一种仿啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种仿啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台，包括被动减振组件、变刚度变阻尼空气弹簧组件、组合承载平台和外框架，所述被动减振组件包括硬质橡胶垫和剪切型粘弹阻尼器，所述变刚度变阻尼空气弹簧组件包括2个或2个以上沿机座对称分布的双气室空气弹簧，所述组合承载平台包括钢板制成的顶板、底板和侧板，顶板、底板和侧板之间设置有隔离层，所述外框架对称安装在机座两侧。本发明的仿啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台无作动部件，耗能低，相对于有主动控制的减振平台，可大幅度降低制造成本和运行成本，节能，经济实用。
【专利说明】一种仿啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台
【技术领域】
[0001]本发明涉及本发明涉及振动控制技术和仿生【技术领域】，尤其涉及一种仿啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台。
【背景技术】
[0002]近年来，由于技术与产业的不断进步，高速旋转机械、电子设备、高效高精密加工和微机械等高精密系统对隔减振系统的要求达到了极其苛刻的程度。各种环境振动、机械冲击成为限制各类高精密系统提高加工精度或工作精度的重要因素。目前在精密系统中仍是以空气弹簧作为主要隔振元件的被动或半主动隔减振系统，这种单一隔振元件组成的隔减振系统已经无法满足高精尖技术装备对振动隔离技术的需求。为了提高隔减振系统的隔振效率，科研和工程技术人员也开发了一些隔减振系统。
[0003]《中国机械工程》2006年第17卷第21期刊载的论文《微制造平台隔振系统仿生设计》，模仿啄木鸟头部结构设计了一种基于主动控制技术的隔振平台，由I个平台、4个空气弹簧、8个超磁致伸缩致动器、6个伺服型传感器、3个高度控制阀、I套控制系统组成。该装置以超磁致伸缩致动器作为主动隔振元件，并与检测系统一起构成闭环主动振动控制系统，可以有效地消除由基础传递过来的各种频率的振动扰力。但是该文件给出的主动隔振系统包括平台、空气弹簧、超磁致伸缩致动器、伺服型传感器、高度控制阀、控制系统等，结构相对复杂，而且致动器、传感器等的运行都需要消耗能量。哈尔滨工业大学2010年公开的一篇工学硕士学位论文《基于磁流变阻尼器减振平台的研制》描述了一种基于磁流变阻尼器的半主动减振平台，由交流伺服电机、磁流变阻尼器、电控部件、机架等组成。该论文的主要目的是为了验证开发的磁流变效应控制算法的有效性和控制效果。作为一种基于智能型减振材料的主动或半主动减振平台，实际应用时必须设计相应的电控装置，结构复杂，费用高。
[0004]专利CN100573341C所描述的一种精密减振组件及由其构成的减振平台，将被动减振组件与主动减振执行器并联构成的一种半主动减振平台，具有减振和定位功能，该结构虽然实现了对宽频域振动的有效抑制，但是装置中主动减振执行器的结构复杂，能量消耗也较大。专利CN102621064A公开了一种专门为精密光学系统设计的减振平台，包括可移动台面和用于驱动可移动台面运动的驱动系统，在组成结构中具有主动控制减振单元，使得整体振动量较小，可达0.005_数量级。因此该减振平台属于主动控制领域而且应用局限于精密控制系统，很难在其它各种机械设备中应用。
[0005]综上可见，目前已开发的高精密系统隔减振平台均采用以主动减振控制技术为主的主动或半主动振动控制技术，装置中需要设计主动减振元件的执行机构、控制器和控制算法，不仅结构复杂，而且费用高，周期长，安装调试相对被动振动控制技术困难。因此如果能够开发一种基于被动控制技术的隔减振平台将会具有广阔的工程应用前景。本案设计人员就是以此为目标，借鉴前期对啄木鸟头部生理结构隔减振机理的研究，在工程实际应用场合中将减振器件与减振要求进行整体化考虑并进行优化匹配，基于被动控制技术，利用剪切型粘弹阻尼器模拟啄木鸟头骨内脑脊液与大脑之间的相对运动，在此基础上构造一种高效被动隔减振平台，并运用振动基础理论、非线性阻尼理论和生物力学设计计算该平台非线性刚度、阻尼的变化范围，并对高效隔减振平台的质量、阻尼和刚度进行优化匹配，实现抑制低频振动和隔离中高频振动的目的，满足高精密设备对隔减振系统的要求。
【发明内容】
[0006]为解决现有技术存在的不足，本发明通过借鉴前期对啄木鸟头部生理结构的观察和隔振机理的研究，提供一种利用硬质橡胶垫、剪切型粘弹阻尼器、蜂窝状复合结构材料和双气室空气弹簧等构件来模仿啄木鸟头部生理结构而形成的一种高效被动隔减振平台。该平台具有承载和隔减振作用，可有效隔离各种环境宽频域随机振动对承载设备(如微机械系统、超精密加工系统)的影响，提闻承载设备的工作精度，也可有效减小承载设备(如闻速旋转机械、高速或超高速加工系统)产生的中高频振动或冲击对环境的影响。
[0007]为实现上述目的，本发明的具体方案如下:
[0008]一种仿啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台，包括被动减振组件、变刚度变阻尼空气弹簧组件、组合承载平台和外框架，所述被动减振组件包括硬质橡胶垫和剪切型粘弹阻尼器，所述变刚度变阻尼空气弹簧组件包括2个或2个以上沿机座对称分布的双气室空气弹簧，所述组合承载平台包括钢板制成的顶板、底板和侧板，顶板、底板和侧板之间设置有隔离层，所述外框架对称安装在机座两侧。
[0009]所述剪切型粘弹阻尼器是由粘弹性阻尼材料通过胶接或栓接使外框架和组合承载平台构成三层结构的剪切型粘弹阻尼器。
[0010]所述粘弹性阻尼材料通过胶接或栓接安装在外框架与组合承载平台之间。
[0011 ] 所述硬质橡胶垫安装于环境基础和机座之间。
[0012]所述钢板为刚性大、变形小的优质钢板。
[0013]所述外框架通过紧固螺栓固定在机座上，螺栓与机座之间还设有垫片。
[0014]所述隔离层为有蜂窝状复合结构材料制成的隔离层。
[0015]所述机座的形状与实际环境空间相配合，为圆形或方形。
[0016]所述组合承载平台的形状与使用的被隔离对象相配合，为圆形或方形。
[0017]所述双气室空气弹簧包括主气室和辅助气室，主气室、辅助气室分别安装有橡胶主气囊和橡胶辅助气囊，辅助气室的橡胶辅助气囊密闭构成压力腔，主气室和辅助气室之间开有阻尼孔作为主气室和辅助气室之间空气的流动通道。
[0018]所述剪切型粘弹阻尼器兼具弹性固体和粘性流体的特性，具有模仿啄木鸟头部头骨-脑脊液-大脑之间的流体剪切作用。
[0019]机座可根据实际环境空间设计成圆形或方形，组合承载平台可根据被隔离对象的使用要求设计成圆形或方形，同时硬质橡胶垫和外框架的结构也要作相应的调整。
[0020]用于承载被隔离对象的平台是由刚度大的优质结构钢和蜂窝状复合结构材料构成的一种组合承载平台，具有承载和减振的作用。刚度大的优质结构钢用于模拟啄木鸟头部坚硬的喙，蜂窝状复合结构材料用于模仿喙底部的海绵状软骨，即松质骨。
[0021]本发明利用剪切型粘弹阻尼模拟啄木鸟头部脑脊液的流体流动作用，利用刚度大的优质结构钢模拟啄木鸟坚硬的喙，利用蜂窝状复合结构材料模拟喙底部的海绵状软骨，并在组成结构中添加具有变刚度变阻尼功能的双气室空气弹簧来模拟啄木鸟头部的肌肉、软骨等软组织。在此思路上采用被动减振组件，变刚度变阻尼空气弹簧组件，组合承载平台和外框架等零部件进行优化匹配设计形成了一种仿啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台。该高效隔减振平台利用空气弹簧优越的衰减振动性能、粘弹性阻尼优越的耗能特性进行优化匹配来实现高效减振抗冲性能。
[0022]本发明的有益效果:本发明提供的一种仿照啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台是借鉴啄木鸟头部的生理结构特征，同时充分考虑工程实际应用场合的隔减振要求来设计完成的，具体有益效果如下:
[0023]1.借鉴啄木鸟头部结构，利用振动理论和非线性阻尼理论并结合优化设计理论将“剪切型”粘弹阻尼、变刚度变阻尼空气弹簧组件、组合承载平台等功能模块设计计算优化匹配，形成仿啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台，其全部隔减振元件均为被动控制元件，不仅设计紧凑，结构简单、可靠，而且不消耗能量。大大克服了过往隔减振平台由于主动隔振元件的存在带来的结构复杂、需要耗能的弊端。
[0024]2.仿啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台运用仿生学和流体动力学理论设计，不仅具有双气室空气弹簧结构，而且还具有“剪切型”粘弹阻尼结构，因此兼具空气弹簧的大承载和粘弹阻尼的耗能特性，“剪切型”粘弹阻尼器与空气弹簧结构的优化匹配可使隔减振平台的减振效率较于现有的由单一隔振元件组成的减振平台大幅度提高。
[0025]3.剪切型粘弹阻尼器和双气室空气弹簧的组合使用使本发明的隔减振平台具有两大明显优势:一是系统低频时高阻尼和高频时低阻尼，能够有效抑制低频谐振同时又能够隔离中高频振动，因此适用的频率范围更加广泛；二是小承载时低刚度大承载时高刚度，“遇强则强，遇柔则柔”，因此所适用的载荷大小更加广泛。
[0026]4.模仿啄木鸟头部海绵状松质骨结构而形成的蜂窝状复合材料的组合承载平台，能够有效降低组合承载平台的刚度，而且大大提高阻尼值，能够有效衰减中高频振动。
[0027]5.仿啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台针对不同外部载荷的类型和大小，运用仿生学和流体动力学理论进行设计，包括“剪切型”阻尼的材料、厚度和宽度，空气弹簧主、辅助气室的空气压力、流量、流速等参数，当各参数设计得当，结构件强度设计满足要求时可使得其整体振动量较小，可达微米级，可以为电子设备、高精密加工、高速旋转机械、MEMS系统等提供较好的隔减振环境。
[0028]6.本发明的仿啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台无作动部件，耗能低，相对于有主动控制的减振平台，可大幅度降低制造成本和运行成本，节能，经济实用。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1啄木鸟头部生理结构示意图；
[0030]图2本发明整体结构示意图；
[0031]图3本发明中组合承载平台结构示意图；
[0032]图4 (a)本发明中双气室空气弹簧(以安装4个为例)均匀对称分布长方形布置示意图；
[0033]图4 (b)本发明中双气室空气弹簧(以安装4个为例)均匀对称分布菱形布置示意图；[0034]图5本发明具体实施例结构示意图；
[0035]图中，I环境基础，2硬质橡胶垫，3机座，4紧固螺栓，5垫片，6外框架，7粘弹性阻尼材料，8侧板，9顶板，10蜂窝状复合材料，11底板，12主气囊，13主气室14阻尼孔，15辅助气室，16辅助气囊，17变刚度变阻尼空气弹簧组件，18组合承载平台，19MEMS系统，20喙，21松质骨，22软组织，23脑脊液，24大脑。
【具体实施方式】:
[0036]下面结合附图对本发明进行详细说明:
[0037]如图1所示，本发明通过借鉴具有优良减振抗冲性能的啄木鸟头部的生理结构进行设计，啄木鸟头部的生理结构为:啄木鸟的喙20十分坚固，而且喙20的底部和头部连接的部位长有一层海绵状软骨，称之为松质骨21，对喙20传给大脑24的振动能作很好的初步缓解。在大脑24周围有一层绵状骨骼，内含液体，称之为脑脊液23，流体流动的剪力作用大大降低啄20击时的冲击力传递到大脑24，对外力能起缓冲和消振作用。除此之外，它的脑壳周围还长满了具有减振作用的肌肉和软组织22，可以将喙尖和头部始终保持在一条直线上，使啄木鸟在啄木时头部严格地进行直线运动。
[0038]如图2-3所示，一种仿啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台，包括被动减振组件、变刚度变阻尼空气弹簧组件、组合承载平台18和外框架6，所述被动减振组件包括硬质橡胶垫2和剪切型粘弹阻尼器，所述变刚度变阻尼空气弹簧组件17包括2个或2个以上沿机座对称分布的双气室空气弹簧，所述组合承载平台18包括钢板制成的顶板9、底板11和侧板8,顶板9、底板11和侧板8之间设置有隔尚层,所述外框架6对称安装在机座两侧。
[0039]剪切型粘弹阻尼器为由粘弹性阻尼材料通过胶接或栓接使外框架6和组合承载平台18构成三层结构的剪切型粘弹阻尼器。粘弹性阻尼材料7安装在外框架6与组合承载平台18之间。硬质橡胶垫2安装于环境基础I和机座3之间。钢板为刚性大、变形小的优质钢板，外框架6通过紧固螺栓4固定在机座3上，紧固螺栓4与机座3之间还设有垫片
5。隔离层为有蜂窝状复合结构材料10制成的隔离层。机座3的形状与实际环境空间相配合，为圆形或方形。组合承载平台18的形状与使用的被隔离对象相配合，为圆形或方形。
[0040]所述双气室空气弹簧包括主气室13和辅助气室15，主气室13、辅助气室15分别安装有橡胶主气囊12和橡胶辅助气囊16，辅助气室15的橡胶辅助气囊16密闭构成压力腔，主气室13和辅助气室15之间开有阻尼孔14作为主气室13和辅助气室15之间空气的流动通道。
[0041]所述剪切型粘弹阻尼器兼具弹性固体和粘性流体的特性，具有模仿啄木鸟头部头骨-脑脊液23-大脑24之间的流体剪切作用。
[0042]若干个双气室空气弹簧构成对称结构，一般采用2个或2个以上，并置于机座3和组合承载平台18之间并沿机座3的重心对称分布，因此可降低组合承载平台18受到不对称分布的激励时发生弯曲振动。其中在受到外力作用时，空气可通过阻尼孔14在空气弹簧的主气室13和辅助气室15内流动，空气弹簧的刚度和阻尼随之变化，从而消耗振动能量，达到衰减振动的目的。除此之外，变刚度变阻尼空气弹簧组件17会随着外载荷的大小调节自身刚度，具有一定的自适应、自调节功能，“遇强则强，遇弱则弱”，所适用的载荷大小更加广泛。
[0043]如图4 (a)-图4 (b)所示为4个双气室空气弹簧沿底座重心的两种分布方式结构示意图，分别为为长方形布置方式和菱形布置方式。
[0044]双气室空气弹簧17与由外框架6、粘弹性阻尼材料7和组合承载平台18的侧板8构成的三层结构的剪切型粘弹阻尼器的组合使用，能够获得较大的垂向支撑力和比较低的垂向刚度，而且由2个或2个以上双气室空气弹簧构成的变刚度变阻尼空气弹簧组件17安装在机座3和组合承载平台18之间，相互协同工作，能够衰减较宽频域的振动。由于较大的垂向支撑力因此也能够抵抗大冲击振动。而且剪切型粘弹阻尼器的阻尼值随激励频率的升高而降低，因此可实现系统低频时高阻尼和高频时低阻尼，能够有效抑制低频谐振的同时又能够隔离中高频振动，大大克服现阶段普通被动振动控制技术普遍存在的低频谐振抑制和高频振动隔离无法兼顾的缺点。
[0045]如附图5所示，为本发明在MEMS系统中的一个具体实施例，MEMS系统19安装于组合承载平台18上，四个双气室空气弹簧采用方形布置方式支撑组合承载平台18。双气室空气弹簧的数量可以根据实际需要进行设计。
[0046]本发明特指一种仿照啄木鸟头部生理结构而设计的用于减振、抗冲的高效被动隔减振平台，尤其适用于高精密加工、高速旋转机械、微机械等精密系统以及电子设备等有较高隔减振要求的设备中，尤其对中高频振动、冲击具有良好的隔减振效果。
[0047]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【权利要求】
1.一种仿啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台，其特征是，包括被动减振组件、变刚度变阻尼空气弹簧组件、组合承载平台和外框架，所述被动减振组件包括硬质橡胶垫和剪切型粘弹阻尼器，所述变刚度变阻尼空气弹簧组件包括2个或2个以上沿机座对称分布的双气室空气弹簧，所述组合承载平台包括钢板制成的顶板、底板和侧板，顶板、底板和侧板之间设置有隔离层，所述外框架对称安装在机座两侧。
2.如权利要求1所述的一种仿啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台，其特征是，所述剪切型粘弹阻尼器是由粘弹性阻尼材料通过胶接或栓接使外框架和组合承载平台构成三层结构的剪切型粘弹阻尼器。
3.如权利要求2所述的一种仿啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台，其特征是，所述粘弹性阻尼材料安装在外框架与组合承载平台之间。
4.如权利要求1所述的一种仿啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台，其特征是，所述硬质橡胶垫安装于环境基础和机座之间。
5.如权利要求1所述的一种仿啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台，其特征是，所述外框架通过紧固螺栓固定在机座上，螺栓与机座之间还设有垫片。
6.如权利要求1所述的一种仿啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台，其特征是，所述隔离层为有蜂窝状复合结构材料制成的隔离层。
7.如权利要求1所述的一种仿啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台，其特征是，所述机座的形状与实际环境空间相配合，为圆形或方形。
8.如权利要求1所述的一种仿啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台，其特征是，所述组合承载平台的形状与使用的被隔离对象相配合，为圆形或方形。
9.如权利要求1所述的一种仿啄木鸟头部生理结构的高效被动隔减振平台，其特征是，所述双气室空气弹簧包括主气室和辅助气室，主气室、辅助气室分别安装有橡胶主气囊和橡胶辅助气囊，辅助气室的橡胶辅助气囊密闭构成压力腔，主气室和辅助气室之间开有阻尼孔作为主气室和辅助气室之间空气的流动通道。
【文档编号】F16F15/08GK103486194SQ201310462041
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】唐委校, 吕宏卿, 宋清华 申请人:山东大学