一种移动载体精密仪器隔振系统

1.本发明属于精密隔振领域，更具体地，涉及一种移动载体精密仪器隔振系统。


背景技术：

2.振动一直普遍存在于工业生产、精密测量等领域，随着设备对加工和测量精度的要求提高，对隔振的要求也越来越苛刻。由于许多测量设备需要在移动物体运动状态下实现正常工作，但是移动载体自身运动以及基座对移动载体的干扰导致移动载体的振动会传递到精密仪器，造成精密仪器无法正常工作或者精度大大降低，因此需要为精密仪器添加一套隔振系统。
3.现有的隔振系统一般采用被动隔振的方式，传统的被动隔振装置能够比较有效地克服高频振动的影响，对低频振动的隔离效果较差，而且被动隔振装置对时变的振源无能为力。因此被动隔振装置已经不能满足精密仪器的隔振要求。
4.对于位于移动载体上的精密仪器，进行隔振的难度更是大大增加，在中国发明专利说明书cn106763453a中公开了一种摆式陀螺稳定复合减振车载精密仪器工作平台，该发明利用陀螺的定轴性来克服运载工具的加速度的变化，并对其倾斜度做及时的修正，在行车时使工作平台保持水平状态。其隔振系统包括气动减振器与弹簧组合减震垫等结构，气动减振器可以实现对仪器的大幅减振，弹簧组合减震垫通过不同强度的弹簧对仪器完成微调，但是该隔振系统为纯被动隔振，当遇到不同的工况，则需要另外更换弹簧以及气动减震器，适用范围小。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种移动载体精密仪器隔振系统，旨在以低成本，解决对移动载体上的精密仪器进行灵活主被动隔振的问题，同时提供更大的隔振行程范围和更广泛的适用范围。
6.为解决上述问题，按照本发明的一个方面，提供了一种移动载体精密仪器隔振系统，包括稳姿组件、隔震组件和传感器；
7.所述稳姿组件用于保证整个隔振系统在水平方向上保证相对稳定；
8.所述隔振组件用于固定安装精密仪器并实现系统低频隔振，通过远程负刚度机构与正刚度并联，降低系统刚度和固有频率，实现低频隔振。
9.所述稳姿组件包括电动缸、电动缸固定板、框架梁、万向球转接法兰、万向球、传感器和支撑板；
10.所述偶数个框架梁，分为两组，多个框架梁端部两两固定连接，组成两个多边形框架，两个多边形框架的角与对应多个电动缸固定板的端部固定连接，组成多边形柱体框架，所述传感器安装于多边形柱体框架上，用于获取系统的水平状态和振动信息；
11.所述每个电动缸固定板的板面上固定安装有电动缸，电动缸的伸缩杆伸长方向朝下，伸缩杆下端部安装有万向球转接法兰，万向球转接法兰中套有万向球；
12.多边形柱体框架顶面的顶角端固定安装有对应数量的支撑板，其板面朝下，用于加固框架以及连接隔振组件；
13.所述隔震组件包括主弹簧、柔性绳、负刚度机构、负刚度机构安装板、固定板和弹簧安装板；
14.所述固定板数量与支撑板数量一致，固定板对应摆放在支撑板下方，每个固定板正面底部与弹簧安装板侧面固定连接，弹簧安装板顶面与主弹簧一端固定连接，主弹簧的另一端与所述稳姿组件的支撑板底面固定连接；
15.所述固定板背面底部与负刚度机构安装板侧面固定连接，负刚度机构安装板顶板与负刚度机构固定连接，负刚度机构的动子与柔性绳一端固定连接，柔性绳另一端与所述稳姿组件的支撑板底面固定连接，负刚度机构用于与主弹簧并联使整体系统刚度近零，所述固定板的上部用于与精密仪器连接固定。
16.优选的，框架梁组成正方形，电动缸安装板与框架梁组成立方体，支撑板与固定板的数量均为四个。
17.优选的，主弹簧为刚度小于3n/mm的圆柱螺旋拉伸弹簧。
18.优选的，负刚度机构为磁负刚度机构、压杆式负刚度、预压缩式弹簧负刚度机构和电机负刚度机构的一种。
19.进一步地，负刚度机构优先采用磁负刚度机构，因为磁负刚度机构无接触无摩擦且线性度比较好，不存在其他干扰因素，避免引入内部振动干扰，由于柔性绳水平方向刚度很小，避免了增大水平方向刚度。
20.优选的，电动缸在电动缸固定板上的固定安装方式为螺栓连接，电动缸与电动缸固定板连接处设有电动缸固定垫片。
21.优选的，传感器为陀螺仪。
22.优选的，隔震组件中的每一个固定板和负刚度机构安装板的侧面与两个斜肋板配合固定连接。
23.进一步的，负刚度机构采用远程连接的方式，设置了沿负刚度方向的轻质柔性绳，使其只传递负刚度方向的拉力，用于应对精密仪器与振动载体之间产生较大的位移。
24.优选的，述柔性绳为橡胶弹力绳，柔性绳采用可以产生较大形变且不易发生塑性变形的绳索，为了避免柔性绳对水平刚度的影响，所选用的柔性绳刚度在截面方向上应尽可能低，在竖直方向满足预设的刚度要求和强度要求。
25.优选的，柔性绳可替换为轻质刚性杆或刚性绳，所选轻质刚性杆在水平方向上的刚度应尽可能低，所选刚性绳在使用前需提供一个预拉力，保证使用过程中始终处于受拉状态。
26.优选的，轻质刚性杆优为碳纤维管，刚性绳为钢丝绳。
27.总体而言，本发明的技术方案与现有技术相比，用于取得下列有益效果：
28.(1)本发明通过电动缸的伸缩动作，实现了精密仪器水平方向的相对稳定，通过正负刚度机构的并联，即柔性绳串联小型负刚度与主弹簧正刚度并联，实现了水平方向与竖直方向刚度近零，实现了对移动载体上精密仪器的灵活主被动隔振；
29.(2)本发明可以完成大承载力与低刚度的实现，在满足系统承载力的情况下极大降低系统刚度，提高低频段隔振带宽与隔振性能；
30.(3)本发明中使用的远程负刚度结构允许隔振系统与基座之间存在较大的振动位移，使得隔振系统可以应用于大部分移动载体，包括车载、机载、舰载等移动载体，增大了隔振应用范围，提高了系统适用性。
附图说明
31.图1为本发明实例所提供的搭载重力梯度仪的移动载体隔振系统三维结构图；
32.图2为本发明实例所提供的稳姿组件的三维结构图；
33.图3为本发明实例所提供的隔振组件的三维结构图；
34.图4为本发明实例所提供的磁负刚度机构的三维结构图；
35.图5为本发明实例所提供的远程负刚度与正刚度并联示意图；
36.图6为本发明实例所提供的电机负刚度机械结构示意图；
37.图7为本发明实例所提供的电机负刚度控制方式示意图。
38.附图中标记为：稳姿组件1，隔振组件2，精密设备重力梯度仪3，电动缸11，电动缸固定板12，电动缸固定垫块13，横梁14，横梁长杆15，万向球转接法兰16，万向球17，传感器18，上支撑板19，主弹簧21，柔性绳22，负刚度机构23，负刚度机构安装板24，固定板25，弹簧安装板26，斜肋板27，弹簧固定支座28，磁铁定子上下安装板231，磁铁定子左右安装板232，磁铁动子安装座233，强磁铁234，磁铁动子转接板235，柔性绳压块236，簧片237，磁铁动子限位安装板238，簧片锁定块239，簧片压块2310，负刚度机构42，远程负刚度系统43，柔性绳44，正刚度弹簧46，负刚度底板51，转轴支座52，转轴压板53，转板54，电机动子转接板55，电机定子56，电机动子57，电机定子固定座58。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
40.实施例一：
41.图1为本发明搭载重力梯度仪的移动载体隔振系统三维结构图，如图所示，移动载体精密仪器隔振系统由稳姿组件1、隔振组件2和重力梯度仪3组成。稳姿组件1用于连接隔振组件2上的主弹簧21与柔性绳22，并保证整个重力梯度仪3在水平方向上保证基本稳定；隔振组件2用于安装固定重力梯度仪3，以降低系统刚度和固有频率，实现低频隔振；重力梯度仪3是一种测量重力梯度变化的精密仪器。
42.稳姿组件1整体大致呈立方体结构，隔振组件2位于稳姿组件1内部，通过主弹簧21和柔性绳22与稳姿组件1的上支撑板19连接，与重力梯度仪3通过侧边螺栓固定安装于隔振组件2的支撑板23上。
43.图2为稳姿组件1的三维结构图，如图所示，稳姿组件1由电动缸11、电动缸固定板12、电动缸固定垫块13、横梁14、横梁长杆15、万向球转接法兰16、万向球17和上支撑板19组成。
44.电动缸11的型号为loe50-200-c-l5-d-la-750w，电动缸11通过4个m8螺钉安装于电动缸固定板12，为了防止干涉，电动缸11与电动缸固定板12连接处设有电动缸垫块13；4
个横梁14与4个横梁长杆15均通过m8螺钉固定于电动缸固定板12，万向球17通过万向球转接法兰16与电动缸11固定，万向球转接法兰16下方设有至少3个m6连接孔，用于与万向球17固定，上方中心为m20螺纹孔，用于与电动缸11伸缩杆固定；上方有四个上支撑板通过m8螺钉与横梁14和横梁长杆15固定，其上安装有传感器18，至少四个电动缸固定板、横梁14与横梁长杆15组成整个稳姿组件1整体框架。
45.图3为隔振组件2的三维结构图，如图所示，隔振组件2由主弹簧21、柔性绳22、负刚度机构23、负刚度机构安装板24、固定板25、弹簧安装板26、斜肋板27和弹簧固定支座28组成。
46.主弹簧21为线径5mm，中径35mm，有效圈数60.5圈，刚度仅为2.36n/mm的圆柱螺旋拉伸弹簧，主弹簧21下方通过弹簧固定支座28固定于弹簧安装板26，上方通过弹簧固定支座28固定于上支撑板19，主弹簧21上的挂环与弹簧固定支座28的圆柱面相配合，弹簧固定支座28通过螺旋副分别与上支撑板19和弹簧安装板26连接；竖支撑25与精密仪器的安装面配合，通过螺钉固定在精密仪器上方；负刚度安装板24与弹簧安装板26固定在固定板25上，分别用于对负刚度机构23和主弹簧21的安装；斜肋板27固定在固定板25与负刚度机构安装板24上，用于提高负刚度安装板24的强度和支撑刚度。
47.图4为负刚度机构23的三维结构图，如图所示，负刚度机构23为磁负刚度机构，由磁铁定子上下安装板231、磁铁定子左右安装板232、磁铁动子安装座233、强磁铁234、磁铁动子转接板235、柔性绳压块236、簧片237、磁铁动子限位安装板238、簧片锁定块239和簧片压块2310组成。
48.两块磁铁定子左右安装板231通过螺钉安装在磁铁定子上下安装板232左右两侧，磁铁定子左右安装板231和磁铁定子上下安装板233均有限位，用于固定强磁铁234；簧片锁定块239一端固定在磁铁动子233，另一端固定在簧片锁定压块2310上，磁铁动子安装座233为长方体状，中间部分用于放置强磁铁动子，四角处设有矩形截面凹槽，用于固定方形螺母实现对簧片237长度的调节限位；强磁铁动子限位安装板238固定于磁铁定子左右安装板232上，用于固定上下两侧的簧片237；簧片237呈长方体，并切除了至少两个扇形截面，用于提供在竖直方向的低正刚度以及水平方向较大的正刚度，实现对磁铁动子安装座233的左右限位；磁铁动子转接板235固定在磁铁动子安装座233上，与柔性绳压块236一起用于固定柔性绳412。
49.图5为远程负刚度与正刚度并联示意图，如图所示，该系统由远程负刚度系统41、正刚度弹簧42组成，远程负刚度由负刚度机构411与柔性绳412构成。
50.远程负刚度系统41是在基座与隔振系统之间设置沿负刚度方向的轻质柔性绳412，并且使该柔性绳412保持合理的拉力，使柔性绳412始终保持绷紧状态，不会出现因为基座的运动导致柔性绳412的松弛，从而柔性绳412只传递负刚度方向的拉力，而在其他方向上传递的力几乎为零，并且允许被减振设备与振动载体之间产生较大的位移。通过远程负刚度系统的柔性绳412，使隔振系统能适应基座的较大振幅，解决负刚度机构行程较小，无法在存在较大位移冲击的移动载体上使用的问题。与传统正负刚度并联实现近零刚度隔振不同的是，它将磁负刚度机构的作用力进行了解耦，只有磁负刚度力参与减振而其他方向的干扰力几乎为零。
51.实施例二：
52.所述的负刚度机构为电机负刚度机构，其具体实施方案如图6所示，电机负刚度机构由负刚度底板51、转轴支座52、转轴压板53、转板54、电机动子转接板55、电机定子56、电机动子57和电机定子固定座58组成。
53.转板54可以绕着转轴支座52某一点转动，从而带动电机动子57转动，电机动子57一端与柔性绳412连接。电机提供的负刚度需要比金属弹簧正刚度小，保证系统综合刚度为正，而不会出现失稳的情况。
54.图7为电机负刚度的控制方式的示意图，如图所示，通过安装在在负载上的传感器检测出负载与稳姿组件1相对位移信号，将信号反馈给控制器，在控制器内计算出电机所需要的输出力以及电流值大小，由驱动器完成对电机输出电流。控制电机的输出力与位移关系为f＝-k2x，电机提供的负刚度为k2，其中k2＝αk1(0《α《1)且α趋于1。由于正刚度弹簧与电机架负刚度为并联的方式，那么系统综合刚度k＝k1 (-k2)＝(1-α)k1，因此系统综合刚度趋于0。
55.其他部分与实施例一中的一致。
56.本领域的技术人员容易理解，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。