准零刚度隔振与指向一体化平台

1.本发明涉及的是一种振动隔离领域的技术，具体是一种准零刚度隔振与指向一体化平台。


背景技术：

2.遥感卫星、深空探测望远镜等航天器上的敏感载荷对工作环境要求愈发苛刻，单一的振动控制或位姿控制已难以满足上述高精尖设备日益精进的性能指标，需要发展综合振动隔离和运动补偿方法的隔振与指向协同控制技术。传统隔振和指向协同控制方法是将隔振系统与指向系统串联，分别独立控制，结构复杂，成本昂贵，体积和重量大，隔振频带与指向控制裕度相互制约，影响隔振与指向性能。已有隔振与指向一体化平台大多是基于精密定位或振动主动控制原理实现的，具有成本高昂，调节能量消耗大，行程小，承载小，调姿范围有限，对中、高频振动抑制不足的缺点。准零刚度隔振方法兼顾高承载力和宽隔振频带，研究准零刚度隔振与指向一体化控制方法，能够拓宽通过动隔振频带，减小主动控制带宽，降低能量消耗，解决隔振频带与指向控制裕度的矛盾，提高隔振与指向性能。但目前将准零刚度隔振控制与指向控制一体设计还有诸多限制，如现有准零刚度实现方法，设计要求严苛，平衡位置不可调节，对负载匹配要求较高，导致准零刚度隔振方法难以应用到对调平、姿态控制有要求的工程领域中。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术不具备隔振与指向功能的不足，提出一种准零刚度隔振与指向一体化平台，利用线性和非线性正刚度结构补偿负刚度结构设计了无源准零刚度结构和有源准零刚度结构，将无源准零刚度结构与有源准零刚度结构进行复合形成了准零刚度支腿，可承受大负载，并可通过平移无源准零刚度结构的负刚度结构实现无源准零刚度结构的理想平衡位置调节，平移有源准零刚度结构的非线性正刚度结构、调节通电电流大小实现有源准零刚度结构的理想平衡位置调节，从而使支腿长度可调，具有指向功能。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明涉及一种准零刚度隔振与指向一体化平台包括：底座平台、工作平台以及若干设置于两者之间的具有准零刚度特性的支腿机构，其中：支腿机构的一端与底座平台之间通过两轴柔性铰链相连，支腿机构的另一端与工作平台通过三轴柔性铰链相连从而实现空间六自由度宽频带振动隔离和指向控制。技术效果
6.本发明利用非线性正刚度结构补偿负刚度结构实现有源准零刚度结构，将有源准零刚度结构与无源准零刚度结构复合形成多自由度隔振平台支腿，驱动无源准零刚度结构的负刚度结构实现无源准零刚度结构的调节理想平衡位置，以及驱动有源准零刚度结构的非线性正刚度结构、调节通电电流大小调节有源准零刚度结构的理想平衡位置调节。
7.与现有技术相比，本发明无源准零刚度结构可承受大负载，有源准零刚度隔振结
构额定负载与电流大小成正比。将无源准零刚度结构与有源准零刚度结构进行复合形成了平台准零刚度支腿。通过平移无源准零刚度结构的负刚度结构和有源准零刚度结构的非线性正刚度结构，调节通电电流大小实现平台的指向功能，同时不失准零刚度隔振特性。本发明结合准零刚度通过动隔振优点，将准零刚度隔振与指向一体化设计，承载能力大，能够拓宽通过动隔振频带，减小主动控制带宽，降低能量消耗，解决隔振频带与指向控制裕度的矛盾，提高隔振与指向性能。
附图说明
8.图1为本发明结构示意图；
9.图2为隔振台支腿的整体结构示意图；
10.图3为隔振台支腿的剖视图；
11.图4为本发明无源准零刚度结构的力-位移关系图；
12.图5为本发明有源准零刚度结构的力-位移关系图；
13.图6为本发明有源准零刚度结构在不同电流下的力-位移关系图；
14.图7为本发明无源准零刚度结构的理想平衡位置调节图；
15.图8为本发明有源准零刚度结构的理想平衡位置调节图；
16.图中：1底座平台、2两轴柔性铰链、3支腿、4三轴柔性铰链、5工作平台、301电机盖、302底座、303下支架、304转接法兰、305锥形线圈座、306上端盖、307电机、308第一螺栓、309第二螺栓、310第三螺栓、311球轴承、312第四螺栓、313悬臂梁、314第五螺栓、315夹块、316第六螺栓、317第七螺栓、318第八螺栓、319第一簧片、320第一螺母、321导杆、322第二螺母、323第三螺母、324第一永磁铁、325锥形线圈、326第九螺栓、327第四螺母、328悬臂梁固定座、329第五螺母、330第二永磁铁、331第六螺母、332柱形线圈、333第十螺栓、334第二簧片、335凸块、336托板、337第十一螺栓。
具体实施方式
17.如图1所示，为本实施例涉及一种准零刚度隔振与指向一体化平台包括：底座平台1、工作平台5以及若干设置于两者之间的具有准零刚度特性的支腿3，其中：支腿3的一端与底座平台1之间通过两轴柔性铰链2相连，支腿机构的另一端与工作平台通过三轴柔性铰链4相连从而实现空间六自由度宽频带振动隔离和指向控制。
18.如图2和图3所示，所述的支腿3包括：外框架、设置于其内部的转动机构以及设置于转动机构上的无源准零刚度结构和有源准零刚度结构。
19.所述的转动机构包括：依次相连的电机307、托板336、凸块335和导杆321，其中：导杆321设置于外框架的中心轴位置，电机307依次驱动托板336、凸块335带动导杆321旋转，凸块335通过中心孔与托板336套合，并通过螺栓固定连接，托板336与电机307输出轴连接，电机307通过螺栓与底座302固定连接。
20.所述的电机307优选采用直线步进电机。
21.所述的无源准零刚度结构包括：第一簧片319、第二簧片334、悬臂梁313和悬臂梁固定座328，其中：第一簧片319和第二簧片334分别设置于导杆321的上下两端，悬臂梁313通过悬臂梁固定座328固定设置于导杆321上。
22.所述的悬臂梁固定座328通过中心孔套合于导杆321上，一侧靠紧轴肩，另一侧由螺母压紧；悬臂梁313一端通过压块和螺栓固定设置于悬臂梁固定座328，另一端通过球轴承311与凸块335表面相接触。
23.所述的凸块335具有不完整球面球状，当承载时，悬臂梁313会产生挠曲变形，并在凸块335表面滑动，改变恢复力在竖直方向的分力，提供双稳态负刚度。
24.所述的第一簧片319通过螺栓固定设置于上端盖306，第一簧片319中间通过上下两侧螺母夹紧与导杆321固定连接。
25.所述的第二簧片334通过螺栓固定设置于凸块335内部，上侧贴紧导杆321下端，第二簧片334下侧通过旋合进中心螺纹孔的螺栓压紧。
26.所述的第一簧片319和第二簧片334具有线性刚度。
27.所述的外框架包括：由下而上依次设置的底座302、电机盖301、下支架303、转接法兰304、锥形线圈座305和上端盖306。
28.所述的底座302的上、下表面分别设有圆柱凸缘，对应电机盖301上设有中心孔，与底座302下凸缘套合，并通过螺栓固定连接。
29.所述的下支架303为圆筒状结构，与底座302上凸缘套合，并固定连接。
30.所述的转接法兰304下端套合进下支架303，上端套合进锥形线圈座305，并通过螺栓与下支架303和锥形线圈座305固定连接。
31.所述的锥形轴承座305，上端面上设有凸缘。
32.所述的上端上设有形状匹配的凹槽，上端盖306与锥形线圈座305套合，并固定连接。
33.所述的有源准零刚度结构包括：锥形线圈325、柱形线圈332、第一永磁铁324和第二永磁铁330，其中：锥形线圈325通过锥形线圈座305固定设置于外框架内，第一永磁铁324和第二永磁铁330依次套接于导杆321上，柱形线圈332固定设置于凸块335内并正对第一永磁铁324，第二永磁铁330和锥形线圈325嵌套配置，彼此相互排斥，提供单稳态负刚度；第一永磁铁324与柱形线圈332端对端配置，相互之间具有排斥作用，提供非线性渐硬正刚度。
34.所述的锥形线圈座305上设有锥形孔，锥形线圈325嵌入锥形线圈座305中。
35.所述的第二永磁铁330的一侧与轴肩贴合，另一侧与锥形线圈325嵌套配置。
36.所述的第一永磁铁324通过设置于导杆321上的限位螺母夹紧纤维。
37.所述的锥形线圈325和柱形线圈332独立供电，单稳态负刚度与非线性渐硬正刚度与线圈通电电流成正比，在保持锥形线圈325和柱形线圈332通电电流比情况下，改变通电电流能够调节额定负载，而不会引起准零刚度平衡位置发生变化。
38.除永磁体外，所述的隔振台其余零部件优先选择弱导磁材料。
39.如图3所示，当承载时，悬臂梁313会产生挠曲变形，并在凸块335表面滑动，改变恢复力在竖直方向的分力，提供双稳态负刚度；第一簧片319和第二簧片334具有线性刚度。
40.所述的有源准零刚度结构中，第一永磁铁324和锥形线圈325嵌套配置，彼此相互排斥，提供单稳态负刚度；第二永磁铁330与柱形线圈332端对端配置，相互之间具有排斥作用，提供非线性渐硬正刚度。
41.所述的有源准零刚度结构中，锥形线圈325和柱形线圈332独立供电，单稳态负刚度与非线性渐硬正刚度与线圈通电电流成正比，在保持锥形线圈325和柱形线圈332通电电
流比情况下，改变通电电流能够调节额定负载，而不会引起准零刚度平衡位置发生变化。
42.所述的无源准零刚度结构中，当驱动电机307时，凸块335通过平移，无源准零刚度结构双稳态负刚度结构通过平移，准零刚度理想平衡位置通过平移。
43.所述的有源准零刚度结构中，当驱动电机307时，柱形线圈332通过平移，有源准零刚度结构非线性正刚度结构通过平移，同时改变锥形线圈325和柱形线圈332通电电流，对正、负刚度进行缩放，能够平移有源准零刚度结构理想平衡位置。
44.所述的无源准零刚度结构和有源准零刚度结构，两者理想平衡位置始终保持重合，驱动电机307能够改变理想平衡位置，导致支腿3长度变化，驱动平台完成指向功能，同时保持准零刚度特性。
45.如图4-图8所示，当采用脉冲信号指令以半步驱动方式驱动电机时，可平移凸块，无源准零刚度结构双稳态负刚度结构通过平移，准零刚度理想平衡位置通过平移；当采用脉冲信号指令以半步驱动方式驱动电机时，可平移柱形线圈，有源准零刚度结构非线性正刚度结构通过平移，同时改变锥形线圈和柱形线圈通电电流，对正、负刚度进行缩放，能够平移有源准零刚度结构理想平衡位置；当采用脉冲信号指令以半步驱动方式驱动电机时，无源准零刚度结构和有源准零刚度结构两者理想平衡位置始终保持重合，并随电机驱动而发生相同变化，导致支腿长度改变，驱动平台完成指向功能，同时保持准零刚度特性。
46.与现有技术相比，本装置相对于传统隔振与指向串联控制平台或基于精密定位原理的隔振与指向一体化平台，本发明结合准零刚度通过动隔振优点，将无源准零刚度结构与有源准零刚度结构进行复合，实现准零刚度与指向一体化设计，能够拓宽通过动隔振频带，减小主动控制带宽，降低能量消耗，解决隔振频带与指向控制裕度的矛盾，提高隔振与指向性能。
47.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

技术特征：
1.一种准零刚度隔振与指向一体化平台，其特征在于，包括：底座平台、工作平台以及若干设置于两者之间的具有准零刚度特性的支腿机构，其中：支腿机构的一端与底座平台之间通过两轴柔性铰链相连，支腿机构的另一端与工作平台通过三轴柔性铰链相连从而实现空间六自由度宽频带振动隔离和指向控制；所述的支腿包括：外框架、设置于其内部的转动机构以及设置于转动机构上的无源准零刚度结构和有源准零刚度结构；所述的转动机构包括：依次相连的电机、托板、凸块和导杆，其中：导杆设置于外框架的中心轴位置，电机依次驱动托板、凸块带动导杆旋转，凸块通过中心孔与托板套合，并通过螺栓固定连接，托板与电机输出轴连接，电机通过螺栓与底座固定连接。2.根据权利要求1所述的准零刚度隔振与指向一体化平台，其特征是，所述的无源准零刚度结构包括：第一簧片、第二簧片、悬臂梁和悬臂梁固定座，其中：第一簧片和第二簧片分别设置于导杆的上下两端，悬臂梁通过悬臂梁固定座固定设置于导杆上。3.根据权利要求2所述的准零刚度隔振与指向一体化平台，其特征是，所述的悬臂梁固定座通过中心孔套合于导杆上，一侧靠紧轴肩，另一侧由螺母压紧；悬臂梁一端通过压块和螺栓固定设置于悬臂梁固定座，另一端通过球轴承与凸块表面相接触；所述的第一簧片通过螺栓固定设置于上端盖，第一簧片中间通过上下两侧螺母夹紧与导杆固定连接；所述的第二簧片通过螺栓固定设置于凸块内部，上侧贴紧导杆下端，第二簧片下侧通过旋合进中心螺纹孔的螺栓压紧。4.根据权利要求2所述的准零刚度隔振与指向一体化平台，其特征是，所述的第一簧片和第二簧片具有线性刚度，对应所述的凸块具有不完整球面球状，当承载时，悬臂梁会产生挠曲变形，并在凸块表面滑动，改变恢复力在竖直方向的分力，提供双稳态负刚度。5.根据权利要求1所述的准零刚度隔振与指向一体化平台，其特征是，所述的外框架包括：由下而上依次设置的底座、电机盖、下支架、转接法兰、锥形线圈座和上端盖。6.根据权利要求5所述的准零刚度隔振与指向一体化平台，其特征是，所述的底座的上、下表面分别设有圆柱凸缘，对应电机盖上设有中心孔，与底座下凸缘套合，并通过螺栓固定连接；所述的下支架为圆筒状结构，与底座上凸缘套合，并固定连接；所述的转接法兰下端套合进下支架，上端套合进锥形线圈座，并通过螺栓与下支架和锥形线圈座固定连接。7.根据权利要求1所述的准零刚度隔振与指向一体化平台，其特征是，所述的有源准零刚度结构包括：锥形线圈、柱形线圈、第一永磁铁和第二永磁铁，其中：锥形线圈通过锥形线圈座固定设置于外框架内，第一永磁铁和第二永磁铁依次套接于导杆上，柱形线圈固定设置于凸块内并正对第一永磁铁，第二永磁铁和锥形线圈嵌套配置，彼此相互排斥，提供单稳态负刚度；第一永磁铁与柱形线圈端对端配置，相互之间具有排斥作用，提供非线性渐硬正刚度。8.根据权利要求7所述的准零刚度隔振与指向一体化平台，其特征是，所述的锥形线圈座上设有锥形孔，锥形线圈嵌入锥形线圈座中；所述的第二永磁铁的一侧与轴肩贴合，另一侧与锥形线圈嵌套配置；
所述的第一永磁铁通过设置于导杆上的限位螺母夹紧纤维。9.根据权利要求7所述的准零刚度隔振与指向一体化平台，其特征是，所述的锥形线圈和柱形线圈独立供电，单稳态负刚度与非线性渐硬正刚度与线圈通电电流成正比，在保持锥形线圈和柱形线圈通电电流比情况下，改变通电电流能够调节额定负载，而不会引起准零刚度平衡位置发生变化；所述的有源准零刚度结构中，第一永磁铁和锥形线圈嵌套配置，彼此相互排斥，提供单稳态负刚度；第二永磁铁与柱形线圈端对端配置，相互之间具有排斥作用，提供非线性渐硬正刚度。10.根据权利要求1-9中任一所述的准零刚度隔振与指向一体化平台，其特征是，当采用脉冲信号指令以半步驱动方式驱动电机时，可平移凸块，无源准零刚度结构双稳态负刚度结构通过平移，准零刚度理想平衡位置通过平移；当采用脉冲信号指令以半步驱动方式驱动电机时，可平移柱形线圈，有源准零刚度结构非线性正刚度结构通过平移，同时改变锥形线圈和柱形线圈通电电流，对正、负刚度进行缩放，能够平移有源准零刚度结构理想平衡位置；当采用脉冲信号指令以半步驱动方式驱动电机时，无源准零刚度结构和有源准零刚度结构两者理想平衡位置始终保持重合，并随电机驱动而发生相同变化，导致支腿长度改变，驱动平台完成指向功能，同时保持准零刚度特性。

技术总结
一种准零刚度隔振与指向一体化平台，包括：底座平台、工作平台以及若干设置于两者之间的具有准零刚度特性的支腿机构，支腿机构的一端与底座平台之间通过两轴柔性铰链相连，支腿机构的另一端与工作平台通过三轴柔性铰链相连从而实现空间六自由度宽频带振动隔离和指向控制。本发明利用线性和非线性正刚度结构补偿负刚度结构设计了无源准零刚度结构和有源准零刚度结构，将无源准零刚度结构与有源准零刚度结构进行复合形成了准零刚度支腿，可承受大负载，并可通过平移无源准零刚度结构的负刚度结构实现无源准零刚度结构的理想平衡位置调节，平移有源准零刚度结构的非线性正刚度结构、调节通电电流大小实现有源准零刚度结构的理想平衡位置调节，从而使支腿长度可调，具有指向功能。有指向功能。有指向功能。


技术研发人员：卢佳佳 张文明 颜格 亓文豪 闫寒 时军委
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/14