一种主被动一体化的全金属微振动控制装置的制作方法

本发明设计了一种主被动一体化的全金属微振动控制装置，适用于抑制机构在工作时产生的微振动或减小环境扰振对敏感设备的影响。

背景技术：

随着科技的日益发展，设备、载荷等的精度、分辨率等各项性能都越来越高，对其所在的工作平台的稳定性要求也越来越高，环境的微振动长期广泛存在，不可避免，势必会对平台的稳定产生不利影响，进一步影响到敏感器等设备的性能的充分发挥，因此稳定的工作平台成为高性能敏感器等设备正常工作的前提，而微振动控制是提高平台稳定性的有效途径。

稳定平台主要从两个方面来实现：1)减小平台受到回转机构(如高速转子)、往复机构(如振动筛)等其他振源设备的扰振，提高平台稳定性；2)减小平台的振动传递至有效载荷，从而减小平台振动对载荷的影响。针对振源的结构减振难以凑效，提高平台稳定性的行之有效的方法是微振动隔离，包括积极微振动隔离和消极微振动隔离。传统的隔振器(包括橡胶等)不能较好地兼顾高辐射、原子氧和多粉尘等复杂恶劣环境适应性和良好的振动隔离性能，不能较好地兼顾良好的抗疲劳性和长期动态载荷作用下的性能稳定性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种主被动一体化的全金属微振动控制装置，能较好地兼顾对地面和空间等多种复杂不利环境的适应性，以及长期的微振动和短时的大幅振动等多种工况下的性能稳定性。有效抑制振动，提升平台稳定性，拓展其应用领域。

本发明所采用的技术方案是：一种主被动一体化的全金属微振动控制装置，包括支撑杆、第一膜片弹簧、第二膜片弹簧、第三膜片弹簧、第一外壳、第二外壳、音圈电机定子、音圈电机动子、线圈支架、金属橡胶垫圈、金属弹簧、限位套筒；第一外壳为一体结构，包括内筒、外筒，外筒一端通过端盖连接内筒的端部，另一端与第二外壳连接，形成腔体；音圈电机定子包括内圈永磁体、外圈永磁体，外圈永磁体固定在第一外壳外筒内壁、内圈永磁体固定在第一外壳内筒外壁上；支撑杆穿入第一外壳内筒，一端伸出第一外壳，第一膜片弹簧安装在支撑杆伸出第一外壳的一端与第一外壳端盖之间，实现支撑杆和第一外壳端盖之间的轴向支撑与径向限位，金属橡胶垫圈填充于第一外壳内筒内壁和支撑杆之间，线圈支架通过支撑板固定安装在支撑杆另一端；音圈电机动子安装在线圈支架上，在音圈电机定子的内永磁体、外圈永磁体之间沿轴向左右平动；金属弹簧一端通过端盖固定安装在第二外壳与第一外壳接口处，另一端伸入限位套筒内与限位套筒端部配合；限位套筒通过金属橡胶垫圈支撑于第二外壳内，金属弹簧和限位套筒端部从第二外壳端部伸出，并通过金属弹簧端部的安装孔与外部设备连接，同时压紧限位套筒；第二膜片弹簧安装在线圈支架的支撑板与金属弹簧的端盖之间，实现线圈支架和金属弹簧端盖之间的轴向支撑与径向限位；第三膜片弹簧安装在线圈支架的一端与第一外壳端盖内壁之间，实现线圈支架和第一外壳端盖内壁之间的轴向支撑与径向限位。

所述金属橡胶垫圈包括第一金属橡胶垫圈、第二金属橡胶垫圈、第三金属橡胶垫圈，均为环形；第一金属橡胶垫圈位于第一外壳内筒端部，安装在支撑杆、第一外壳内筒之间，通过第一外壳内筒内的限位板进行限位；第二金属橡胶垫圈、第三金属橡胶垫圈安装在第二外壳和限位套筒之间，第二金属橡胶垫圈靠近限位套筒、位于第三金属橡胶垫圈内侧。

所述第二金属橡胶垫圈有两个，分别位于限位套筒外壁环形隔板结构两侧。

所述第三金属橡胶垫圈有两个，分别位于限位套筒外壁环形隔板结构两侧。

所述第二金属橡胶垫圈的刚度大于第三金属橡胶垫圈的刚度，第二金属橡胶垫圈的间隙大于第三金属橡胶垫圈的间隙。

所述线圈支架为圆筒形的一体结构，一端有支撑板；支撑杆穿过支撑板中心，线圈支架通过支撑板中心孔的螺纹与支撑杆固定连接，线圈支架沿支撑杆的轴线左右平动。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的振动控制装置常用于地面的多尘和空间的高真空、高能辐射、原子氧等多种恶劣环境，传统的橡胶等阻尼器在这些环境中将发生性能的退化，振动本身也将导致橡胶等阻尼器的疲劳，而本发明采用金属(如钢材、钛合金、铝合金等)能较好的适应这些环境，两端的金属橡胶能在一定程度上过滤环境中的粉尘，减小控制装置内部间隙卡死的风险，因此本发明采用金属橡胶、金属弹簧和音圈电机等全金属材料构成控制装置，其长期工作性能稳定。

(2)本发明采用主被动一体化结构。其中被动阻尼单元采用金属弹簧和金属橡胶并联的结构，能较好地隔离高频振动；而主动控制单元是在被动阻尼单元的基础上，通过两个膜片弹簧并联一个音圈电机的结构，它能较好地抑制共振峰及其以下的中低频振动。因此主被动结合能较好地实现对产品的宽频微振动抑制。在音圈电机停止工作时，该主被动一体化的微振动控制装置退化为二级被动阻尼器，仍可获得较好的高频微振动衰减效果。

(3)本发明利用金属橡胶的阻尼和刚度的强非线性进行大幅振动时的限位保护。在振动位移较大时，其刚度也很大，从而能大幅提高系统的刚度，提高系统的频率，对产品起到一定的限位保护作用；大幅振动时金属橡胶能够大量耗散振动能量，从而能迅速衰减振动幅值。因此本专利在控制装置内部多处都布置有参数不同的金属橡胶，起到很好的阻尼和限位保护作用。

(4)本发明采用膜片弹簧(或碟形弹簧)支撑。既能对音圈电机动子提供一定的轴向预紧力和适当的支撑刚度，又能起到径向限位作用。用其代替传统的滑动轴承可减少动静活动部件，减小动静间隙卡死的风险。它可提高控制装置对多尘等恶劣环境的适应性和运行可靠性。

附图说明

图1为本发明结构简图；

图2为本发明结构剖视图。

具体实施方式

被动隔振装置能有效隔离高频振动，主动振动控制装置能有效抑制共振峰及共振峰以下的中低频振动。因此本发明采用主被动结合的微振动隔离方式，提供了一种主被动一体化的全金属微振动控制装置。

如图1、图2所示，本发明是针对微振动的主被动一体化的微振动控制装置，包括支撑杆1、膜片弹簧、外壳、音圈电机定子永磁体4、音圈电机动子线圈5、线圈支架6、金属橡胶垫圈、金属弹簧8、限位套筒9。外壳包括第一外壳3-1、第二外壳3-2，第一外壳3-1为包括两层圆筒和环形端盖的一体结构，环形端盖连接同轴的两个圆筒一端，第二外壳3-2为一端开口、另一端为环形端盖的圆筒形壳体；第一外壳3-1外筒一端通过端盖连接内筒的端部，另一端与第二外壳3-2连接，形成腔体；音圈电机定子4包括内圈永磁体、外圈永磁体，外圈永磁体固定在第一外壳3-1外筒内壁、内圈永磁体固定在第一外壳3-1内筒外壁上；支撑杆1穿入第一外壳3-1内筒，一端伸出第一外壳3-1并通过金属橡胶垫圈支撑在第一外壳3-1内筒内，线圈支架6通过支撑板固定安装在支撑杆1另一端；音圈电机动子5安装在线圈支架6上，在音圈电机定子4的内圈永磁体、外圈永磁体之间沿轴向左右平动；金属弹簧8一端通过端盖固定安装在第二外壳3-2与第一外壳3-1接口处，另一端伸入限位套筒9内与限位套筒9端部配合；限位套筒9通过金属橡胶垫圈支撑于第二外壳3-2内，金属弹簧8和限位套筒9端部从第二外壳3-2端部伸出，并通过金属弹簧8的内螺纹与外部设备连接，同时压紧限位套筒9；膜片弹簧包括第一膜片弹簧2-1、第二膜片弹簧2-2、第三膜片弹簧2-3，第一膜片弹簧2-1安装在支撑杆1伸出第一外壳3-1的一端与第一外壳3-1端盖之间，实现支撑杆1和第一外壳3-1端盖之间的轴向支撑与径向限位；第二膜片弹簧2-2安装在线圈支架6的支撑板与金属弹簧8的端盖之间，实现线圈支架6和金属弹簧8端盖之间的轴向支撑与径向限位；第三膜片弹簧2-3安装在线圈支架6的一端与第一外壳3-1端盖内壁之间，实现线圈支架6和第一外壳3-1端盖内壁之间的轴向支撑与径向限位。

金属橡胶垫圈包括第一金属橡胶垫圈7-1、第二金属橡胶垫圈7-2、第三金属橡胶垫圈7-3，均为环形；第一金属橡胶垫圈7-1位于第一外壳3-1内筒端部，安装在支撑杆1、第一外壳3-1内筒之间，通过第一外壳3-1内筒内的限位板进行限位；第二金属橡胶垫圈7-2、第三金属橡胶垫圈7-3安装在第二外壳3-2和限位套筒9之间，第二金属橡胶垫圈7-2靠近限位套筒9、位于第三金属橡胶垫圈7-3内侧。

第二金属橡胶垫圈7-2有两个，分别位于限位套筒9外壁环形隔板结构两侧。第三金属橡胶垫圈7-3有两个，分别位于限位套筒9外壁环形隔板结构两侧。第二金属橡胶垫圈7-2的刚度大于第三金属橡胶垫圈7-3的刚度，第二金属橡胶垫圈7-2的间隙小于第三金属橡胶垫圈7-3的间隙。

线圈支架6为圆筒形的一体结构，一端有支撑板；支撑杆1穿过支撑板中心，线圈支架6通过支撑板中心孔的螺纹与支撑杆1固定连接，线圈支架6沿支撑杆1的轴线左右平动。

音圈电机动子(线圈)5缠绕于线圈支架6上，线圈支架6通过螺纹与支撑杆1固定在一起。金属弹簧8和外壳3通过螺纹固结在一起，再通过预压缩的膜片弹簧支撑在支撑杆1上，限位套筒9通过第二金属橡胶垫圈7-2和第三金属橡胶垫圈7-3支撑于外壳3右罩上，并通过与外部平台或产品压紧在金属弹簧8上。该装置的对外接口是左边的支撑杆1的外螺纹和右边金属弹簧8的内螺纹。

外部控制器通过控制音圈电机动子(线圈)5内电流的大小，音圈电机动子(线圈)5在音圈电机定子(永磁体)4的磁场的作用下，产生一定的安培力，即为该微振动控制装置的主动控制力，电流大小和方向决定了控制力的大小和方向。

金属橡胶垫圈包括第一金属橡胶垫圈7-1、第二金属橡胶垫圈7-2、第三金属橡胶垫圈7-3，第二金属橡胶垫圈7-2为高刚度小间隙金属橡胶垫圈；第三金属橡胶垫圈7-3为低刚度小过盈金属橡胶垫圈。每种金属橡胶垫圈都包括左右两个环形垫。其中第三金属橡胶垫圈7-3主要是为产品正常工作状态时提供阻尼，但是不会显著改变隔振器的刚度；而第二金属橡胶垫圈7-2则主要用于产品经受较大的外部振动或产品输出大力矩的过程中，利用该金属橡胶的高刚度大阻尼的强非线性，保护产品和限制产品的大角度的偏转，同时也能较好地保护弹簧免遭损坏。第一金属橡胶垫圈7-1是低刚度小间隙金属橡胶环形垫，主要起过滤环境粉尘保护装置的作用，因此金属橡胶垫圈使得该微振动控制装置能够较好地适应多种复杂环境。例如，在本实施例中，第一金属橡胶垫圈7-1的静刚度约为5×10⁴Nm；第二金属橡胶垫圈7-2的静刚度约为≥10⁵Nm，其损耗因子≥0.2；第三金属橡胶垫圈7-3的静刚度≤2×10⁴Nm，其损耗因子介于0.02～0.05之间。

膜片弹簧(或碟形弹簧)进行轴向支撑与预紧和径向限位的方式，能为被支撑对象提供一定的轴向预紧力和适当的支撑刚度，又能起到径向限位作用。可代替传统的滑动轴承，可减少动静活动部件，减小动静间隙卡死的风险。它可提高控制装置对多尘等恶劣环境的适应性和运行可靠性。

该微振动控制装置内的金属橡胶垫圈和金属弹簧8并联(第一级)；音圈电机定子4及其左右膜片弹簧并联(第二级)；第一级和第二级再串联。音圈电机激励作动力与否成为主被动一体化微振动控制装置和被动微振动控制器区分的关键。采用主被动两种方式提高了微振动控制装置的可靠性。

该微振动控制装置安装在振源和基座之间。被动微振动控制器的振动传递路径：振动通过金属橡胶垫圈和金属弹簧8传递至外壳3(第一级)，再通过预紧的膜片弹簧传递至金属支撑杆1(第二级)，此时音圈电机不工作。主被动一体化微振动控制装置的振动传递路径：是在被动阻尼器的振动传递路径的第二级处再并联一个音圈电机，此时，音圈电机通电工作，音圈电机作动力通过外壳3传递至金属橡胶和金属弹簧8，最终输出到主动振动控制对象上。在主动振动控制时，通过测量输入该装置的振动力、振动位移或振动加速度等信号及其输出的振动信号，并将这些测量信号传送至外部控制器，控制器将结合被控对象模型，利用振动控制律调节音圈电机线圈5中的电流，使之产生与振动输入反相的激励力，从而削弱输出到基座上的微振动，减小微振动影响，提高平台稳定性。

其中被动阻尼单元采用金属弹簧和金属橡胶并联的结构，能较好地隔离高频振动；而主动控制单元是在被动阻尼单元的基础上，通过两个膜片弹簧并联一个音圈电机的结构，它能较好地抑制共振峰及其以下的中低频振动。因此主被动结合能较好地实现对产品的宽频微振动抑制。在音圈电机停止工作时，该主被动一体化的微振动控制装置退化为二级被动阻尼器，仍可获得较好的高频微振动衰减效果。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。