一种基于主动控制的仿生变刚度隔振器

1.本发明属于隔振器技术领域，具体提供了一种基于主动控制的仿生变刚度隔振器。


背景技术：

2.在航空航天领域中，飞行器受到恶劣环境的影响，经常产生一些不必要的振动，这些振动不仅影响仪器的精密度，还可能造成飞行器结构的破坏从而引发灾难性后果，因此设计一种高效的隔振装置是十分必要的。如今，用于航空航天振动抑制的减振器种类繁多，大体可分为：被动减振器、主动减振器和主被动一体化减振器。被动隔振器结构简单、工作可靠、不需要额外的能量输入，但被动减振器对低频共振抑制困难且减振装置的参数不易调节。


技术实现要素：

3.鉴于上述问题，本发明提供了一种基于主动控制的仿生变刚度隔振器，包括底板、主动变刚度控制系统及仿生系统，其中，
4.底板，包括第一底板1与第二底板2，二者固定连接；
5.主动变刚度控制系统，包括负刚度调节机构、正刚度调节机构和驱动机构；
6.所述负刚度调节机构，包括屈曲梁端支座3、屈曲梁、压电驱动器底座5、水平转换底座6及水平转换装置；
7.屈曲梁端支座3，下端通过螺栓固定在第二底板2上，上端为台阶状设计，低处的台面上固定有第一固定块8；
8.屈曲梁，为一屈曲钢板，一端固定在第一固定块8上，另一端固定在压电驱动器底座5上端；
9.水平转换装置，包括一组相对平行设置的转换钢板10，两个转换钢板10的底端固定在水平转换底座6上，上端分别固定在压电驱动器底座5的两端，对所述压电驱动器底座5形成支撑；
10.正刚度调节机构，包括螺纹杆9、弹簧座11及螺旋弹簧组，
11.所述弹簧座11固定在第二底板2上，内部具有腔室，该腔室容置有螺旋弹簧组；
12.螺纹杆9，上端穿过屈曲梁，通过螺栓将屈曲梁在螺纹杆9进行位置固定；下端设置一挡块，挡块置于弹簧座11腔室内两个弹簧之间；
13.驱动机构，包括pid主动控制器、压电驱动器及压电驱动器支座14，所述压电驱动器设置在压电驱动器底座5上，一端与压电驱动器支座14连接，另一端与屈曲梁端部相抵，pid主动控制器与压电驱动器信号控制连接；
14.仿生系统，包括上滑动支座组、下滑动支座组、传动组件及载板16；
15.下滑动支座组，包括两个相对设置的下滑动支座17，均固定在第一固定板上，两个下滑动支座17上分布开设有一滑槽；
16.上滑动支座组，位于下滑动支座17的正上方，结构与下滑动支座组相同；
17.载板16，安装在上滑动支座组上；
18.传动组件，设置在上、下滑动支座组之间；螺纹杆9的上端固定在传动组件上，传动组件与螺纹杆9之间实现轴向运动与水平运动的转换。
19.进一步的，所述转换钢板10的厚度大于屈曲梁的厚度。
20.进一步的，还包括一预紧装置19，该预紧装置19为一螺杆，对穿压电驱动器支座14上部，且头部与压电驱动器端部螺纹配合固定；在预紧装置19上，压电驱动器支座14的两端分别设置一螺栓进行固定。
21.进一步的，在压电驱动器底座5上螺栓固定有第二固定块20，所述第一固定块8与第二固定块20呈水平设置，屈曲梁一端固定于第二固定块20上。
22.进一步的，还包括一导杆21，该导杆21底端通过轴承固定在第一固定上，上端对穿载板16，载板16可沿着导杆21上下滑动。
23.进一步的，所述传动组件，包括两个结构相同且相对设置的连接件，一个用于连接上、下滑动支座17的左端，另一个用于连接上、下滑动支座17的右端；
24.所述连接件，包括第一连杆24与第二连杆25，二者交叉设计呈x形，两个连接件中心交叉处对穿有一可转动的中心通杆26；
25.在两个上滑动支座18之间设置有固定通杆27与滑动通杆28，其中固定通杆27两端固定在滑动支座的内侧，滑动通杆28两端通过滑轮29置于滑槽内，并可沿着滑槽滑动；同理在两个下滑动支座17之间也设置有上述相同结构的固定通杆27与滑动通杆28；
26.两个连接件的第一连杆24的上端可转动的固定在其所在侧的上滑动支座18的固定通杆27上，下端可转动的固定在下滑动支座17的滑动通杆28上；第二连杆25的上端可转动的固定在其所在侧的上滑动支座18的滑动通杆28上，下端可转动的固定在下滑动支座17的固定通杆27上。
27.进一步的，所述的螺纹杆9的上端设置一紧固器，该紧固器固定在下滑动支座17的第二连通杆上。
28.进一步的，所述的弹簧座11包括弹簧套件一1101、弹簧套件二1102与弹簧套件三1103，
29.所述弹簧套件一1101，为圆柱桶状结构，上端面具有通孔，下端开口设计，外侧壁具有螺纹；
30.所述弹簧套件二1102，固定在弹簧套件三1103的上设置有圆通孔，该圆通孔的内壁上设置有螺纹，
31.所述弹簧套件三1103，为圆柱桶状结构，底端通过螺栓固定在第二底板2上，上端为开口状，内壁上设有外螺纹，所述的弹簧套件一1101的下部螺纹连接至于弹簧套件三1103的内壁上；弹簧套件二1102固定在弹簧套件三1103的开口处，且与弹簧套件一1101的外侧螺纹固定连接。
32.进一步的，还包括一屈曲梁，两个屈曲梁形成一组，上下平行设置，中间夹设一长方体连接块7，两个屈曲梁及连接块的中部均设置有通孔且被螺纹杆9对穿，同时在两个屈曲梁外侧通过螺栓固定；两个屈曲钢板的一端分别固定在第一固定块8的上下两端面，另一端固定在第二固定块20的上下端面。
33.本发明通过pid主动控制器实时控制压电驱动器，使隔振器的刚度可以自适应调节，将主动变刚度控制系统和被动控制系统有机地结合起来，充分发挥主动低频隔振效果好、自适应能力强、简单易实现和多模态隔振效果好等优点，从而实现多工况的振动隔离。
附图说明
34.图1为发明的结构示意图；
35.图2为主动变刚度控制系统的结构示意图；
36.图3为弹簧座的一种实施例结构示意图；
37.其中，1第一底板，2第二底板，3屈曲梁端支座，4屈曲梁，5压电驱动器底座，6水平转换底座，7长方体连接块，8第一固定块，9螺纹杆，10转换钢板，11弹簧座，1101弹簧套件一，1102弹簧套件二，1103弹簧套件三，12螺旋弹簧，13压电驱动器，14压电驱动器支座，15压电驱动器固定块，16载板，17下滑动支座，18上滑动支座，19预紧装置，20第二固定块，21导杆，22线性轴承，23重物，24第一连杆，25第二连杆，26中心通杆，27固定通杆，28滑动通杆，29滑轮。
具体实施方式
38.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
39.参考图1-2，一种基于主动控制的仿生变刚度隔振器，包括底板、主动变刚度控制系统及仿生系统，其中，
40.底板，包括第一底板1与第二底板2，二者固定连接；
41.主动变刚度控制系统，包括负刚度调节机构、正刚度调节机构和驱动机构；
42.所述负刚度调节机构，包括屈曲梁端支座3、屈曲梁、压电驱动器底座5、水平转换底座6及水平转换装置；
43.屈曲梁端支座3，下端通过螺栓固定在第二底板2上，上端为台阶状设计，低处的台面上固定有第一固定块8；
44.屈曲梁4，为一屈曲钢板，一端固定在第一固定块8上，另一端固定在压电驱动器底座5上端，屈曲梁通过屈曲变形为系统提供负刚度，其四角处各设一个通孔便于将其固定在第一固定块8上，另外在屈曲梁中心处留有一个通孔以便穿过螺纹杆9。
45.水平转换装置，包括一组相对平行设置的转换钢板10，两个转换钢板10的底端固定在水平转换底座6上，上端分别固定在压电驱动器底座5的两端，对所述压电驱动器底座5形成支撑；所述转换钢板10的厚度大于屈曲梁的厚度。水平转换装置的作用是：在预紧状态下，当压电驱动器输出位移时，因为转换钢板10的厚度大于屈曲梁端钢板的厚度，所以会通过转换钢板10的变形最终传导力跟位移至屈曲梁上，屈曲梁侧刚度发生变化。
46.正刚度调节机构，包括螺纹杆9、弹簧座11及螺旋弹簧组，所述的正刚度机构是通过两个螺旋弹簧12为系统提供正刚度，螺旋弹簧12接触螺纹杆9使得螺纹杆9在竖直方向具有正刚度。
47.所述弹簧座11固定在第二底板2上，内部具有腔室，该腔室容置有螺旋弹簧组；
48.螺纹杆9，上端穿过屈曲梁4，通过螺栓将屈曲梁在螺纹杆9进行位置固定；下端设置一挡块，挡块置于弹簧座11腔室内两个弹簧之间；螺纹杆9其下端接触螺旋弹簧12，在竖直方向传递螺旋弹簧12提供的正刚度，中端穿过屈曲梁中间预留的通孔，在竖直方向上传递屈曲梁产生的负刚度。
49.所述的负刚度调节机构是通过改变屈曲梁的屈曲变形，进而改变系统的负刚度，并通过螺纹杆9的传递使得螺纹杆9在竖直方向具有负刚度。
50.驱动机构，包括pid主动控制器、压电驱动器13及压电驱动器支座14，所述压电驱动器设置在压电驱动器底座5上，一端与压电驱动器支座14预紧连接，另一端与屈曲梁端部相抵，具体可以在压电驱动器底座5上靠近屈曲梁侧设置一压电驱动器固定块15进行支撑固定，该压电驱动器固定块15使得压电驱动器整体水平设置且与屈曲梁端保持水平，通过压电驱动器输出位移，均匀的传力给屈曲梁端。pid主动控制器与压电驱动器信号控制连接，利用pid主动控制器来调节压电驱动器的输出位移，压电驱动器接收pid主动控制器的命令输出位移及力作用在屈曲梁上。
51.仿生系统，包括上滑动支座组、下滑动支座组、传动组件及载板16；
52.下滑动支座组，包括两个相对设置的下滑动支座17，均固定在第一固定板上，两个下滑动支座17上分布开设有一滑槽；
53.上滑动支座组，位于下滑动支座组的正上方，包括两个上滑动支座18，结构与下滑动支座组相同；
54.载板16，安装在上滑动支座组上；
55.传动组件，设置在上、下滑动支座组之间；螺纹杆9的上端固定在传动组件上，传动组件与螺纹杆9之间实现上下轴向运动与水平运动的传递。
56.作为方案的改进，还包括一预紧装置19，该预紧装置19为一螺杆，对穿压电驱动器支座14上部的通孔，且头部与压电驱动器端部螺纹配合固定，对整个系统的初始状态进行预紧设定。在预紧装置19上，压电驱动器支座14的两端分别设置一螺栓进行固定。预紧装置19为压电驱动器提供预紧力，使其端部紧贴屈曲梁的端部。
57.作为方案的改进，在压电驱动器底座5上螺栓固定有第二固定块20，所述第一固定块8与第二固定块20呈水平设置，屈曲梁一端固定于第二固定块20上。
58.作为方案的改进，还包括一导杆21与两个线性轴承22，两个线性轴承22分别固定于载板16和第一固定板上，中间穿过光滑导杆21，减小光滑导杆21的摩擦力，并保障光滑导杆21垂直稳定。载板16上承载重物23，振动过程中沿光滑导杆21轴向运动，带动x型连接件连杆的转动。
59.作为方案的改进，所述传动组件，包括两个结构相同且相对设置的连接件，一个用于连接上滑动支座18与下滑动支座17的左端，另一个用于连接上滑动支座18与下滑动支座17的右端；
60.所述连接件，包括第一连杆24与第二连杆25，二者交叉设计呈x形，两个连接件中心交叉处对穿有一可转动的中心通杆26，所述中心通杆26与连接件连接处设置一轴承a，用于减小转动摩擦，保证系统的平稳运行。
61.在两个上滑动支座18之间设置有固定通杆27与滑动通杆28，其中固定通杆27两端固定在滑动支座的内侧，滑动通杆28两端通过滑轮29置于滑槽内，并可沿着滑槽滑动；同理
在两个下滑动支座17之间也设置有上述相同结构的固定通杆27与滑动通杆28；
62.两个连接件的第一连杆24的上端可转动的固定在其所在侧的上滑动支座18的固定通杆27上，下端可转动的固定在下滑动支座17的滑动通杆28上；第二连杆25的上端可转动的固定在其所在侧的上滑动支座18的滑动通杆28上，下端可转动的固定在下滑动支座17的固定通杆27上。两个连接件用来将质量载板16的上下运动通过滑动通杆28转变为螺纹杆9的伸缩运动。
63.作为方案的改进，所述的螺纹杆9的上端设置一紧固器，该紧固器固定在下滑动支座17的滑动通杆28上。
64.作为方案的改进，参考图3，所述的弹簧座11包括弹簧套件一1101、弹簧套件二1102与弹簧套件三1103，
65.所述弹簧套件一1101，为圆柱桶状结构，上端面具有通孔，下端开口设计，外侧壁具有螺纹；
66.所述弹簧套件二1102，固定在弹簧套件三1103的上设置有圆通孔，该圆通孔的内壁上设置有螺纹，
67.所述弹簧套件三1103，为圆柱桶状结构，底端通过螺栓固定在第二底板2上，上端为开口状，内壁上设有外螺纹，所述的弹簧套件一1101的下部螺纹连接至于弹簧套件三1103的内壁上；弹簧套件二1102固定在弹簧套件三1103的开口处，且与弹簧套件一1101的外侧螺纹固定连接。
68.作为方案的改进，还包括一屈曲梁，两个屈曲梁形成一组，上下平行设置，中间夹设一长方体连接块7，两个屈曲梁及连接块的中部均设置有通孔且被螺纹杆9对穿，同时在两个屈曲梁外侧通过螺栓固定；两个屈曲钢板的一端分别固定在第一固定块8的上下两端面，另一端固定在第二固定块20的上下端面，这里压电驱动器的右端与第二固定块20的左侧面相抵。两个屈曲梁的外侧分别放置一个螺母将长方体固定，保证屈曲梁按照规定动作进行屈曲变形。根据承载的重物23重量可以选择采用一个屈曲梁或者一组屈曲梁结构，因为单个屈曲梁结构，若重物23较重则在重力作用下会使得屈曲梁振幅较大，容易造成屈曲梁断裂无法实现改变刚度及减震的作用；一组屈曲梁结构设计则针对重物23质量大的情况下，结构更加稳定，具体采用的结构方式根据实际承载重物23情况选择。
69.载板16上承载有重物23，重物23在承受有害振动时，仿生系统的质量载板16随着x型连接件的两个连杆的转动而沿着光滑导杆21轴向运动，并将振动传递至主动变刚度控制系统的螺纹杆9。主动变刚度控制系统首先将预紧装置19上的两个螺母预紧使得屈曲梁刚度达到预期状态，接着将压电驱动器尾端的导线连接到pid主动控制器上，根据振动环境的变化和实际需求，压电驱动器改变作用在屈曲梁上的位移实时调节系统的负刚度，进而调节系统的整体刚度，以达到隔振效果。
70.以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于主动控制的仿生变刚度隔振器，其特征在于：包括底板、主动变刚度控制系统及仿生系统，其中，底板，包括第一底板(1)与第二底板(2)，二者固定连接；主动变刚度控制系统，包括负刚度调节机构、正刚度调节机构和驱动机构；所述负刚度调节机构，包括屈曲梁端支座(3)、屈曲梁(4)、压电驱动器底座(5)、水平转换底座(6)及水平转换装置；屈曲梁端支座(3)，下端通过螺栓固定在第二底板(2)上，上端为台阶状设计，低处的台面上固定有第一固定块(8)；屈曲梁(4)，为一屈曲钢板，一端固定在第一固定块(8)上，另一端固定在压电驱动器底座(5)上端；水平转换装置，包括一组相对平行设置的转换钢板(10)，两个转换钢板(10)的底端固定在水平转换底座(6)上，上端分别固定在压电驱动器底座(5)的两端，对所述压电驱动器底座(5)形成支撑；正刚度调节机构，包括螺纹杆(9)、弹簧座(11)及螺旋弹簧组，所述弹簧座(11)固定在第二底板(2)上，内部具有腔室，该腔室容置有螺旋弹簧组，两个螺旋弹簧呈轴向设置；螺纹杆(9)，上端穿过屈曲梁，通过螺栓将屈曲梁在螺纹杆(9)进行位置固定；下端设置一挡块，挡块置于弹簧座(11)腔室内两个弹簧之间；驱动机构，包括pid主动控制器、压电驱动器(13)及压电驱动器支座(14)，所述压电驱动器设置在压电驱动器底座(5)上，一端与压电驱动器支座(14)连接，另一端与屈曲梁端部相抵，pid主动控制器与压电驱动器信号控制连接；仿生系统，包括上滑动支座组、下滑动支座组、传动组件及载板(16)；下滑动支座组，包括两个相对设置的下滑动支座(17)，均固定在第一固定板上，两个下滑动支座(17)上分布开设有一滑槽；上滑动支座组，位于下滑动支座(17)的正上方，结构与下滑动支座组相同；载板(16)，安装在上滑动支座组上；传动组件，设置在上、下滑动支座组之间；螺纹杆(9)的上端固定在传动组件上，传动组件与螺纹杆(9)之间实现轴向运动与水平运动的转换。2.如权利要求1所述的一种基于主动控制的仿生变刚度隔振器，其特征在于：所述转换钢板(10)的厚度大于屈曲梁的厚度。3.如权利要求1所述的一种基于主动控制的仿生变刚度隔振器，其特征在于：还包括一预紧装置(19)，该预紧装置(19)为一螺杆，对穿压电驱动器支座(14)上部，且头部与压电驱动器端部螺纹配合固定；在预紧装置(19)上，压电驱动器支座(14)的两端分别设置一螺栓进行固定。4.如权利要求1所述的一种基于主动控制的仿生变刚度隔振器，其特征在于：在压电驱动器底座(5)上螺栓固定有第二固定块(20)，所述第一固定块(8)与第二固定块(20)呈水平设置，屈曲梁一端固定于第二固定块(20)上。5.如权利要求1所述的一种基于主动控制的仿生变刚度隔振器，其特征在于：还包括一导杆(21)，该导杆(21)底端通过轴承固定在第一固定上，上端对穿载板(16)，载板(16)可沿
着导杆(21)上下滑动。6.如权利要求1所述的一种基于主动控制的仿生变刚度隔振器，其特征在于：所述传动组件，包括两个结构相同且相对设置的连接件，一个用于连接上、下滑动支座(17)的左端，另一个用于连接上、下滑动支座(17)的右端；所述连接件，包括第一连杆(24)与第二连杆(25)，二者交叉设计呈x形，两个连接件中心交叉处对穿有一可转动的中心通杆(26)；在两个上滑动支座(18)之间设置有固定通杆(27)与滑动通杆(28)，其中固定通杆(27)两端固定在滑动支座的内侧，滑动通杆(28)两端通过滑轮(29)置于滑槽内，并可沿着滑槽滑动；同理在两个下滑动支座(17)之间也设置有上述相同结构的固定通杆(27)与滑动通杆(28)；两个连接件的第一连杆(24)的上端可转动的固定在其所在侧的上滑动支座(18)的固定通杆(27)上，下端可转动的固定在下滑动支座(17)的滑动通杆(28)上；第二连杆(25)的上端可转动的固定在其所在侧的上滑动支座(18)的滑动通杆(28)上，下端可转动的固定在下滑动支座(17)的固定通杆(27)上。7.如权利要求1所述的一种基于主动控制的仿生变刚度隔振器，其特征在于：所述的螺纹杆(9)的上端设置一紧固器，该紧固器固定在下滑动支座(17)的第二连通杆上。8.如权利要求1所述的一种基于主动控制的仿生变刚度隔振器，其特征在于：所述的弹簧座(11)包括弹簧套件一(1101)、弹簧套件二(1102)与弹簧套件三(1103)，所述弹簧套件一(1101)，为圆柱桶状结构，上端面具有通孔，下端开口设计，外侧壁具有螺纹；所述弹簧套件二(1102)，固定在弹簧套件三(1103)的上设置有圆通孔，该圆通孔的内壁上设置有螺纹，所述弹簧套件三(1103)，为圆柱桶状结构，底端通过螺栓固定在第二底板(2)上，上端为开口状，内壁上设有外螺纹，所述的弹簧套件一(1101)的下部螺纹连接至于弹簧套件三(1103)的内壁上；弹簧套件二(1102)固定在弹簧套件三(1103)的开口处，且与弹簧套件一(1101)的外侧螺纹固定连接。9.如权利要求4所述的一种基于主动控制的仿生变刚度隔振器，其特征在于：还包括一屈曲梁，两个屈曲梁形成一组，上下平行设置，中间夹设一长方体连接块(7)，两个屈曲梁及连接块的中部均设置有通孔且被螺纹杆(9)对穿，同时在两个屈曲梁外侧通过螺栓固定；两个屈曲钢板的一端分别固定在第一固定块(8)的上下两端面，另一端固定在第二固定块(20)的上下端面。

技术总结
本发明属于隔振器技术领域，具体提供了一种基于主动控制的仿生变刚度隔振器，包括底板、主动变刚度控制系统及仿生系统，其中主动变刚度控制系统，包括负刚度调节机构、正刚度调节机构和驱动机构，所述驱动机构包括PID主动控制器与压电驱动器。本发明通过PID主动控制器实时控制压电驱动器，使隔振器的刚度可以自适应调节，将主动变刚度控制系统和被动控制系统有机地结合起来，充分发挥主动低频隔振效果好、自适应能力强、简单易实现和多模态隔振效果好等优点，从而实现多工况的振动隔离。从而实现多工况的振动隔离。从而实现多工况的振动隔离。


技术研发人员：许珂凡 张业伟 柴泽宇 宋旭园 臧健 安耀慧
受保护的技术使用者：沈阳航空航天大学
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/8/24