一种基于Stewart平台的六自由度准零刚度隔振系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于被动隔振技术领域，具体涉及一种基于Stewart平台的六自由度准零刚度隔振系统。
【背景技术】
[0002]随着航天技术的进步，航天设备逐渐向精密化的方向发展。航天器中的低频振动、微振动不但会对精密的仪器设备造成破坏作用，也会影响仪器设备(如光学相机)的使用效果。对于精密机床、精密测量系统等精密设备，来自地震波等周围环境中的低频振动会严重影响设备使用精度。微振动、低频振动已成为振动控制领域的重点和难点。隔振是振动控制的重要手段，国内外研究人员研究了各种主动或主、被动混合的隔振方式。但是主动隔振存在能耗大、可靠性低、结构复杂等缺点。而对于单纯的被动隔振系统，隔振频带受到固有频率的限制，只在高频段有较好的隔振效果。要想提高隔振效果，扩展隔振频带，必须通过降低隔振系统的刚度来降低固有频率。而为了保证隔振器的静承载能力，刚度又不可能做到很小。
[0003]为解决隔振器低共振频率和高承载能力之间的矛盾，研究人员提出了准零刚度隔振器的概念，这种隔振器具有低动态刚度、高静态刚度的特点，因此能够同时实现低共振频率和高承载能力。设计准零刚度隔振器主要是设计负刚度机构，通过负刚度机构抵消正刚度弹性元件在平衡位置的刚度，从而达到准零刚度的目的，使得隔振器的共振频率很低。在单自由度隔振方面，已经有各种形式的准零刚度隔振器被提出。但是将准零刚度的原理应用到多自由度隔振上的研究还很少。多自由度隔振，特别是六自由度隔振，在工程中有重要的应用需求，因此设计六自由度的准零刚度隔振器具有重要的应用价值。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种基于Stewart平台的六自由度准零刚度隔振系统，能实现六自由度的低频隔振，对低频振动具有很好的抑制效果，具有高承载能力、低共振频率的特点，适用于航天领域中的飞轮系统、光学相机，及民用领域中精密机床、精密测量系统等设备的隔振。
[0005]为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]—种基于Stewart平台的六自由度准零刚度隔振系统，包括上平台I和下平台4，通过铰链块5固定在上平台I和下平台4间的六个相同的支腿3，所述铰链块5为三个且呈等边三角形的形式分布，每个铰链块5上固定两个支腿3，相邻的支腿3互相垂直，支腿3的长度可变，上平台I相对下平台4有六个自由度。
[0007]所述支腿3包括位于其两端的固定在铰链块5上的下柔性球铰3.1和上柔性球铰3.12，下柔性球铰3.1通过第二螺钉3.2和下盖3.3连接，下盖3.3的另一端依次设置有下膜片弹簧3.17、外筒3.5、上膜片弹簧3.13和上盖3.8，第三螺钉3.4将下盖3.3、下膜片弹簧3.17和外筒3.5三者紧固连接，第四螺钉3.6将上盖3.8、上膜片弹簧3.13和外筒3.5紧固连接；第五螺钉3.10将固定件3.11和上柔性球铰3.12固定连接，轴3.9的一端通过螺纹连接在固定件3.11上，另一端穿入上盖3.8、外筒3.5和下盖3.3的腔体中并依次穿过上膜片弹簧3.13和下膜片弹簧3.17，第一螺栓3.18将下膜片弹簧3.17和轴3.9固定，内磁环3.15固定在轴9上，外磁环3.16固定在外筒3.5内壁上，上膜片弹簧3.13和内磁环3.15将设置套筒3.14，第二螺栓3.7将上膜片弹簧3.13和套筒3.14沿轴向固定，所述下柔性球铰3.1、下盖3.3、下膜片弹簧3.17、外筒3.5、上膜片弹簧3.13、轴3.9和上柔性球铰3.12须保证较高的对中性；上膜片弹簧3.13和下膜片弹簧3.17 一方面能够限制轴3.9的径向运动，另一方面能够提供一定的轴向支撑刚度，由于上膜片弹簧3.13和下膜片弹簧3.17的变形，轴3.9能够相对上盖3.8、外筒3.5和下盖3.3组成的组合体发生运动，因此支腿3长度可变；当该隔振系统承载时，须保证隔振系统处于静平衡状态下，内磁环3.15和外磁环3.16正对，此时由内磁环3.15和外磁环3.16组成的磁力弹簧在平衡位置附近产生负刚度，用来抵消上膜片弹簧3.13和下膜片弹簧3.17的正刚度，从而使支腿3达到准零刚度状态。
[0008]所述下柔性球铰3.1和上柔性球铰3.12的材料采用铍青铜。
[0009]所述上膜片弹簧3.13和下膜片弹簧3.17的材料采用铍青铜。
[0010]所述内磁环3.15和外磁环3.16的材料采用剩磁强度大的汝铁硼；其充磁方向有两种方式:第一，内磁环3.15和外磁环3.16均为辐射充磁，且充磁方向相反，即一个沿径向向外，另一个须沿径向向内；第二，内磁环3.15和外磁环3.16均为轴向充磁，且充磁方向相同。
[0011]除内磁环3.15、外磁环3.16、下柔性球铰3.1、上柔性球铰3.12、上膜片弹簧3.13和下膜片弹簧3.17外，所述准零刚度隔振系统的其它部件采用弱导磁性的材料。
[0012]所述铰链块5通过第一螺钉2固定在上平台I和下平台4上。
[0013]和现有的隔振技术相比，本发明具有以下优点:
[0014]I)能够实现六自由度的低频隔振，对低频振动具有很好的隔振效果。
[0015]2)所提出的隔振系统为被动式的隔振系统，无需消耗外部的能量。而对于传统的隔振器，在低频区间需要通过主动控制的方式来实现有效隔振，需要消耗外部的能量。
[0016]3)通过设计具有准零刚度特性的支腿，既使平台具有较大的支撑刚度，又降低了平台的各阶共振频率。从而在保证承载能力的同时，增大了隔振频带，提高了隔振效果。
[0017]4)和其他负刚度机构相比，通过同轴布置的两个永磁铁环来提供负刚度，具有尺寸小、重量轻的优点。
[0018]5)采用柔性球铰替换球铰链，具有无摩擦、无间隙的优点，可以减小噪声。
[0019]6)采用膜片弹簧提供支腿的轴向刚度，具有安装方便、精度高等优点，而且能够限制轴的径向运动，无需其他限制径向运动的零件，使得整体结构更简单。
【附图说明】
[0020]图1为本发明准零刚度隔振系统的整体示意图。
[0021]图2为支腿结构剖视图。
[0022]图3为内永磁铁环和外永磁铁环的充磁方向，其中:图3(a)为辐射充磁；图3(b)为轴向充磁。
[0023]图4为柔性球铰三维视图。
[0024]图5为支腿的刚度一位移曲线。
【具体实施方式】
[0025]下面结合【具体实施方式】对本发明做进一步详细说明。
[0026]如图1所示，本发明一种基于Stewart平台的准零刚度隔振系统，包括上平台1，下平台4，六个相同的支腿3，以及铰链块5、第一螺钉2。支腿3的两端固定在铰链块5上，上平台I和下平台4上各有三个铰链块5，三个铰链块呈等边三角形的形式分布。铰链块5通过第一螺钉2固定在上平台I和下平台4上。该Stewart平台为立方形结构，相邻的两个支腿互相垂直。由于六个支腿长度可变，上平台相对下平台有六个自由度。把需要隔振的设备安装在上平台，可以隔离下平台的扰动；若上平台上安装飞轮等设备，扰动源在上平台，该系统同样可以隔离上平台的扰动。
[0027]如图2所示，所述支腿3包括位于其两端的固定在铰链块5上的下柔性球铰3.1和上柔性球铰3.12，下柔性球铰3.1通过第二螺钉3.2和下盖3.3连接，下盖3.3的另一端依次设置有下膜片弹簧3.17、外筒3.5、上膜片弹簧3.13和上盖3.8，第三螺钉3.4将下盖3.3、下膜片弹簧3.17和外筒3.5三者紧固连接，第四螺钉3.6将上盖3.8、上膜片弹簧3.13和外筒3.5紧固连接；第五螺钉3.10将固定件3.11和上柔性球铰3.12固定连接，轴3.9的一端通过螺纹连接在固定件3.11上，另一端穿入上盖3.8、外筒3.5和下盖3.3的腔体中并依次穿过上膜片弹簧3.13和下膜片弹簧3.17，第一螺栓3.18将下膜片弹簧3.17和轴3.9固定，内磁环3.15固定在轴9上，外磁环3.16固定在外筒3.5内壁上，上膜片弹簧3.13和内磁环3.15将设置套筒3.14，第二螺栓3.7将上膜片弹簧3.13和套筒3.14沿轴