一种多自由度主动质量阻尼器减振系统的制作方法

本发明涉及振动控制领域，尤其涉及一种多自由度主动质量阻尼器减振系统。

背景技术：

500米口径球面射电望远镜(fast)(图1)采用新型的柔性支撑方案来实现馈源舱大跨度、高精度的定位和指向功能；使用6根钢索悬吊并拖动重30吨的馈源舱完成大范围运动。

这个柔性悬吊系统频率非常低，容易受到外界的干扰而激起振动。通过可行手段来增大馈源支撑结构的阻尼可减小馈源舱的振动，是提高定位和指向精度的有效途径之一。在现有支撑方案的前提下，很难提高结构自身的阻尼，因此需要考虑额外的振动控制设备。

质量阻尼器不需要连接额外的基础而是直接安装在需要抑制振动的设备上，具有很好的有效性和可靠性，广泛应用于如高层建筑、桥梁以及存在振动的机械设备上。在天文望远镜领域，同样有质量阻尼器的应用实例，例如：与fast具有相似索支撑结构的arecibo望远镜使用了的“stockbridge”阻尼器。

与高层建筑、桥梁和arecibo望远镜的应用环境相比，fast具有三个显著的不同：首先，fast馈源舱的工作位置始终在变化中，导致其索支撑结构的振动模态和频率也在不停变化，使用被动工作的调谐质量阻尼器工作效果有限，如果多个调谐质量阻尼器协同工作，势必会给馈源舱增加过多的负重压力，不可行；其次，fast馈源舱的振动特点是空间6自由度复合运动。因此，其质量阻尼器的结构和布局会与常规应用完全不同；最后，fast需要抑制的振动频率很低，在0.1-1hz区间，这给质量阻尼器的参数设计带来很大困难。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多自由度主动质量阻尼器减振系统，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多自由度主动质量阻尼器减振系统包括运动控制装置和主动质量阻尼器；待减振装置沿其周向均匀间隔设置有至少三个主动质量阻尼器，相邻两个主动质量阻尼器之间间隔的角度相等；各所述主动质量阻尼器均与所述运动控制装置相连。

优选的，所述主动质量阻尼器包括安装板、质量块、位置传感器、加速度传感器和驱动装置，所述安装板平行于其高度方向的一侧间隔设置有至少两条运动导轨，所述运动导轨沿所述安装板的高度方向延伸；所述质量块上设置有至少两个沿其移动方向贯穿其上下两侧的导孔，各所述运动导轨分别对应伸入相应的导孔中，令所述质量块沿所述运动导轨上下滑动；所述质量块与所述驱动装置和所述位置传感器相连，所述驱动装置、所述位置传感器和加速度传感器均固定在所述安装板上。

优选的，所述驱动装置经电机控制线缆与所述运动控制装置相连；所述加速度传感器经加速度信号线与所述运动控制模块相连；所述位置传感器经位置信号线与所述运动控制模块相连。

优选的，所述主动质量阻尼器还包括位移限位块，所述位移限位块固定在所述安装板上；所述位置限位块设置在所述质量块的行程范围内。

优选的，所述驱动装置和所述位置传感器设置在所述安装板平行于其高度方向的相对的两侧，且所述驱动装置和所述位置传感器的所在侧垂直于所述运动导轨的所在侧。

优选的，所述驱动装置为直线电机，所述直线电机的动子与所述质量块相连，所述直线电机的定子固定在所述安装板上，所述定子的上方设置有至少一个与所述定子的上端接触的位移限位块；所述定子的下方设置有至少一个与所述定子的下端接触的位移限位块。

优选的，所述安装板上与所述运动导轨所在侧相对的一侧设置有至少两个加速度传感器，各所述加速度传感器沿所述安装板的高度方向间隔设置。

优选的，所述运动控制装置包括运动控制器和至少三个电机驱动器，各所述电机驱动器均与所述运动控制器相连；各所述电机驱动器分别与各主动质量阻尼器中的驱动装置经电机控制线缆相连；所述加速度传感器经所述加速度信号线与所述运动控制器相连，所述位置传感器经所述位置信号线与所述运动控制器相连。

本发明的有益效果是：主动质量阻尼器在所有振动模态上都有很好的效果，且克服了被动阻尼器低刚度、变频率不易实现的弱点；能够极大的减小了振动，保持的馈源舱的平稳移动。

附图说明

图1是本发明实施例中500米口径球面射电望远镜(fast)的示意图；

图2是本发明实施例中主动质量阻尼器减振系统的结构示意图；

图3是本发明实施例中主动质量阻尼器减振系统的另一视角结构示意图；

图4是本发明实施例中沿水平面内旋转轴的旋转的示意图；

图5是本发明实施例中沿水平面垂直方向旋转轴的旋转和沿与水平面垂直方向平动的示意图；

图6是本发明实施例中馈源舱使用主动质量阻尼器减振系统的结构示意图；

图7是本发明实施例中馈源舱使用主动质量阻尼器减振系统的另一视角结构示意图；

图8是本发明实施例中使用和不使用主动质量阻尼器减振系统的馈源舱垂直轴方向平动自由度振动的时域振动响应曲线对比图；

图9是本发明实施例中使用和不使用主动质量阻尼器减振系统的馈源舱水平轴方向转动自由度振动的时域振动响应曲线对比图；

图10是本发明实施例中使用和不使用主动质量阻尼器减振系统的馈源舱边缘位置振动的时域振动响应曲线对比图。

图中：1、馈源舱；2、悬挂绳索；3、主动质量阻尼器；4、安装板；41、第一侧面；42、第二侧面；43、第三侧面；44、第四侧面；45、固定头；5、固定片；6、运动导轨；7、质量块；8、加速度传感器；9、位置传感器；10、定子；11、位移限位块；12、导孔。

具体实施方式

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，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方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图2至图3所示，本实施例中提供了一种多自由度主动质量阻尼器减振系统，包括运动控制装置和主动质量阻尼器3；待减振装置沿其周向均匀间隔设置有至少三个主动质量阻尼器3，相邻两个主动质量阻尼器3之间间隔的角度相等；各所述主动质量阻尼器3均与所述运动控制装置相连。

本实施例中，减振系统在使用的过程中，主动质量阻尼器3的个数可以根据实际的需求进行设置，主动质量阻尼器3设置在待减振装置的外周，且沿其周向均匀间隔设置，保证主动质量阻尼器3不会由于设置位置的原因影响其减振效果。

本实施例中，所述主动质量阻尼器3包括安装板4、质量块7、位置传感器9、加速度传感器8和驱动装置，所述安装板4平行于其高度方向的一侧间隔设置有至少两条运动导轨6，所述运动导轨6沿所述安装板4的高度方向延伸；所述质量块7上设置有至少两个沿其移动方向贯穿其上下两侧的导孔12，各所述运动导轨6分别对应伸入相应的导孔12中，令所述质量块7沿所述运动导轨6上下滑动；所述质量块7与所述驱动装置和所述位置传感器9相连，所述驱动装置、所述位置传感器9和加速度传感器8均固定在所述安装板4上。

本实施例中，所述驱动装置经电机控制线缆与所述运动控制装置相连；所述加速度传感器8经加速度信号线与所述运动控制模块相连；所述位置传感器9经位置信号线与所述运动控制模块相连。

本实施例中，所述主动质量阻尼器3还包括位移限位块11，所述位移限位块11固定在所述安装板4上；所述位置限位块设置在所述质量块7的行程范围内。

本实施例中，所述驱动装置和所述位置传感器9设置在所述安装板4平行于其高度方向的相对的两侧，且所述驱动装置和所述位置传感器9的所在侧垂直于所述运动导轨6的所在侧。

本实施例中，所述驱动装置为直线电机，所述直线电机的动子与所述质量块7相连，所述直线电机的定子10固定在所述安装板4上，所述定子10的上方设置有至少一个与所述定子10的上端接触的位移限位块11；所述定子10的下方设置有至少一个与所述定子10的下端接触的位移限位块11。

本实施例中，所述安装板4上与所述运动导轨6所在侧相对的一侧设置有至少两个加速度传感器8，各所述加速度传感器8沿所述安装板4的高度方向间隔设置。

如图2所示，本实施例中，所述安装板4包括长方体形的安装条以及固定在安装条上下两端的固定头，所述安装条平行于其高度方向的侧面包括平行且相对设置的第一侧面41和第二侧面42，以及平行且相对设置的第三侧面43和第四侧面44。所述第一侧面41的所在侧设置有两个运动导轨6，两个运动导轨6沿安装条的高度方向延伸，且两所述运动导轨6与所述第一侧面41相距一定距离。质量块7上对应运动导轨6设置有导孔12，两个运动导轨6分别对应伸入两个导孔中12，使质量块7能够沿运动导轨6上下移动。

本实施例中，所述直线电机的定子10与所述位置传感器9分别设置在所述第三侧面43和第四侧面44上，也就是说直线电机的定子10与所述位置传感器9两者相对设置在所述安装条的第三侧面43和第四侧面44上；所述直线电机的定子10延伸到第一侧面41上，直线电机的动子可沿定子10上下移动，且直线电机的动子与所述质量块7靠近所述第一侧面41的一侧固定连接，能够驱动质量块7沿运动导轨6上下移动。

本实施例中，固定头45呈梯形，所述固定头45尺寸较宽的一端伸出所述安装条的第一侧面41，各所述固定头45上间隔设置有两个固定片5，且位于上端固定头45的两个固定片5分别对应位于下端的固定头45上端的两个固定片5，上下对应的两个固定片5之间固定一个运动导轨6。质量块7上沿平行于运动导轨6的方向设置有贯穿其上下两侧的导孔12，两个运动导轨6分别对应伸入两个导孔12中，运动导轨6给质量块7的移动提供的导向作用和支撑作用。

本实施例中，安装板4上设置有两个位移限位块11，两个位移限位块11分别设置在直线电机上下两端的安装板4上，且两个位移限位块11分别与直线电机的定子10的两端相接触。两个加速度传感器8均设置在所述第二侧面42上，且两个加速度传感器8分别与两个位移限位块11位于同一高度处。

本实施例中，所述运动控制装置包括运动控制器和至少三个电机驱动器，各所述电机驱动器均与所述运动控制器相连；各所述电机驱动器分别与各主动质量阻尼器3中的驱动装置经电机控制线缆相连；所述加速度传感器8经所述加速度信号线与所述运动控制器相连，所述位置传感器9经所述位置信号线与所述运动控制器相连。

实施例二

如图4至图10所示，馈源舱1由6根悬挂绳索2悬挂，在自身重力下保持平衡。馈源舱1的振动特点是3维空间6个自由度，这个振动是由6根索多个模态的振动复合出来的结果。针对舱索结构做的动力学分析能够找到馈源舱1振动的主要影响因素：最显著振型包括沿水平面内旋转轴的旋转(图4)、沿水平面垂直方向旋转轴的旋转和沿与水平面垂直方向的平动(图5)。

其中，馈源舱1沿水平轴的扭转是首要振动模态，频率低，对精度的影响也最大。沿与水平面垂直轴的平动频率高，也可能影响精度。这两种振动应是振动抑制的首要对象。

对于馈源舱1主要的振动模态，其运动响应最大的位置都在水平方向的边缘，运动方向沿垂直方向。在运动响应最大的位置上设置主动质量阻尼器3，可以显著吸收舱体振动并增加阻尼，这样的结果是索和舱体其他次要的振动也能够得到明显的抑制。

本实施例中，所述馈源舱1即为待减振装置，将减振系统用于馈源舱1减振，则需要在馈源舱1外周间隔设置三个主动质量阻尼器3；相邻两主动质量阻尼器3之间间隔的角度相同；如图6和图7所示。

本实施例中，在馈源舱1内靠近边缘处均匀设置个垂直方向运动的主动质量阻尼器3。馈源舱1经悬挂绳索2连接在支撑塔上。三个主动质量阻尼器3的质量块7的总质量默认为舱体质量的1/10，需要根据舱内能够提供的实际行程空间调整。原则是质量块7越小，所需行程越长。为实现主动的振动抑制，采用闭环速度反馈，即驱动质量块7的驱动力与质量块7在运动导轨6中的运动速度成比例。速度信息从加速度传感器8或者舱外位置测量微分得到。此外，质量块7的运动需要位移传感器提供平衡点和偏离距离信息。质量块7的平衡位置由驱动装置的稳态力矩提供。

本实施例中，主动质量阻尼器减振系统的工作过程为，馈源舱1在上下移动的过程中，主动质量阻尼器3随馈源舱1移动，主动质量阻尼器3上的加速度传感器8检测馈源舱1上下移动的加速度，并经所述加速度信号线将其反馈给运动控制器，所述运动控制器将会根据所述馈源舱1的加速度积分成速度并呈比例的控制直线电机动作，直线电机的动子将会给质量块7提供一个驱动力，该驱动力驱动质量块7沿运动导轨6上下移动，进而为馈源舱1减振；同时位置传感器9将会实时采集质量块7的偏离中间位置的距离控制移动速度，距离越远则向外的偏离驱动力越低且向内回归的驱动力越高，使得质量块7在偏离中间位置过多时降低部分减振效果，但能够保持质量块7始终位于初始中间位置附近工作。

本实施例中，使用主动质量阻尼器减振系统后，垂直轴方向平动阻尼比由无质量阻尼器时的0.002提高到0.035(时域振动响应如图8，虚线为不使用主动质量阻尼器减振系统；实线为使用主动质量阻尼器减振系统)，水平轴方向转动阻尼比由0.004提高到0.14(时域振动响应如图9，虚线为不使用主动质量阻尼器减振系统；实线为使用主动质量阻尼器减振系统)。在馈源舱1边缘位置处测得的振动响应可见，0.35hz和0.85hz处的阻尼比分别提高到0.12和0.035(时域振动响应如图10，虚线为不使用主动质量阻尼器减振系统；实线为使用主动质量阻尼器减振系统)。由图8至图10可知，在馈源舱1上安装主动质量阻尼器3后，极大的减小了振动，提高了馈源舱1运动的平稳度，主动质量阻尼器3在所有振动模态上都有很好的效果，且克服了被动阻尼器低刚度、大行程不易实现的弱点。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明提供了一种多自由度主动质量阻尼器减振系统，主动质量阻尼器在所有振动模态上都有很好的效果，且克服了被动阻尼器低刚度、变频率不易实现的弱点；能够极大的减小了振动，保持的馈源舱的平稳移动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。