要的恢复力与弹性元件 所提供的力之间的关系为非线性关系，因此该衬垫具有较好的承载能力和多方向振动隔离 效果，可以较好的应用在高精机床、加工领域等方面。
[0025] 在本实施例中，底板2,参见图1，在激励的作用下作为底座放置在底面上，通过螺 钉等现有技术中的一切的固定连接方法与底面固定，并保证其位置不会移动。其上方顺序 放置有弹性隔振结构3和顶板1，并能够在顶板2受力发生位移时，对弹性隔振结构3和顶 板1起到支撑作用。
[0026] 顶板1，参见图1，用于直接与机床接触，具有一定的硬度，为了防止结构倾覆，顶 板1的尺寸不能大于底板2,但顶板1的重量应大于弹性隔振结构3的重量。
[0027] 弹性隔振结构3,参见图2,包括固定安装在顶板1上的隔振平台35,固定安装在底 板2上的基座36,隔振平台35与基座36通过安装在基座36上的竖直弹簧33和安装在叉 形结构支座39上的左叉形结构31及右叉形结构32连接。
[0028] 弹性隔振结构3,参见图2,固定在基座36上的竖直导杆34确定了竖直弹簧33的 运动方向，使得隔振平台35不会倾覆。
[0029] 在本实施例中，左、右叉形结构31，32包括相互交叉铰接的连杆组成连杆排架（也 可以根据需要对叉形结构的层数进行增加或减少）。每组左、右叉形结构31，32包括自左 而右顺序连接的连杆，左、右叉形结构31，32的一端与固定在基座36上的叉形结构支座39 相连，另一端与固定在隔振平台35上的叉形结构支座39相连。左、右叉形结构31，32包括 能够相对转动的第一连杆321、和第二连杆322与第三连杆323和第四连杆324,第一连杆 321和第二连杆322的长度是第三连杆323和第四连杆324的一半；第一连杆321和第二 连杆322在顶端通过转动轴承37和导杆38形成铰接位；第一连杆321的端部与第四连杆 324的顶部铰接，并通过导杆38固定，而第二连杆322的端部与第三连杆323铰接，第三连 杆323与第四连杆324的中点形成铰接位铰接；在第三连杆323和第四连杆324的另一端 处，第三连杆323的端部与第二连杆322的顶部铰接，第四连杆324的端部与第一连杆321 的顶部形成铰接位铰接，第一连杆321与第二连杆322在端部的形成铰接位与叉形结构支 座39铰接。导杆38,选用的导杆38的直径与转动轴承37的内径d相等，每根导杆38的 长度必须大于第一连杆321和第二连杆322的厚度总和（或第三连杆323和第四连杆324 的厚度总和）及铰接后的前后空隙的总和。选用的导杆38质量分布均匀。其中，第一连杆 321和第三连杆323为宽边连杆，第二连杆322和第四连杆324为窄边连杆（即其宽度较第 一连杆321和第三连杆323要小）。对于左、右叉形结构31、32,第一连杆321的左端部和 右端部需要开设有直径为该转动轴承37外径D的开孔；对于第二连杆322的左端部和右端 部开孔的直径为转动轴承37的内径d(或导杆38的直径）；对于第三连杆323的左端部、 右端部和中部开孔的直径为转动轴承37的外径D ;对于第四连杆324的左端部、右端部和 中部开孔的直径为转动轴承37的内径d(或导杆38的直径）。转动轴承37通过粘合剂或 紧配方式固定在第一连杆321的左端部和右端部（即内径较大的开孔）以及第三连杆323 的左端部、右端部和中部（即内径较大的开孔），将两个导杆38分别固定在与第一连杆321 连接的轴承中和第二连杆322的左端部和右端部开孔中，用粘合剂或紧配方式固定导杆38 和第二连杆322,从而使得第一连杆321和第二连杆322可以互相转动。
[0030] 预拉弹簧4通过挂钩或粘合剂，其数量为左叉形结构31配备一条，右叉形结构32 在对称位置上配备一条，预拉弹簧4固定安装在左、右叉形结构31，32中于连接在外侧的第 一连杆321的上方端点的导杆38和连接在外侧的第二连杆322的下方端点的导杆38之间， 且预拉弹簧4与基座36垂直设置。
[0031] 通过以上的机床多自由度低频隔振平台中弹性隔振结构3的设计和装配，在多种 形式的激励下，平台能够在具有较好的承载能力时实现多自由度低频隔振，从而针对不同 的重力环境和振动激励，都可以实现高精机床装备所需要的良好的稳定性和隔振效果。左、 右叉形结构31，32的结构参数影响了弹性隔振结构3的刚度和阻尼特性，隔振平台35的稳 定性和隔振效果依赖于每组左、右叉形结构31，32中连杆的装配角度，连杆长度和层数等 可调节参数，又由于针对多个方向的激励弹性隔振结构都可以将顶板的位移转化成竖直方 向和水平方向的位移，并通过竖直弹簧和叉形结构中弹性元件的变形耗散能量，所以在顶 板1发生位移时，弹性元件的变形和顶板1的位移的关系为非线性映射关系，所以可以达到 通过改变结构参数来调节平台的非线性刚度和阻尼特性，从而达到高静低动的隔振效果。
[0032] 通过利用能量法对弹性隔振结构进行数学模型的建立，可以得到弹性隔振结构的 动力学方程为
[0036] 其中和为基座和隔振平台在竖直方向和水平方向的相对位移；和为分配在基座上 的竖直方向和水平方向的激励信号；Μ为隔振平台、三分之一顶板和隔振机床的质量总和； kl为竖直弹簧的刚度k2为预拉弹簧的刚度；η为叉形结构31、32的层数；1为第一连杆和 第二连杆的长度；1还为第三连杆和第四连杆的一半的长度；Θ为第一连杆、第二连杆与竖 直方向的夹角；1 1为预拉弹簧的原长；为预拉弹簧的预拉长度；为转动轴承的阻尼系数； 为竖直弹簧的阻尼系数。
[0037] 本发明的机床多自由度低频衬垫，基于叉形结构在预拉弹簧的作用下处于预压状 态，因此当隔振平台产生竖直位移时，叉形结构产生与竖直弹簧相反方向的弹性力，因此能 够减小竖直方向的等效刚度从而扩大有效隔振频带；当隔振平台产生水平位移时，叉形结 构通过连杆的作用将水平位移转化成预拉弹簧的变形，因此水平方向的等效刚度依赖于叉 形结构的结构参数。根据动力学方程，叉形结构的参数设计依据为：1)、当预拉弹簧的预 拉长度增加时，弹性隔振结构的竖直方向和水平方向固有频率都减小，隔振效果可以改进； 2)、当叉形结构的层数增加时，结构的竖直方向和水平方向固有频率都减小，隔振效果可以 改进；3)、当叉形结构中的连杆与竖直方向所成的角度减小，隔振效果可以改进。另一方面 来说，由于叉形结构所产生的刚度特性为非线性刚度，弹性隔振结构的稳定性优于一般的 直接利用弹性元件组成的线性被动隔振装置。并且底板所受的转动方向的振动被分配到每 个弹性隔振结构上，所以利用弹性隔振结构3作为隔振器，使得多自由度隔振平台在多个 方向上的隔振效果得到改进，也使得平台具有一定的承载能力，从而使得隔振衬垫充分利 用了弹性隔振结构自身的优势，实现了多方向低频率的隔振理念。
[0038] 根据以上的分析，可以看出提出的多自由度低频隔振衬垫一种新颖的结构，在只 利用线性弹簧和阻尼装置的情况下，通过构件的几何拓扑组合可以实现等效的多方向可调 节的刚度和阻尼特性，并且，由于叉形结构中的杆件的角度和结构层数都可以很方便的调 节，所以弹性隔振结构的等效刚度和阻尼特性是可以方便的调节的。故利用弹性隔振结构 的多自由度低频隔振衬垫可以实现具有可调节特性的多方向振动隔离效果，并能够在不同 的重力下达到较好的稳定平衡，所以其可以广泛地应用在高精机床的隔振领域。
【主权项】
1. 一种多自由度低频隔振衬垫，包括顶板（1)、底板（2)以及设置在所述的顶板（1)和 底板（2)之间的弹性隔振结构（3)，其特征在于：所述弹性隔振结构（3)包括基座（36)、隔 振平台（35)、竖直弹簧（33)、叉形结构，所述隔振平台（35)与基座（36)下部之间通过竖直 弹簧（33)连接，所述隔振平台（35)与基座（36)两侧之间通过叉形结构支座（39)连接对 称布置的两个叉形结构；所述叉形结构包括长、短连杆、轴承、导杆，两根长连杆中点活动铰 接，长连杆两端分别活动铰接短连杆，两根短连杆之间通过导杆（38)和轴承活动铰接组成 交叉伸缩机构，其中，靠近基座（36)内侧的两根短连杆与两根长连杆的活动铰接处之间连 接有预拉弹簧（4)，导杆（38)与叉形结构支座（39)中的轴承连接。2. 根据权利要求1所述的多自由度低频隔振衬垫，其特征在于：所述隔振平台（35)与 顶板（1)固定连接；所述基座（36)与底板（2)固定连接。3. 根据权利要求1所述的多自由度低频隔振衬垫，其特征在于：所述短连杆长度为长 连杆长度的一半。4. 根据权利要求1所述的多自由度低频隔振衬垫，其特征在于：所述竖直弹簧（33)的 顶端与隔振平台（35)接触连接、底端与基座（36)接触连接，且竖直弹簧（33)套接在固定 于基座（36)上的竖直导杆（34)上。5. 根据权利要求1所述的多自由度低频隔振衬垫，其特征在于：所述顶板（1)的重量 大于弹性隔振结构（3)的重量。
【专利摘要】本发明一种多自由度低频隔振衬垫，包括顶板、底板以及设置在所述的顶板和底板之间的弹性隔振结构，弹性隔振结构包括基座、隔振平台、竖直弹簧、叉形结构，隔振平台与基座下部之间通过竖直弹簧连接，隔振平台与基座两侧之间通过叉形结构支座连接对称布置的两个叉形结构；叉形结构包括长、短连杆、轴承、导杆，两根长连杆中点活动铰接，长连杆两端分别活动铰接短连杆，两根短连杆之间通过导杆和轴承活动铰接组成交叉伸缩机构，靠近基座内侧的两根短连杆与两根长连杆的活动铰接处之间连接有预拉弹簧，导杆与叉形结构支座中的轴承连接。与现有技术相比，本发明能够实现三点支撑和多自由度振动隔离特性，能够为精密加工提供高效良好的加工环境。
【IPC分类】F16F15/04
【公开号】CN105257778
【申请号】CN201510817677
【发明人】孙秀婷, 徐鉴, 付江松
【申请人】上海理工大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年11月23日