一种准零刚度惯性作动器的制作方法

本发明涉及主动减振领域，具体涉及一种增加作动器低频出力的非线性支撑的惯性作动器。

背景技术：

随着工业的发展，人们对振动控制的要求越来越高。而传统的被动隔振技术虽然有结构简单，易于实现等优点，但是也有其难以克服的缺点，当隔振系统结构确定以后，减振效果确定，无法适应外扰频率的变化，同时只有当激励频率大于倍的隔振系统的固有频率时才能起减振作用，但过低的系统固有频率在实现时会导致静变形过大与失稳的问题，造成低频隔振难题。

振动主动控制技术能够克服上述问题，得到了快速发展。作动器是主动控制的重要部分，其包括驱动部件、活动部件以及弹性支撑，驱动部件采用驱动线圈，活动部件构成一闭合磁路系统，一方面，作动器的出力大小符合左手定则，其出力大小与磁场强度、电流强度以及导线长度成正比，为了符合使用和安装要求，现有的作动器的体积和电流强度一般不宜过大，而体积又限制了磁场强度和导线长度，因此，现有的作动器的出力一般较小；另一方面，作动器的出力频率与弹性支撑有关，其出力频率应大于活动部件和弹性支撑构成的组件的固有频率，授权公告号为CN104500647B的中国发明专利公开了一种双层主被动机电集成式隔振装置，其采用弹簧作为弹性支撑，由于现有弹簧的刚度低，其固有频率一般无法达到低频甚至超低频，因此，现有的作动器的出力频率也无法达到低频甚至超低频。综上，现有的作动器的低频出力较小，因而研发一种增加作动器低频甚至超低频出力的惯性作动器具有重要意义。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的发明目的在于提供一种准零刚度惯性作动器，在不需要增大体积和输入电流的情况下，增加作动器的低频甚至超低频出力。

为实现上述发明目的，本发明提供以下的技术方案：一种准零刚度惯性作动器，包括外壳、活动部件以及驱动部件，所述外壳包括底座、上端盖以及侧壁，所述活动部件分别设有第一支撑部件和导向部件，所述第一支撑部件沿竖直方向弹性支撑所述活动部件，所述导向部件沿竖直方向导向所述活动部件，所述活动部件通过所述第一支撑部件传力至所述底座上，所述驱动部件传力至所述底座上，所述活动部件构成一闭合磁路系统，以同步产生驱动所述驱动部件振动的作用力和驱动其自身振动的反作用力，所述活动部件还设有第二支撑部件，至少两个所述第二支撑部件沿水平方向弹性连接所述活动部件并沿所述活动部件的周向均布设置，所述第一支撑部件沿竖直方向为静态压缩状态或动态压缩拉伸交替状态，所述第二支撑部件沿水平方向为静态压缩状态或动态压缩状态。

所述活动部件、所述第一支撑部件以及所述第二支撑部件构成的组件的固有频率小于所述活动部件的振动频率。

进一步的，所述第一支撑部件采用板式复合弹簧，所述板式复合弹簧包括连接板、连接衬套以及橡胶板，所述连接板和所述连接衬套为金属材质，所述连接板设有中部通孔，所述连接衬套同轴设置在所述中部通孔中，所述橡胶板硫化成型于所述连接板的内侧边和所述连接衬套的外壁之间，所述连接板与所述底座相对固定，所述连接衬套与所述活动部件相对固定并悬空设置。

进一步的，所述底座部分向上延伸形成环形凸台，所述环形凸台与所述连接板相对固定。

进一步的，所述第二支撑部件采用柱式复合弹簧，所述柱式复合弹簧包括内侧连接头、外侧连接头以及橡胶棒，所述内侧连接头和所述外侧连接头为金属材质，所述内侧连接头和所述外侧连接头同轴设置，所述橡胶棒硫化成型于所述内侧连接头和所述外侧连接头之间，所述内侧连接头与所述活动部件相对固定，所述外侧连接头与所述侧壁相对固定。

进一步的，所述橡胶棒沿水平方向的压缩量可调，所述外侧连接头穿过所述侧壁的通孔，所述外侧连接头还螺纹连接有分别位于所述通孔的两侧的调节螺母。

进一步的，所述活动部件包括磁缸、设置在所述磁缸中的永磁体及设置在所述磁缸和所述永磁体上侧位置的固定板，所述固定板分别与所述磁缸和所述永磁体相对固定，所述驱动部件包括线圈骨架和驱动线圈，所述线圈骨架设置在所述磁缸和所述永磁体之间的气隙中并传动连接所述底座，所述驱动线圈缠绕在所述线圈骨架上。

进一步的，所述底座部分向上延伸形成筒形支架，所述筒形支架作为所述线圈骨架。

进一步的，所述永磁体的上，下侧位置还分别设置有上，下轭铁，所述上，下轭铁分别与所述磁缸的之间形成上，下气隙，所述上，下气隙中分别设置所述驱动部件，两个所述驱动部件通过环氧树脂套固化为一个整体。

进一步的，所述导向部件包括导向轴，所述导向轴的下端与所述底座连接，所述导向轴的上端与所述上端盖连接，所述导向轴上套设安装有直线轴承，所述直线轴承的内圈与所述导向轴相对固定，所述直线轴承的外圈与所述活动部件相对固定，所述第二支撑部件连接在所述侧壁和所述直线轴承的外圈之间。

进一步的，所述活动部件与所述上端盖之间的空间略大于所述活动部件的振动行程。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

(1)本发明中的作即本发明通过设置沿竖直方向弹性支撑的第一支撑部件和沿水平方向弹性连接的第二支撑部件，第一支撑和第二支撑形成一个高静态低动态刚度的支撑组件，当活动部件静止时，第二支撑部件处于水平状态并且不起支撑作用，第一支撑部件负责支撑活动部件，这时活动部件的静位移小，当活动部件运动时，第二支撑部件起负刚度作用，相当于使第一支撑的动态刚度变小了，从而实现活动部件、第一支撑部件以及第二支撑部件构成的弹性支撑组件具有高静态低动态刚度的特点，能够减小活动组件的固有频率，理想状态可以接近零频，因此，增加作动器的低频甚至超低频输出；

(2)本发明中的作动器的出力大小f由安培力和刚度力两个力合成，即其中f＝BIL为安培力，k为刚度，x为活动部件关于静平衡点的位移，w为安培力频率，wn为固有频率，可以看出当驱动力的频率相对于固有频率远小于1时，刚度力的分母可以近似为-1因此刚度力约等于-f，总的出力接近于0，但当驱动力的频率大于固有频率时，刚度力和安培力两者方向相同，总的出力等于两者的和。通过减小固有频率使不仅增加了同向力区的范围，也使频率比值增大，增加了低频区的出力。而一般线性支撑当通过减小刚度减小固有频率时会使静变形过大，稳定性变差，而通过第一支撑和第二支撑形成的具有高静态低动态的非线性支撑，不仅具有高的静刚度而且具有低的动刚度，从而在保证系统稳定的情况下，使固有频率减小甚至达到零固有频率，增加作动器低频出力。

附图说明

图1为本发明公开的准零刚度惯性作动器的主视图；

图2为本发明公开的准零刚度惯性作动器的仰视图；

图3为图2中A-A截面的后视剖视图；

图4为图3中B-B截面的仰视图；

图5为本发明公开的第一支撑部件的主视图；

图6为本发明公开的第一支撑部件的俯视图；

图7为改进前作动器初始出力曲线与改进后活动组件固有频率减小后的出力曲线对比图。

其中，110、底座；111、连接孔；120、上端盖；130、侧壁；131、第一接口；132、第二接口；211、磁缸；212、永磁体；213、上轭铁；214、下轭铁；215、固定板；220、橡胶板；221、连接衬套；222、连接板；230、长螺栓；240、橡胶棒；251、导向轴；252、直线轴承；253、螺栓；310、驱动线圈；320、线圈骨架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下为用于说明本发明的一较佳实施例，但不用来限制本发明的范围。

参见图1至图6，如其中的图例所示：

一种准零刚度惯性作动器，包括：

-外壳，其包括底座110、上端盖120以及侧壁130，底座110设有与被控制装置连接的连接孔111，侧壁130上分别开设有第一接口131和第二接口132；

-活动组件，其包括活动部件、第一支撑部件、第二支撑部件以及导向部件，

--上述活动部件包括磁缸211、设置在磁缸211中的永磁体212、分别设置在永磁体212的上，下侧位置的上，下轭铁213，214、及设置在磁缸211和上轭铁213上侧位置的固定板215，固定板215与磁缸211之间通过螺栓穿设固定；

--上述第一支撑部件采用板式复合弹簧，该板式复合弹簧包括连接板222、连接衬套221以及橡胶板220，连接板222和连接衬套221为金属材质，连接板222设有中部通孔，连接衬套221同轴设置在中部通孔中，橡胶板220硫化成型于连接板222的内侧边和连接衬套221的外壁之间，连接板222连接在底座110向上延伸形成的环形凸台上，固定板215、上轭铁213、永磁体212、下轭铁214通过一长螺栓230穿接在一起，连接衬套221的光孔中穿设一短螺栓，该短螺栓穿过上述连接衬套221的光孔与长螺栓230螺纹连接，橡胶板220沿竖直方向弹性支撑活动部件，橡胶板220沿竖直方向为静态压缩状态或动态压缩拉伸交替状态；

--上述第二支撑部件采用至少两根沿活动部件周向均布设置的两根柱式复合弹簧，该柱式复合弹簧包括内侧连接头、外侧连接头以及橡胶棒240，内侧连接头和外侧连接头为金属材质，内侧连接头和外侧连接头同轴设置，橡胶棒240硫化成型于内侧连接头和外侧连接头之间，内侧连接头与活动部件螺纹连接，外侧连接头与侧壁130螺纹连接，橡胶棒240沿水平方向弹性连接活动部件，橡胶棒240沿水平方向为静态压缩状态或动态压缩状态；

--上述导向部件包括导向轴251和直线轴承252，导向轴251的下端通过螺栓253与底座110连接，导向轴251的上端通过螺栓与上端盖120连接，直线轴承252套设安装在导向轴251上，直线轴承252的内圈与导向轴251相对固定，直线轴承252的外圈与磁缸211和/或固定板215相对固定，橡胶扭簧240的另一端螺纹连接在直线轴承252的外圈上；

-驱动部件，其分别设置在磁缸211分别与上轭铁213和下轭铁214形成的两个环形气隙中，包括驱动线圈310和线圈骨架320，线圈骨架320设置在磁缸211与永磁体212形成的气隙中并与底座110相对固定，驱动线圈310缠绕在线圈骨架320上，两个驱动部件通过环氧树脂套固化为一个整体。

其中，活动部件构成一闭合磁路系统，以同步产生驱动驱动部件振动的作用力和驱动其自身振动的反作用力，上述活动组件的固有频率小于活动部件的振动频率，活动部件与上端盖120之间的空间略大于上述活动部件的振动行程。活动部件与上端盖之间不需要再增设弹性支撑，节省了活动部件与上端盖之间的无效距离，作动器的整体高度可降低20％左右。

参见图7，为改进前作动器初始出力曲线与改进后活动组件固有频率减小后的出力曲线对比图，(因为说明书附图不能有彩色，所以我把红色给修改成虚线了)作动器的出力大小f由安培力和刚度力两个力合成，即其中f＝BIL为安培力，k为刚度，x为活动部件关于静平衡点的位移，w为安培力频率，wn为固有频率，可以看出当驱动力的频率相对于固有频率远小于1时，刚度力的分母可以近似为-1因此刚度力约等于-f，总的出力接近于0，但当驱动力的频率大于固有频率时，刚度力和安培力两者方向相同，总的出力等于两者的和。图示虚线为减小固有频率为原来的十分之一后的曲线，通过图形可以看出，通过减小固有频率使不仅增加了同向力区的范围，也使频率比值增大，增加了低频区的出力。而一般线性支撑当通过减小刚度减小固有频率时会使静变形过大，稳定性变差，而通过第一支撑和第二支撑形成的具有高静态低动态的非线性支撑，不仅具有高的静刚度而且具有低的动刚度，从而在保证系统稳定的情况下，使固有频率减小甚至达到零固有频率，增加作动器低频出力。

一种实施方式中，线圈骨架320与底座110为一体成型的一体结构。

一种实施方式中，橡胶棒240沿水平方向的压缩量可调，外侧连接头穿过侧壁130的通孔，外侧连接头还螺纹连接有分别位于通孔的两侧的调节螺母。

通过调整橡胶棒240的压缩量，压缩量调整使水平橡胶棒240处于压缩状态从而产生负刚度，橡胶棒240的压缩量与水平橡胶棒240和垂向橡胶板220的刚度比值有关，压缩量的值是通过理论计算得到，橡胶棒240必须水平并且压缩才能产生负刚度，才能降低活动组件的固有频率，使橡胶板220和橡胶棒240可以实现高静态刚度和低静态刚度，橡胶棒240数量没有限制，可以多个，使橡胶板220和橡胶棒240既能起到支撑作用，在活动部件往复运动时还能达到较低的动刚度，减小活动组件的固有频率，增加作动器低频输出；导向组件是一种运动约束机构，采用直线轴承252对活动部件进行准确定位并限制不必要的横向运动，从而保证活动部件在导向轴251的轴向上做往复运动。

作动器通过底座110上的连接孔111，利用螺母安装到控制机械上。作动器的磁路原理为：永磁体212→上轭铁213→气隙→磁缸211→气隙→下轭铁214→永磁体212，这样就构成了一个封闭的磁路。作动器的驱动线圈310通过第一接口131引出正负极，并通过第二接口132引出连接到外部功放(图中未视出)，功放输出电流到驱动线圈310，当驱动线圈310中通有交变电流时，电磁作用对驱动线圈310产生电磁力，因为驱动线圈310固定在不锈钢线圈骨架320，因此电磁力通过不锈钢线圈骨架320传递到底座110，同时驱动线圈310交变切割磁力线使活动部件产生往复运动，往复运动会使橡胶支撑产生回复力传递到底座110，两个力的合力即为输出力。

以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。