，预压弹簧-26，预紧力调节螺母-27，负载杆-28，球铰-29；
38.控制器-12，主动减振器-13，振动敏感设备-14。
具体实施方式
39.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
40.在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“径向”、“轴向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
41.此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未
构成冲突就可以相互组合。
42.实施例1:
43.为了解决传统主动减振器，体积尺寸大、集成性差、减振可控频率带宽低的问题，本实施例提供一种基于压电效应的三轴向主动减振器，如图1所述，包括作动器2、负载基板3和减振器基座5，所述负载基板3设有槽口，所述减振器基座5设有通孔，所述作动器2嵌于所述负载基板3槽口中并从所述减振器基座5通孔穿出；其中，所述作动器2包括径向作动器21、22和轴向作动器23，所述径向作动器21、22呈x轴向和y轴向设置并分别用于x轴向和y轴向的主动减振；所述轴向作动器23呈z轴向设置并用于z轴向的主动减振，在本实施例中，呈x轴向、y轴向和z轴向设置的三个作动器2均与负载基板3集成于一体，所述作动器2与所述负载基板3之间能相对活动，x轴向、y轴向和z轴向均通过一个作动器2分别实现x轴向、y轴向和z轴向三个轴向的主动减振；具体应用时，三个作动器2分别安装在减振器基座5的三个方向，所述关于作动器2，还可以使用1个大尺寸的轴向作动器23和两个小尺寸径向作动器21、22，以保证静载平衡，需要说明的是，所述负载基板3设计成中间质量块形式，是作动器2与外部基础连接的重要部件，其动力学特征是三个作动器2协同作用的关键，相对于传统的主动减振器体积大、相对分散和独立的工作模式，本实施例提供的三轴向主动减振器，通过作动器2与负载基板3巧妙的组合结构设计，实现了体积小巧，集成度高这一有益效果；进一步的，考虑到，所述作动器2与所述负载基板3之间能相对活动，会存在剪切力的影响，而剪切力的存在，可能会出现较大的摩擦阻力的存在，严重时甚至导致振动系统失效，需要进行剪切力解耦设计，优选的，所述作动器2与所述负载基板3为剪切力解耦结构，所述剪切力解耦结构用于降低所述作动器2与所述负载基板3之间的摩擦，需要补充说明的是，所述剪切力，是指在一对相距很近(例如，本实施例中所述作动器2与所述负载基板3之间的距离)，大小相同，指向相反的横向外力(即垂直于作用面的力)作用下，横截面沿该外力作用方向发生的相对错动变形现象，能够使所述作动器2与所述负载基板3产生剪切变形的力，判断是否剪切力的关键是横截面是否发生相对错动，具体的，所述作动器2与所述负载基板3之间设计剪切力解耦装置，所述剪切力解耦方式可包括自润滑材料解耦、三角形线性接触或球面接触解耦以及机械解耦装置解耦等。
44.在本实施例中，优选的，如图3所述，所述作动器2包括封装壳体24和压电堆25，所述封装壳体24设有槽口，所述压电堆25设于所述封装壳体24的槽口最深处，所述压电堆25根据所述x轴向、y轴向和z轴向的振动产生压电效应，通过所述压电效应实现所述x轴向、所述y轴向和所述z轴向的主动减振，所述封装外壳24既作为作动器2的封装，又作为压电堆25的受力支承，需要具有足够刚度和强度，所述压电堆25，具体由压电材料制成，压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，所述压电效应，是指当压电材料受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差(称之为正压电效应)，反之施加电压，则产生机械应力(称为逆压电效应)。
45.在本实施例中，优选的，如图3所述，所述作动器2还包括依次设于所述压电堆25上方的球铰29、负载杆28、预压弹簧26和预紧力调节螺母27；由于压电堆25不能承受任何弯曲载荷，只能承受轴向载荷，为此在压电堆25顶部配置一个球铰29传力装置，所述球铰29做为传力装置，用于隔绝所述负载杆28弯曲载荷的传入和装配误差导致的弯矩直接作用于所述
压电堆25上，防止所述压电堆25损坏；所述负载杆28受到振动的激励时，外部控制系统自动调节输出电压使得所述压电堆25产生反向作用力，实现振动抑制；所述预压弹簧26和所述预紧力调节螺母27用于消除所述压电堆25、所述球铰29和所述负载杆28之间的轴向间隙，使所述压电堆25始终工作在受压状态，通过调整预紧力调节螺母27，可控制所述压电堆25预压力大小，在本实施例中，所述所述压电堆25设于所述封装壳体24的槽口最深处，所述压电堆25做为抑制振动的关键部件，在球铰29、负载杆28、预压弹簧26和预紧力调节螺母27等部件的相互作用和保护下，产品寿命长，可靠性好。
46.进一步的，针对传统主动减振器减振频带范围小(1-150hz)以及无法满足军用设备振动环境实验和应用的问题，为了实现更宽的减振频带，提高无源模式下减振器减振性能弥补压电减振在中高频段(一般为150hz-2000hz)的不足，本实施例提供一种基于压电效应的三轴向主动减振器，还集成和具有被动减振能力，如图1和图4-图5所述，还包括位于所述减振器基座5下部的金属橡胶减振器6和高阻尼橡胶垫7，所述金属橡胶减振器6一端嵌入所述高阻尼橡胶垫7，另一端与所述减振器基座5机械连接；其中，所述金属橡胶减振器6和所述高阻尼橡胶垫7能实现被动减振，具体的，在本实施例中，所述减振器基座5与金属橡胶减振器6的一端以“串联”的方法组合，在所述高阻尼橡胶垫7中间部位有一个与所述减振器基座5底部相镶嵌衔接的凸起的圆盘，通过减振器基座5、金属橡胶减振器6和高阻尼橡胶垫7相互的之间的嵌套和衔接组合，提高了减振器抗冲击性能，使得x轴向、y轴向和z轴向三个轴向的减振频带更宽，本实施例综合了主动减振技术与被动减振技术的优点，通过主动减振和被动减振两种方式，为了实现更宽的减振频带。
47.本实施例提供一种基于压电效应的三轴向主动减振器，主动减振和被动减振的电路原理如下，如图6所示，当外部供电时，减振器工作在有源工作模式下，接触器的常开触点k1闭合，作动器2接收压电堆25功放的信号并对外输出反作用力，通过压电主动减振方式，从而起到主动减振的作用；当外部电源断开，减振器工作在无源工作模式下，接触器的常闭触点k2闭合，作动器2在外部振动的作用下产生电荷，振动能转换为电能最终被外接电阻r消耗，通过压电馈能减振方式，从而起到被动减振的目的；需要说明的是，在无源工作模式下，利用压电馈能技术减振还可降低能耗，其工作原理是：利用压电陶瓷材料在低频的正压电效应，在无源工作模式下，以被动减振为主，利用压电馈能技术在低频抑制放大，由负载振动激励激发压电陶瓷发电，通过外接电阻r发热消耗振动能量，从而实现低频被动减振。
48.在本实施例中，优选的，如图1所述，为了实现振动信号的传输，还包括控制接口1，所述控制接口1设于所述减振器基座5上，所述控制接口1用于传递所述激励传感器11和所述响应传感器8采集和分析的振动信号，需要说明的是，关于振动信号的传输的传输实现方式，可以是有线传输，也可以为无线传输，当应用无线传输时，应用一个无线传输模块即可实现。
49.在本实施例中，优选的，如图2所述，为了实现振动信号的采集和分析，还包括激励传感器11和响应传感器8，所述响应传感器8位于所述减振器基座5内部并设于所述负载基板3，所述激励传感器11设于所述减振器基座5下部，所述激励传感器11和所述响应传感器8用于采集和分析振动信号，具体的，当减振系统受到轴向振动激励时，所述控制器12通过设于在所述减振器基座5上的激励传感器11和所述负载基板3上的响应传感器8采集并分析振动信号，由内部的控制算法对轴向作动器23两端的输入电压进行实时调控，产生与激励反
向的作用力，实现轴向振动的抑制；当减振系统受到径向激励时，所述控制器12通过设于在所述减振器基座5上的激励传感器11和负载基板3上的响应传感器8采集并分析振动信号，由内部的控制算法径向作动器21、22两端的输入电压进行实时调控，产生与激励反向的作用力，实现径向振动的抑制；进一步的，激励传感器11采集外界振动信号的频率及加速度输入控制器12由控制算法进行判别，在主动减振频带时启动主动控制程序，通过作动器2输出反向振动，并由响应传感器8采集减振效果作为误差信号，对控制程序参数进行实时调整，使传递率处于较低水平。在被动减振频带，主动减振系统不启动，依靠被动减振器实现隔振。从而实现整个频带的传递率控制效果。通过激励传感器11、响应传感器8采集并分析振动信号，由控制器12对各个作动器2两端的输入电压进行实时调控，从而产生与激励反向的作用力，实现振动的主动控制。
50.本实施例提供一种基于压电效应的三轴向主动减振器，其轴向和径向分别布置三个单向压电作动器2，从而能实现三个轴向的主动减振，同时将三个压电作动器2与负载基板3设计于一体，减小减振器外形尺寸，具有体积小、集成度高、稳定性好等多种优势，同时，还集成和具有被动减振能力，通过在减振器底部与金属橡胶减振基座以“串联”的方法组合，综合了主动减振技术与被动减振技术的优点，减振频带更宽，同时，还能保证传递率控制效果，提高了可靠性，降低了能耗，更利于实际工程应用。
51.在本实施例中，优选的，如图2所述，为了实现径向作动器21、22不同步引起的负载不平衡，还包括弹性元件10，所述弹性元件10嵌于所述负载基板3槽口中并与所述径向作动器21、22同轴向相对设置，所述弹性元件10用于降低所述径向作动器21、22不同步引起的负载不平衡，在本实施例中，所述弹性元件10数量与所述径向作动器21、22数量上是对应的，弹性元件10数量也为两个，两个弹性元件10分别与所述径向作动器21和所述径向作动器22一一对应，所述弹性元件10与所述负载基板3沿所述负载基板3对称。
52.在本实施例中，优选的，如图1所述，为了对主动减振器结内部构提供保护，还包括位于所述减振器基座5上部的密封盖4和密封圈9，所述密封盖4设有通孔，使得所述负载基板3能从所述密封盖4通孔穿出并能与外部基础连接；其中，所述密封圈9用于所述减振器基座5和所述密封盖4之间缝隙的填充，所述外部基础，泛指需要被减振保护的基础设施的底部基准面，通过设置的密封盖4，可以实现对外部环境进行阻隔，通过设置密封圈9，可以使得负载基板3和减振器基座5结合得更加紧密，通过设置的密封盖4和密封圈9，可有效防外部的止水、灰尘或其他异物进入到主动减振器内部结构中。
53.实施例2:
54.在实施例1的基础上，结合实际的应用场景，本实施例2提供一种基于压电效应的三轴向主动减振器的系统，如图7所述，包括控制器12、主动减振器13和振动敏感设备14，所述控制器12和所述主动减振器13通信连接，所述主动减振器13和所述振动敏感设备14机械连接，所述主动减振器13在所述控制器12的控制下用于对所述振动敏感设备14进行减振，所述主动减振器13根据振动敏感设备14的重心分布，在本实施例中，所述主动减振器13采取组合使用的方式，根据振动敏感设备14的重心分布情况，优选采用四个减振器，搭建了一个减振系统，进行组合减振。
55.当减振系统受到轴向振动激励时，所述控制器12通过设于在所述减振器基座5上的激励传感器11和所述负载基板3上的响应传感器8采集并分析振动信号，由内部的控制算
法对轴向作动器23两端的输入电压进行实时调控，产生与激励反向的作用力，实现轴向振动的抑制；当减振系统受到径向激励时，所述控制器12通过设于在所述减振器基座5上的激励传感器11和负载基板3上的响应传感器8采集并分析振动信号，由内部的控制算法径向作动器21、22两端的输入电压进行实时调控，产生与激励反向的作用力，实现径向振动的抑制。
56.在运输或设备停机状态中，主动减振器13处于无源工作模式，此时减振器主要通过金属橡胶减振器6隔离外部基础传递过来的振动，主动减振器13利用正压电效应辅助被动减振，激发压电堆25发电，通过外接电阻r发热消耗能量，从而实现无源模式下的减振。
57.其中，主动减振器13通过负载基板3与振动敏感设备14(外部基础)机械连接，主动减振器13通过减振器基座5与金属橡胶减振器6机械连接，所述机械连接方式，优选的，以钢钉的方式进行连接。
58.综上所述，本发明提出的一种基于压电效应的三轴向主动减振器及其系统，能实现三个轴向的主动减振，具有体积小、集成度高、稳定性好等多种优势，同时，还集成和具有被动减振能力，减振频带更宽，更利于实际工程应用。
59.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。