一种三自由度微振动抑制平台及其控制方法技术

一种三自由度微振动抑制平台及其控制方法，属于振动隔离与抑制装置，解决现有主被动复合隔振机构存在的结构复杂、控制方式繁琐的问题。本发明专利技术的三自由度微振动抑制平台，包括基础平台、负载平台、完全相同的三套单自由度主被动复合隔振组件以及控制器，每套单自由度主被动复合隔振组件上下两端分别与负载平台和基础平台连接。本发明专利技术的控制方法，包括计算逻辑轴位移信号、计算逻辑轴控制信号、计算物理轴实时控制信号和传递步骤。本发明专利技术结构简单，刚度可调，能够对X轴、Y轴的转动方向及Z轴的平动方向三自由度微振动进行抑制和隔离，能够适合不同的场合，可以有效的衰减不同频段的微振动，为微振动环境下的精密加工与测量设备提供可靠的保障。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微振动隔离与抑制装置，具体涉及一种三自由度微振动抑制平台及其控制方法。
技术介绍
在一些场合工作环境复杂，造就了相应的微振动环境，而这些微振动是影响设备加工或工作精度的关键性因素。被动隔振器由质量-弹簧-阻尼元件构成，由于其在低频振动传递率与高频振动衰减率之间存在的固有矛盾，无法满足精密微振动的隔振需求；相对于被动隔振机构，主动隔振对系统的性能有了重大改善，但其需要传感器-执行器对，以及相应的主动控制系统，这就要求主动隔振在负载和功耗上必须可靠。就结构而言，目前主流的微振动隔离或抑制设备均采用被动隔振元件和主动执行器使用一定的方式连接而成。如空气弹簧与音圈电机的主被动复合使用、膜片弹簧与音圈电机的主被动复合使用、金属弹簧与直线电机的主被动复合使用等手段对微振动起到了有效的抑制作用，具有较好的低频和高频衰减能力，但它们都存在不同的优缺点。空气弹簧与音圈电机的主被动并联机构使得隔振器具有大行程和高负载、固有频率低等优点，但其本身结构复杂，并且需要持续供气，再则音圈电机功耗大，不利于在空间上的应用，这些因素制约了其在微振动抑制方面的运用。金属弹簧与直线电机的主被动并联机构要使用压缩弹簧获得较低的固有频率比较困难，对安装精度要求较高，控制精度的提升较为困难。而采用压电陶瓷作为执行机构为主动隔振器的设计和应用则打开了新的局面。压电陶瓷的响应快，定位精度高，作动行程较小，寿命长，但其同样存在缺点，就是行程太小。因此实际使用中需要设计机械放大构件以拓宽其有效行程。针对微振动抑制和隔离领域来说，宽频带、高响应是其主要特点，压电陶瓷致动器则脱颖而出，但采用压电陶瓷作为执行器的主动隔振机构，因其
结构刚度较大，而多被称之为“硬式”结构，会导致系统的固有频率过高，难以有效的抑制低频振动。因此被动隔振元件的辅助设计也变得更加有吸引力。中国专利公开号CN105129112A一种主被动复合隔振机构和隔振平台，其隔振机构由弹性体平面网格结构和主动电磁动力吸振器和压电作动器组成，对低频线谱和宽频随机激励有较好的控制效果，但其结构复杂，控制方式繁琐，仍待进一步提高。为更清楚地理解本专利技术，以下对本专利技术中所涉及的概念和术语加以解释：本专利技术中，负载平台坐标系采用空间笛卡尔直角坐标系，负载平台质心为原点O，负载平台位于XOY平面，X轴、Z轴在纸面内共面，X轴水平向左方向为正向，Z轴垂直向上方向为正向，Y轴垂直于纸面向外为正向。单自由度主被动复合隔振组件的单位方向矢量是指单自由度主被动复合隔振组件中的下柔性铰链与基础平台连接点B到上柔性铰链与负载平台连接点A的矢量与该矢量的模的比值，可表示为：平台半径向量为负载平台质心点到单自由度主被动复合隔振组件上柔性铰链与负载平台的铰链连接点所构成的矢量。
技术实现思路
本专利技术提供一种三自由度微振动抑制平台，同时提供其控制方法，解决现有主被动复合隔振机构存在的结构复杂、控制方式繁琐的问题。本专利技术所提供的一种三自由度微振动抑制平台，包括基础平台、负载平台、完全相同的三套单自由度主被动复合隔振组件以及控制器，每套单自由度主被动复合隔振组件上下两端分别通过沉头螺钉与负载平台和基础平台连接，其特征在于：各套单自由度主被动复合隔振组件上端和负载平台的连接点在负载平台上沿圆周间隔120°均匀分布；各套单自由度主被动复合隔振组件下端和基础平台的连接点在基础平台上沿圆周间隔120°均匀分布；各套单自由度主被动复合隔振组件的中心轴线与基础平台上表面之间的夹角均为60°；所述各套单自由度主被动复合隔振组件均由金属弹簧、下导向盘、下导螺栓、上导向盘、上导螺栓、套筒、压电致动器、机械放大构件、动态力传感器及下柔性铰链、上柔性铰链组成；所述压电致动器安装在机械放大构件中，机械放大构件右端与上导向盘通过上导螺栓连接，机械放大构件左端通过螺栓与动态力传感器右端连接，动态力传感器左端通过螺栓与上柔性铰链连接；所述下导向盘与下柔性铰链通过下导螺栓连接，所述套筒装配在下导向盘与上导向盘之间，所述金属弹簧套于套筒外表，且与下导向盘、上导向盘接触；所述上导螺栓和下导螺栓分别插入套筒左端孔口、右端孔口并与套筒滑动配合；所述下柔性铰链端部、上柔性铰链端部分别通过沉头螺钉与基础平台和负载平台连接；所述压电致动器和动态力传感器分别与所述控制器通过导线相连，所述动态力传感器检测负载平台的振动信号，输入给控制器，所述控制器计算得到实时控制信号，输出给压电致动器，机械放大构件对压电致动器的行程进行机械放大，作用在负载平台上，对负载平台的残余误差振动进行主动控制补偿；所述金属弹簧、下导向盘、下导螺栓、上导向盘、上导螺栓及套筒组成被动隔振单元；所述压电致动器、机械放大构件、动态力传感器及控制器形成闭环的主动隔振单元。所述基础平台可以为中部空心的圆环形、正三角环形或矩形环形，以在
保证结构刚性与强度的前提下轻量化；所述负载平台可以为圆形板或矩形板，以保证负载安装空间；所述下柔性铰链、上柔性铰链结构相同，均可以采用柔性虎克铰，其为双轴柔性铰链，相当于轴线相交于一点的两个转动副的组合，允许构件有两个相对转动的自由度，两轴线的交点即为铰链的铰点，用于避免间隙和摩擦，保证高轴向刚度与低转动刚度。所述压电致动器可以为叠堆型或管型压电陶瓷致动器；所述机械放大构件可以为三角形放大构件或微动工作台放大构件。所述三自由度微振动抑制平台的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：A.计算逻辑轴位移信号步骤：三个动态力传感器37分别测量三套单自由度主被动复合隔振组件轴向的振动力信号，并通过两次积分及去趋势项转换为位移信号q1、q2、q3，构成物理轴位移信号q＝[q1 q2 q3]T，通过运算转换为负载平台质心点的逻辑轴位移信号x＝[z α β]T，其中，J为速度雅可比矩阵，z、α、β分别为质心点沿Z轴的平动位移信号、沿X轴的转动信号和沿Y轴的转动信号； J = l 1 T l 1 T p ~ 1 l 2 T l 2 T 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三自由度微振动抑制平台，包括基础平台(10)、负载平台(20)、完全相同的三套单自由度主被动复合隔振组件(30)以及控制器(40)，每套单自由度主被动复合隔振组件上下两端分别通过沉头螺钉与负载平台(20)和基础平台(10)连接，其特征在于：各套单自由度主被动复合隔振组件上端和负载平台(20)的连接点在负载平台(20)上沿圆周间隔120°均匀分布；各套单自由度主被动复合隔振组件下端和基础平台(10)的连接点在基础平台(10)上沿圆周间隔120°均匀分布；各套单自由度主被动复合隔振组件的中心轴线与基础平台(10)上表面之间的夹角均为60°。所述各套单自由度主被动复合隔振组件(30)均由金属弹簧(31)、下导向盘(32)、上导向盘(33)、套筒(34)、压电致动器(35)、机械放大构件(36)、动态力传感器(37)及下柔性铰链(38)、上柔性铰链(39)组成；所述压电致动器(35)安装在机械放大构件(36)中，机械放大构件(36)右端与上导向盘(33)通过上导螺栓(33A)连接，机械放大构件(36)左端通过螺栓与动态力传感器(37)右端连接，动态力传感器(37)左端通过螺栓与上柔性铰链(39)连接；所述下导向盘(32)与下柔性铰链(38)通过下导螺栓(32A)连接，所述套筒(34)装配在下导向盘(32)与上导向盘(33)之间，所述金属弹簧(31)套于套筒(34)外表，且与下导向盘(32)、上导向盘(33)接触；所述上导螺栓(33A)和下导螺栓(32A)分别插入套筒(34)左端孔口、右端孔口并与套筒(34)滑动配合；所述下柔性铰链(38)端部、上柔性铰链(39)端部分别通过沉头螺钉与基础平台(10)和负载平台(20)连接；所述压电致动器(35)和动态力传感器(37)分别与所述控制器(40)通过导线相连，所述动态力传感器检测负载平台的振动信号，输入给控制器(40)，所述控制器计算得到实时控制信号，输出给压电致动器(35)，机械放大构件(36)对压电致动器(35)的行程进行机械放大，作用在负载平台(20)上，对负载平台(20)的残余误差振动进行主动控制补偿；所述金属弹簧(31)、下导向盘(32)、下导螺栓(32A)、上导向盘(33)、上导螺栓(33A)及套筒(34)组成被动隔振单元；所述压电致动器(35)、机械放大构件(36)、动态力传感器(37)及控制器(40)形成闭环的主动隔振单元。...

【技术特征摘要】
1.一种三自由度微振动抑制平台，包括基础平台(10)、负载平台(20)、完全相同的三套单自由度主被动复合隔振组件(30)以及控制器(40)，每套单自由度主被动复合隔振组件上下两端分别通过沉头螺钉与负载平台(20)和基础平台(10)连接，其特征在于：各套单自由度主被动复合隔振组件上端和负载平台(20)的连接点在负载平台(20)上沿圆周间隔120°均匀分布；各套单自由度主被动复合隔振组件下端和基础平台(10)的连接点在基础平台(10)上沿圆周间隔120°均匀分布；各套单自由度主被动复合隔振组件的中心轴线与基础平台(10)上表面之间的夹角均为60°。所述各套单自由度主被动复合隔振组件(30)均由金属弹簧(31)、下导向盘(32)、上导向盘(33)、套筒(34)、压电致动器(35)、机械放大构件(36)、动态力传感器(37)及下柔性铰链(38)、上柔性铰链(39)组成；所述压电致动器(35)安装在机械放大构件(36)中，机械放大构件(36)右端与上导向盘(33)通过上导螺栓(33A)连接，机械放大构件(36)左端通过螺栓与动态力传感器(37)右端连接，动态力传感器(37)左端通过螺栓与上柔性铰链(39)连接；所述下导向盘(32)与下柔性铰链(38)通过下导螺栓(32A)连接，所述套筒(34)装配在下导向盘(32)与上导向盘(33)之间，所述金属弹簧(31)套于套筒(34)外表，且与下导向盘(32)、上导向盘(33)接触；所述上导螺栓(33A)和下导螺栓(32A)分别插入套筒(34)左端孔口、右端孔口并与套筒(34)滑动配合；所述下柔性铰链(38)端部、上柔性铰链(39)端部分别通过沉头螺钉与基础平台(10)和负载平台(20)连接；所述压电致动器(35)和动态力传感器(37)分别与所述控制器(40)通过导线相连，所述动态力传感器检测负载平台的振动信号，输入给控制器(40)，
\t所述控制器计算得到实时控制信号，输出给压电致动器(35)，机械放大构件(36)对压电致动器(35)的行程进行机械放大，作用在负载平台(20)上，对负载平台(20)的残余误差振动进行主动控制补偿；所述金属弹簧(31)、下导向盘(32)、下导螺栓(32A)、上导向盘(33)、上导螺栓(33A)及套筒(34)组成被动隔振单元；所述压电致动器(35)、机械放大构件(36)、动态力传感器(37)及控制器(40)形成闭环的主动隔振单元。2.如权利要求1所述的三自由度微振动抑制平台，其特征在于：所述基础平台(10)为中部空心的圆环形、正三角环形或矩形环形，以在保证结构刚性与强度的前提下轻量化；所述负载平台(20)为圆形板或矩形板，以保证负载安装空间；所述下柔性铰链(38)、上柔性铰链(39)采用柔性虎克铰，其为双轴柔性铰链，相当于轴线相交于一点的两个转动副的组合，允许构件有两个相对转动的自由度，两轴线的交点即为铰链的铰点，用于避免间隙和摩擦，保证高轴向刚度与低转动刚度。3.如权利要求1或2所述的三自由度微振动抑制平台，其特征在于：所述压电致动器(35)为叠堆型或管型压电陶瓷致动器；所述机械放大构件(36)为三角形放大构件或微动工作台放大构件。4.权利要求1所述三自由度微振动抑制平台的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：A.计算逻辑轴位移信号步骤：三个动态力传感器37分别测量三套单自由度主被动复合隔振组件轴向的振动力信号，并通过两次积分及去趋势项后转换为位移信号q1、q2、q3，
\t构成物理轴位移信号q＝[q1 q2 q3]T，通过运算转换为负载平台质心点的逻辑轴位移信号x＝[z α β ]T，其中，J为速度雅可比矩阵，z、α、β分别为质心点沿Z轴的平动位移信号、沿X轴的转动信号和沿Y轴的转动信号； J = l 1 T l 1 T p ~ 1 l 2 T l 2 T ...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈学东，王敏，李小清，李明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42