专利名称：主动隔振平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及振动控制，特别是一种主动隔振平台。
背景技术：
通常振动控制的方法有三种减弱振源强度、隔振和吸振。隔振就是在振源与 减振体之间增加衰减振动的元器件， 一般情况下，采用由弹簧和阻尼器构成的被动隔振器 (PVI-Passive Vibration Isolation)，例如空气弹簧隔振器，它因结构简单性能可靠而得 到了广泛应用。但被动隔振有它固有的缺点首先是共振放大和高频衰减对阻尼比的要求 是相互矛盾的，设计时阻尼比必须综合考虑，折衷选择；其次为了增加隔振器的有效带宽需 要降低隔振器的固有频率，但考虑到结构实现与设备安装精度，隔振器的支撑刚度不能太 低，再次是被动隔振器不能衰减低频振动。 解决上述问题的一个方法是在PVI中增加传感器、控制器和作动器，构成主动隔 振器(AVI-Active Vibration Isolation)，获得更好的静态稳定性和动态性能。作动器一 般和PVI并联或者串联使用，在并联时系统的高频隔振性能由于作动器输出带宽的限制而 恶化，在串联时作动器需要承担巨大的静态负载，这对作动器提出了苛刻的要求，同时造成 系统成本急剧上升。作动器刚度与负载刚度匹配是选择合适作动器时考虑的最重要的方面 之一，作动器的输出位移应该不小于振源的位移。 目前普遍使用的作动器有电动/电磁作动器、液压作动器、气压作动器、反作用 质量块作动器、磁致伸縮作动器、压电作动器、形状记忆合金作动器。液压作动器可以产生 较大的位移和输出力，但输出带宽有限并且设备复杂，同样的气压作动器和形状记忆合金 作动器的有效带宽也有限，不超过10Hz，压电作动器和磁致伸縮作动器的输出位移非常有 限，很难胜任低频振动控制。 TMC公司开发的STACIS主动隔振平台采用了压电作动器和PVI串联构成的AVI， 由于作动器要承担全部的负载，选用的压电作动器直径为25. 4mm，高32mm，成本高昂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有的空气弹簧隔振平台在中低频隔振能力 的局限，同时克服现有作动器存在的输出位移与输出刚度等参数的间隙，提供一种主动隔 振平台，并设计出在具有一定输出力的情况下具有较大的输出位移，能够和空气弹簧隔振 器并联使用的电机作动器用于所述的主动隔振平台。
本发明的技术方案是 —种主动隔振平台，特点是其结构包括多个空气弹簧支撑的平台和多个单自由度 隔振模块，所述的单自由度隔振模块由电机作动器、第一传感器、控制器、第二传感器构成， 所述的电机作动器由具有动子或转子和定子的电机和驱动弹簧构成，所述的空气弹簧连接 在地基和所述的平台之间，所述电机的定子与所述的地基固定连接，所述电机的动子或转 子通过所述的驱动弹簧与所述的平台相连接，所述的第一传感器测量所述的平台的振动信息，所述的第二传感器测量所述的地基的振动信息，所述的第一传感器的输出端、第二传感 器的输出端和所述的电机的动子或转子的信号输出端与所述的控制器的信号输入端相连， 所述的控制器的信号输出端与所述电机的驱动电源的控制端相连。
所述的电机为直线步进电机或旋转电机。 所述的电机作动器是由直线步进电机和驱动弹簧构成一块L型底板，分别用四 个螺栓和四块L型限位挡板将所述的直线步进电机的定子固定在所述的L型底板的长板 长度方向上，四块缓冲垫分别粘在所述的四块L型限位挡板上，并位于所述的直线步进电 机动子行程的两末端的两边，所述的直线步进电机动子跨设在所述的直线步进电机的定子 上，所述的直线步进电机动子的顶部固定一块固定块，所述的驱动弹簧连接在所述的固定 块和所述的平台之间，通过螺栓将L型底板的短板固定在地基上。
所述的驱动弹簧工作时受拉应力。 所述的控制器根据所述的第一传感器、第二传感器测量的振动信号和所述的平台 预设的控制律控制电机作动器的力输出，并通过所述的驱动弹簧把电机的位移输出转化为 力输出，或把电机的角位移输出转化为力矩输出，或把电机的角位移输出通过丝杠转化为 力矩输出，从而减小平台的振动。 利用传感器测量地基和平台的振动，控制器根据这些信号按照预定的控制律得到 控制信号，控制电机作动器输出一定大小的力，减小平台振动。其中电机作动器的技术方 案是利用直线电机动子推动驱动弹簧，驱动弹簧把电机的位移输出转化为力输出，或者旋 转电机通过滚珠丝杠把旋转运动转化为直线运动，通过滑块推动弹簧输出力，或者直接把 旋转电机转子的角位移输出转化为力矩输出，由于可以精确控制电机的输出位移或者角位 移，从而可以精确控制输出力或者力矩。输出力的分辨率由电机的重复定位精度和弹簧刚 度相关，根据需要可以获得广阔的参数选择范围。同时利用了驱动弹簧有大形变的能力，满 足了空气弹簧隔振器在工作状态和非工作状态之间有巨大间隙而对电机作动器的要求。
本发明具有以下优点 满足了和空气弹簧隔振器并联使用的作动器对参数的苛刻要求； 可以方便的设计电机作动器输出行程和输出力，填补了现有电机作动器的空白。
图1是本发明主动隔振平台单自由度模型示意图；
图2是本发明电机作动器的主视图；
图3是图2发明电机作动器的俯视图；
图4是本发明电机作动器的力输出性能图；
图5是本发明电机作动器的力输出性能图。
具体实施例方式
以下将结合实施例和附图对本发明做进一步描述，但不应以此限制本发明的保护 范围。 先请参阅图l，图l是本发明主动隔振平台单自由度模型示意图，本发明主动隔振 平台，其结构包括多个空气弹簧2支撑的平台1和多个单自由度隔振模块，所述的单自由度隔振模块由电机作动器3、第一传感器6、控制器7、第二传感器8构成，所述的电机作动器3 由具有动子或转子13和定子12的电机和驱动弹簧14构成，所述的空气弹簧2连接在地基 9和所述的平台1之间，所述电机的定子12与所述的地基9固定连接，所述电机的动子或转 子13通过所述的驱动弹簧14与所述的平台1相连接，所述的第一传感器6测量所述的平 台1的振动信息，所述的第二传感器8测量所述的地基9的振动信息，所述的第一传感器6 的输出端、第二传感器8的输出端和所述的电机的动子或转子13的信号输出端与所述的控 制器7的信号输入端相连，所述的控制器7的信号输出端与所述电机的驱动电源的控制端 相连。所述的驱动弹簧14工作时受拉应力。 其工作原理是第一传感器6测量平台1的振动信号、第二传感器8测量地基9的 振动信号并输入到控制器7，电机作动器3的输出位移信号也反馈到控制器7，经控制器7 按照控制律计算获得控制信号，经放大后驱动电机输出位移，从而驱动弹簧14对平台1施 加不同的拉力，以减小平台1的振动。平台1至少由3个空气弹簧支撑，一个电机作动器只 能控制平台1的一个平动自由度，若控制平台的六个自由度，至少需要六个电机作动器。
图2是本发明直线步进电机电机作动器的主视图，图3是图2发明电机作动器的 俯视图。所述的电机作动器3是由直线步进电机和驱动弹簧14构成一块L型底板18，分 别用四个螺栓22、23、24、25和四块L型限位挡板10、16、101、161将所述的直线步进电机的 定子12固定在所述的L型底板18的长板长度方向上，四块缓冲垫11、 15、 111、 151分别粘 在所述的四块L型限位挡板10、16、101、161上，并位于所述的直线步进电机动子13行程的 两末端的两边，所述的直线步进电机动子13跨设在所述的直线步进电机的定子12上，所述 的直线步进电机动子13的顶部固定一块固定块17，所述的驱动弹簧14连接在所述的固定 块17和所述的平台1之间，通过螺栓21将L型底板18的短板固定在地基9上。
电机动子13行程的末端与缓冲垫11或缓冲垫15接触，承担绝大部分的受力，防 止损坏步进电机，空气弹簧2在非工作状态下由于排放掉内部的空气，空气弹簧2的长度减 小，从而导致平台1在工作状态和非工作状态之间有一定的位移，对电机作动器3的要求是 其驱动弹簧14与平台1连接的一端产生同样大的位移时不发生损坏，由于本发明电机作动 器3在工作时驱动弹簧14受拉应力，在非工作状态下拉应力变小或者驱动弹簧14在压应 力下为静不定结构，压应力过大时处于失稳状态，从而减小电机作动器3动子13的受力，不 会损坏步进电机，可以满足这个要求。
电机作动器设计与直线电机选择 直线步进电机动子13的行程Lm、重复定位精度Dm、最大输出力Fm、最大速度Vm，最 大加速度am，驱动弹簧14刚度kmK，初始长度Lspring，空气弹簧2充气状态与非充气状态高度 差为h，平台l质量m，阻尼c， 在图1中，若电机作动器3的输出力为f (t)，则平台1的运动方程为
附i。(,)+c(i。("(/》+A:(;c。W-x,.(,》+/(,)= 0 (1) 对上式进行拉普拉斯变换且采用的控制律为 F(》-[附。？+c。"A:。jZ。W (2) 其中F(s)，X。(s)，Xi(s)分别为f(t)、x。(t)、Xi(t)的拉普拉斯变换，可以获得平台 1的传递函数
G(S) = 7-、 2 7 + & 、~^~~(3) 合理的设计控制律，即设计ma， ca， ka参数，获得期望的幅频特性，再根据式(2)控 制律得到电机作动器3的输出力，确定在在主动控制的频率范围内对电机作动器3的输出 力要求 f (t) = L—U[mas2+CaS+kJX。(s)) (4) 其中x。(t)为主动隔振平台工作环境的振动输入。也可以选择其他控制律，用同
样的方法获得对电机作动器输出力的要求。 为了保证电机作动器3工作时输出无死区以及防止弹簧失稳，需要对电机作动器 施加预加拉力，电机作动器3工作时处于拉应力状态，因此直线步进电机的最大输出力应 f两足 Fm > L迈k迈K (5) 驱动弹簧14不发生塑性形变的最大长度为L。ut，则电机作动器3的最大有效输出
位移为Lm隨=L。ut-Lspring-Lm (6) 同时保证驱动弹簧14在压縮h长度的形变后无塑性变形，忽略电机作动器3的输 出力的直流分量，若直线步进电机动子13的输出位移为L，则电机作动器3的有效输出力 为 fm = -LkmK， L G [_Lm/2， Lm/2] (7)
电机作动器3的最大有效输出力为 /=ix￡;t^: (8) 电机作动器3的输出力的分辨率为 fmres = kmKDm (9)
可以根据式(8)与(9)以及对电机作动器的要求综合考虑驱动弹簧14的刚度kmK， 增加驱动弹簧14的刚度能增加电机作动器3的最大有效输出力，但降低电机作动器3的输 出力分辨率，同时应该保证驱动弹簧14的刚度远小于空气弹簧2的刚度，防止高频振动沿 电机作动器3传播。通过并且选择合适的步进电机的行程Lm和重复定位精度Dm。由于驱 动弹簧14可以产生较大的形变，电机作动器3的在输出位移变化较大的情况下也能有正常 的力输出，故电机作动器3的输出行程可以满足主动控制的要求。 在准静态情况下，电机作动器3的最大有效输出力受步进电机冲程Lm的影响，其 最大有效输出力为 F。ut = f ax (10) 随着工作频率的提高，电机作动器的输出开始受直线步进电机最大速度Vm和最大 加速度am的影B向，当 K《4A (11) 电机作动器3的有效输出力受步进电机动子13的最大速度Vm限制的频率范围 为5/6页
考虑到步进电机动子13的重复定位精度Dm，电机作动器的工作截止频率为
(18)
32D—
在此截止频率之上，电机作动器无有效输出，表现为被动元件。 在图2所示的实施例中，电机可以是旋转的步进电机或者伺服电机通过滚珠丝杠 把角位移输出转化为位移输出。如果旋转定位精度为e，最大角速度为a，最大角加速度
为e，滚珠丝杠的导程为lr，行程为Lr。贝U Dm=lr 9/360 (19)
Vm = lr a /360 (20)
am=lrP/360 (21)
Lm = Lr (22)
然后根据前面的叙述设计电机作动器。 实验表明本发明的传感器测量地基振动与平台振动，控制器根据传感器的测量 信号和一定的控制算法控制电机作动器的输出，电机动子或转子通过驱动弹簧与平台连 接，电机动子或转子根据控制器的控制命令输出位移或者角位移，通过驱动弹簧把位移输出转化为力输出，或者把角位移输出转化为力矩输出，减小平台振动；本发明克服了现有的 空气弹簧隔振平台在中低频隔振能力的局限，同时克服了现有作动器存在的输出位移与输 出刚度等参数的间隙的问题，同时高频振动不会通过本发明的电机作动器传递，并且电机 作动器有较大的输出行程。
权利要求
一种主动隔振平台，特征是其结构包括多个空气弹簧(2)支撑的平台(1)和多个单自由度隔振模块，所述的单自由度隔振模块由电机作动器(3)、第一传感器(6)、控制器(7)、第二传感器(8)构成，所述的电机作动器(3)由具有动子或转子(13)和定子(12)的电机和驱动弹簧(14)构成，所述的空气弹簧(2)连接在地基(9)和所述的平台(1)之间，所述电机的定子(12)与所述的地基(9)固定连接，所述电机的动子或转子(13)通过所述的驱动弹簧(14)与所述的平台(1)相连接，所述的第一传感器(6)测量所述的平台(1)的振动信息，所述的第二传感器(8)测量所述的地基(9)的振动信息，所述的第一传感器(6)的输出端、第二传感器(8)的输出端和所述的电机的动子或转子(13)的信号输出端与所述的控制器(7)的信号输入端相连，所述的控制器(7)的信号输出端与所述电机的驱动电源的控制端相连。
2. 根据权利要求1主动隔振平台，其特征在于，所述的电机为直线步进电机或旋转电机。
3. 根据权利要求2主动隔振平台，其特征在于，所述的电机作动器(3)是由直线步进电机和驱动弹簧(14)构成一块L型底板(18)，分别用四个螺栓(22、23、24、25)和四块L型限位挡板(10、16、101、161)将所述的直线步进电机的定子(12)固定在所述的L型底板(18)的长板长度方向上，四块缓冲垫(11、15、111、151)分别粘在所述的四块L型限位挡板(10、16、101、161)上，并位于所述的直线步进电机动子(13)行程的两末端的两边，所述的直线步进电机动子(13)跨设在所述的直线步进电机的定子(12)上，所述的直线步进电机动子(13)的顶部固定一块固定块(17)，所述的驱动弹簧(14)连接在所述的固定块(17)和所述的平台(1)之间，通过螺栓(21)将L型底板(18)的短板固定在地基(9)上。
4. 根据权利要求2主动隔振平台，其特征在于，所述的驱动弹簧(14)工作时受拉应力。
5. 根据权利要求2主动隔振平台，其特征在于，所述的控制器(7)根据所述的第一传感器、第二传感器测量的振动信号和所述的平台预设的控制律控制电机作动器的力输出，并通过所述的驱动弹簧把电机的位移输出转化为力输出，或把电机的角位移输出转化为力矩输出，或把电机的角位移输出通过丝杠转化为力矩输出，从而减小平台的振动。
全文摘要
一种主动隔振平台，包括平台、传感器、控制器和电机作动器。其工作原理是传感器测量地基振动与平台振动，控制器根据传感器的测量信号和一定的控制算法控制电机作动器的输出，电机动子或转子通过驱动弹簧与平台连接，电机动子或转子根据控制器的控制命令输出位移或者角位移，通过驱动弹簧把位移输出转化为力输出，或者把角位移输出转化为力矩输出，减小平台振动；同时高频噪声不会通过本发明电机作动器传递，并且本发明电机作动器有较大的输出行程和输出力。
文档编号F16F15/02GK101701616SQ200910199149
公开日2010年5月5日 申请日期2009年11月20日 优先权日2009年11月20日
发明者刘芳, 孙平平, 张涛, 徐嘉, 朱健强, 赵芳芳, 黄宏彪 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所