專利名稱：無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電精密儀器檢測領(lǐng)域，特別涉及無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
安裝在飛機(jī)、車輛、船舶等運(yùn)動(dòng)載體上的光電精密測量設(shè)備為確保正常工作和測量精度，對(duì)振動(dòng)環(huán)境的要求非常高。一方面，載體傳遞到設(shè)備的振動(dòng)要 控制在允許范圍內(nèi)；另ー方面，必須避免載體振動(dòng)引起的設(shè)備角姿態(tài)變化，使設(shè)備的光軸始終穩(wěn)定在被測量目標(biāo)上，從而保證設(shè)備測量精度。目前，光電精密測量設(shè)備的減振主要采用被動(dòng)減振方法，即使用彈簧、阻尼被動(dòng)減振器隔離載體傳遞到設(shè)備的振動(dòng)。被動(dòng)減振對(duì)高頻振動(dòng)具有較好的隔離效果，但對(duì)低于系統(tǒng)固有頻率的低頻振動(dòng)無減振效果，甚至產(chǎn)生放大振動(dòng)的負(fù)效果。主動(dòng)減振方法引入反饋或自適應(yīng)前饋控制，通過提取設(shè)備的振動(dòng)信息，并按照設(shè)計(jì)的主動(dòng)減振算法計(jì)算出控制量，經(jīng)功率放大等環(huán)節(jié)后驅(qū)動(dòng)主動(dòng)減振器，在設(shè)備上產(chǎn)生ー個(gè)與振動(dòng)カ幅值、頻率相同、相位相反的作用力，從而抵消設(shè)備的振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)減振的目的。與被動(dòng)減振相比，主動(dòng)減振可以有效減小載體傳遞到設(shè)備的低頻振動(dòng)，提高振動(dòng)隔離度。目前，光電精密測量設(shè)備多通過四個(gè)被動(dòng)減振器與載體連接，由于每個(gè)減振器的參數(shù)存在差異，載體振動(dòng)カ在減振器安裝位置的分布也不相同，造成各位置處載體和設(shè)備間相對(duì)距離不相同，使設(shè)備產(chǎn)生了相對(duì)角位移，影響了設(shè)備的測量精度。有學(xué)者和工程技術(shù)人員嘗試通過限制減振器其它方向的運(yùn)動(dòng)自由度，僅保留z向平移自由度的方式解決角位移問題，但在載體振動(dòng)大、分布不均的情況下，減振器作用桿會(huì)受到很大的扭曲力，出現(xiàn)變形、彎曲等情況，存在設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)?；谄矫孢B桿機(jī)構(gòu)原理的平行四邊形機(jī)構(gòu)無角位移減振器，以及中國發(fā)明專利1640704A公開的搖桿滑塊機(jī)構(gòu)無角位移減振器，能夠避免復(fù)雜振動(dòng)環(huán)境下光電精密測量設(shè)備產(chǎn)生相對(duì)角位移，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大，使用和維護(hù)不易。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)及其方法，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，同時(shí)具備設(shè)備減振和避免角位移的功能，使設(shè)備光軸始終穩(wěn)定在被測量目標(biāo)上，保證了測量精度。本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括主被動(dòng)減振器、加速度傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)處理単元、控制單元、功率放大單元和載體；主被動(dòng)減振器產(chǎn)生主動(dòng)減振力，在被動(dòng)減振的基礎(chǔ)上進(jìn)一歩降低載體傳遞到被減振設(shè)備的振動(dòng)；加速度傳感器測量被減振設(shè)備的加速度；位移傳感器測量載體和被減振設(shè)備間的相對(duì)距離；數(shù)據(jù)處理単元接收加速度傳感器和位移傳感器的發(fā)出的加速度信號(hào)和位移信號(hào)后，傳遞給控制單元，控制單元輸出信號(hào)經(jīng)功率放大單元驅(qū)動(dòng)主被動(dòng)減振器，帶動(dòng)被減振設(shè)備移動(dòng)到設(shè)定位置；主被動(dòng)減振器和位移傳感器放置在載體上，被減振設(shè)備放置在主被動(dòng)減振器上端，加速度傳感器放置在被減振設(shè)備上方；加速度傳感器和位移傳感器分別與數(shù)據(jù)處理單元連接，數(shù)據(jù)處理単元與控制單元連接，控制單元與功率放大單元連接，功率放大單元與主被動(dòng)減振器連接。無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)的減振方法，減振方法包括如下步驟步驟ー設(shè)定被減振設(shè)備的期望振動(dòng)加速度為0，實(shí)際加速度由加速度傳感器測量；設(shè)定載體和被減振設(shè)備的期望相對(duì)距離為固定值，實(shí)際距離由位移傳感器測量；步驟ニ 實(shí)際加速度和期望振動(dòng)加速度之差，經(jīng)由數(shù)據(jù)處理単元處理后，傳輸?shù)娇刂茀g元；期望相對(duì)距離和實(shí)際距離之差經(jīng)由數(shù)據(jù)處理単元處理后，傳輸?shù)娇刂茊卧?
步驟三控制單元利用兩路輸入信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)并輸出，經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)主被動(dòng)減振器，主被動(dòng)減振器在被減振設(shè)備上產(chǎn)生主動(dòng)減振力，抵消或減小載體傳遞到被減振設(shè)備上的振動(dòng)力，并帶動(dòng)被減振設(shè)備移動(dòng)到設(shè)定位置。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明通過主動(dòng)減振和被動(dòng)減振相結(jié)合的方式降低載體傳遞到光電精密測量設(shè)備的振動(dòng)，通過位移控制使設(shè)備的安裝點(diǎn)與載體間的相對(duì)距離相同，消除設(shè)備的相對(duì)角位移。并且結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，使用簡易。


圖I本發(fā)明無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。圖2本發(fā)明無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)的三維空間布置圖。圖3本發(fā)明無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)主被動(dòng)減振器的主視剖視圖。圖4本發(fā)明無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)的工作示意圖。圖5本發(fā)明無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)的主被動(dòng)復(fù)合減振系統(tǒng)與被動(dòng)減振系統(tǒng)的振動(dòng)カ傳遞率曲線對(duì)比。圖6本發(fā)明無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)的光電精密測量設(shè)備在四個(gè)安裝位置的振動(dòng)加速度曲線。圖7本發(fā)明無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)的載體和光電精密測量設(shè)備在四個(gè)安裝位置處的相對(duì)距離曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)ー步詳細(xì)說明。無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)，如圖I所示，該系統(tǒng)包括主被動(dòng)減振器10、カロ速度傳感器12、位移傳感器13、數(shù)據(jù)處理単元14、控制單元15、功率放大單元16和載體17 ；所述主被動(dòng)減振器10產(chǎn)生主動(dòng)減振力，在被動(dòng)減振的基礎(chǔ)上進(jìn)一歩降低載體17傳遞到被減振設(shè)備11的振動(dòng)；加速度傳感器12測量被減振設(shè)備11的加速度；位移傳感器13測量載體17和被減振設(shè)備11間的相對(duì)距離；數(shù)據(jù)處理単元14接收加速度傳感器12和位移傳感器13的發(fā)出的加速度信號(hào)和位移信號(hào)后，傳遞給控制單元15，控制單元15輸出信號(hào)經(jīng)功率放大單元16驅(qū)動(dòng)主被動(dòng)減振器10，帶動(dòng)被減振設(shè)備11移動(dòng)到設(shè)定位置；所述主被動(dòng)減振器10和位移傳感器13放置在載體17上，被減振設(shè)備11放置在主被動(dòng)減振器10上端，カロ速度傳感器12放置在被減振設(shè)備11上方；所述加速度傳感器12和位移傳感器13分別與數(shù)據(jù)處理單元14連接,數(shù)據(jù)處理單元14與控制單元15連接,控制單元15與功率放大單元16連接，功率放大單元16與主被動(dòng)減振器10連接。無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)的三維空間布置圖參見圖2，在本實(shí)施例中，質(zhì)量為40kg的光學(xué)精密測量設(shè)備通過四只主被動(dòng)減振器10安裝在載體17上，四只主被動(dòng)減振器10的分別承擔(dān)IOkg重量；剛度分別為80N/mm、85N/mm、90N/mm和95N/mm,阻尼比均為O. 1，對(duì)應(yīng)的主被動(dòng)減振器10固有頻率分別為14. 2Hz、14. 7Hz、15. IHz和15. 5Hz ;四只加速度傳感器12分別與四只主被動(dòng)減振器10對(duì)位安裝在設(shè)備11上，測量設(shè)備11在四個(gè)主被動(dòng)減振器10安裝點(diǎn)的振動(dòng)加速度；四只非接觸處式位移傳感器13安裝在載體17和設(shè)備11之間，分別測量四個(gè)主被動(dòng)減振器10安裝處它們間的相對(duì)距離。減振器采用主被動(dòng)復(fù)合式的緊湊型設(shè)計(jì)，將被動(dòng)減振單元和主動(dòng)減振單元集成在一起，同時(shí)具備了設(shè)備支撐、被動(dòng)減振和主動(dòng)作用力輸出功能，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。被動(dòng)減 振単元由碟簧6和橡膠阻尼塊2構(gòu)成，碟簧6提供了 z方向的支撐カ和弾性力，限制了其它方向的運(yùn)動(dòng)自由度，碟簧6中心處上端面與作用桿7連接；橡膠阻尼塊2布置于凹形磁鋼I與骨架4之間，通過與骨架4的干摩擦提供阻尼力。作用桿7與設(shè)備11之間通過球頭8連接，作用桿7只有z方向的平動(dòng)自由度，由4個(gè)主被動(dòng)減振器10支撐的設(shè)備11除具有z向的平動(dòng)自由度以外，還具有X、y方向兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，避免了 4個(gè)主被動(dòng)減振器10振幅不相同時(shí)作用桿7受扭曲力彎曲變形。主動(dòng)減振單元采用直線音圈電機(jī)，由稀土永磁體3和磁鋼板9構(gòu)成封閉磁路，線圈5纏繞在骨架4之上，置于磁鋼板9間的氣隙勻強(qiáng)磁場中；骨架4上端與碟簧6中心處下端面相連，下端與橡膠阻尼塊2接觸；線圈5通入交變電流后，在磁場作用下帶動(dòng)作用桿7上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在設(shè)備11上產(chǎn)生主動(dòng)作用力，骨架4下端與橡膠阻尼塊2摩擦產(chǎn)生阻尼力。如圖4所示，本發(fā)明獨(dú)立控制四只主被動(dòng)減振器10，即控制系統(tǒng)由四個(gè)單輸入單輸出子系統(tǒng)組成，子系統(tǒng)間無耦合。采用無角位移主動(dòng)減振算法，算法由主動(dòng)減振算法和位移控制算法組成。主動(dòng)減振器采用振動(dòng)加速度負(fù)反饋，其基本原理是設(shè)備11的期望振動(dòng)加速度為0，實(shí)際加速度由振動(dòng)加速度傳感器12測量，兩者之差作為振動(dòng)加速度傳感器12的輸出信號(hào)，采用雙積分PI算法設(shè)計(jì)，控制単元15輸出信號(hào)經(jīng)功率放大等環(huán)節(jié)后驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)，帶動(dòng)作用桿7在設(shè)備11上產(chǎn)生主動(dòng)減振力，抵消或減小載體17傳遞到設(shè)備11上的振動(dòng)カ；雙積分PI算法的形式如下.ん(/)= W)+4j,(r y/τ +h-[J0 Φ其中，e(t)是振動(dòng)加速度誤差信號(hào)，fa(t)是控制器輸出信號(hào)，km是控制器質(zhì)量系數(shù)，k。是控制器阻尼系數(shù)、kk是控制器弾性系數(shù)。采用位移負(fù)反饋控制方法使載體17和設(shè)備11在四個(gè)安裝點(diǎn)的相對(duì)距離相同，從而消除它們之間的相對(duì)角位移，其基本原理是載體17和設(shè)備11在四個(gè)安裝點(diǎn)的期望相對(duì)距離設(shè)定為相等的固定常值，實(shí)際距離分別由對(duì)應(yīng)的非接觸式位移傳感器13測量，兩者之差經(jīng)過帶寬為O. IHz的ニ階低通濾波器提取直流信號(hào)分量后，作為位移傳感器13的輸出信號(hào)，采用PI控制，控制單元輸出信號(hào)經(jīng)功率放大等環(huán)節(jié)后驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)，帶動(dòng)設(shè)備11移動(dòng)到設(shè)定位置。即當(dāng)載體17產(chǎn)生振動(dòng)，經(jīng)主被動(dòng)減振器10傳遞到設(shè)備11上，振動(dòng)加速度傳感器12測量設(shè)備11的振動(dòng)加速度，位移傳感器13測量載體17和設(shè)備11間的相對(duì)距離，位移傳感器13的供電和數(shù)據(jù)采集由數(shù)據(jù)處理単元14完成，并將數(shù)據(jù)傳送到控制單元15，按照設(shè)計(jì)的無角位移主動(dòng)減振算法計(jì)算出控制信號(hào)，輸出經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)主被動(dòng)減振器10中的主動(dòng)減振單元，在設(shè)備11上產(chǎn)生主動(dòng)減振力，抵消或減小設(shè)備11振動(dòng)，同時(shí)移動(dòng)設(shè)備11到設(shè)定位置，消除載體17與設(shè)備11間的相對(duì)角位移。本發(fā)明的無角位移主動(dòng)減振控制算法結(jié)構(gòu)依據(jù)圖2所示實(shí)例的參數(shù)，設(shè)計(jì)雙積分PI主動(dòng)減振控制器，其頻域表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)，其特征在干，該系統(tǒng)包括主被動(dòng)減振器(10)、カロ速度傳感器(12)、位移傳感器(13)、數(shù)據(jù)處理単元(14)、控制單元(15)、功率放大單元(16)和載體(17);所述主被動(dòng)減振器(10)產(chǎn)生主動(dòng)減振力，在被動(dòng)減振的基礎(chǔ)上進(jìn)一歩降低載體(17 )傳遞到被減振設(shè)備(11)的振動(dòng)；加速度傳感器(12 )測量被減振設(shè)備(11)的加速度；位移傳感器(13)測量載體(17)和被減振設(shè)備(11)間的相對(duì)距離；數(shù)據(jù)處理単元(14)接收加速度傳感器(12)和位移傳感器(13)的發(fā)出的加速度信號(hào)和位移信號(hào)后，傳遞給控制単元(15)，控制單元(15)輸出信號(hào)經(jīng)功率放大單元(16)驅(qū)動(dòng)主被動(dòng)減振器(10)，帶動(dòng)被減振設(shè)備(11)移動(dòng)到設(shè)定位置；所述主被動(dòng)減振器(10)和位移傳感器(13)放置在載體(17)上，被減振設(shè)備(11)放置在主被動(dòng)減振器(10 )上端，加速度傳感器(12 )放置在被減振設(shè)備(11)上方；所述加速度傳感器(12)和位移傳感器(13)分別與數(shù)據(jù)處理単元(14)連接，數(shù)據(jù)處理単元(14)與控制單元(15)連接，控制單元(15)與功率放大單元(16)連接，功率放大單元(16)與主被動(dòng)減振器(10)連接。
2.如權(quán)利要求I所述的無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)，其特征在于，所述主被動(dòng)減振器(10)包括底座、阻尼塊(2)、永磁體(3)、骨架(4)、線圈(5)、碟簧(6)、作用桿(7)、球頭(8)、磁鋼板(I)和凹形磁鋼(9);所述凹形磁鋼(9)位于底座上，永磁體(3)固定在凹形磁鋼(9)的中心，阻尼塊(2)固定在凹形磁鋼(9)的內(nèi)周兩側(cè)；所述骨架(4)為倒U型，其置于永磁體(3)的上端，兩下腳分別與阻尼塊(2)接觸；凹形磁鋼(9)上端面放置一磁鋼板(1)，碟簧(6)放置在磁鋼板(I)上，線圈(5)纏繞在永磁體(3)上方的骨架(4)上，骨架(4)通過作用桿(7)與球頭(8)連接。
3.如權(quán)利要求2所述的無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)，其特征在于，所述磁鋼板(I)、凹形磁鋼(9 )和永磁體(3 )構(gòu)成封閉磁路。
4.如權(quán)利要求2所述的無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)，其特征在于，所述阻尼塊(2)的材料為橡膠。
5.如權(quán)利要求2所述的無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)，其特征在于，所述永磁體(3)的材料為稀土。
6.如權(quán)利要求I所述的無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)，其特征在于，所述主被動(dòng)減振器(10)、加速度傳感器(12)和位移傳感器(13)的安裝位置與載體(17)間的相對(duì)位置相坐寸ο
7.基于權(quán)利要求I所述的無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)的減振方法，其特征在干，所述減振方法包括如下步驟 步驟ー設(shè)定被減振設(shè)備(11)的期望振動(dòng)加速度為0，實(shí)際加速度由加速度傳感器(12)測量；設(shè)定載體(17)和被減振設(shè)備(11)的期望相對(duì)距離為固定值，實(shí)際距離由位移傳感器(13)測量； 步驟ニ 實(shí)際加速度和期望振動(dòng)加速度之差，經(jīng)由數(shù)據(jù)處理単元(14)處理后，傳輸?shù)娇刂茊卧?15);期望相對(duì)距離和實(shí)際距離之差經(jīng)由數(shù)據(jù)處理単元(14)處理后，傳輸?shù)娇刂茀g元(15)； 步驟三所述控制単元(15)利用兩路輸入信號(hào)產(chǎn)生控制信號(hào)并輸出，經(jīng)功率放大器放大后驅(qū)動(dòng)主被動(dòng)減振器(10)，主被動(dòng)減振器(10)在被減振設(shè)備(11)上產(chǎn)生主動(dòng)減振力，抵消或減小載體(17)傳遞到被減振設(shè)備(11)上的振動(dòng)カ，并帶動(dòng)被減振設(shè)備(11)移動(dòng)到設(shè)定位置。
8.如權(quán)利要求7所述的減振方法，其特征在于，所述步驟ニ中實(shí)際加速度的方向?yàn)樨Q直方向；實(shí)際距離的方向?yàn)樨Q直方向。
9.如權(quán)利要求7所述的減振方法，其特征在于，所述步驟三中所述控制算法采用雙積分PI控制算法。
全文摘要
無角位移主被動(dòng)復(fù)合式減振系統(tǒng)及其方法涉及一種光電精密儀器檢測領(lǐng)域，該系統(tǒng)包括主被動(dòng)減振器、加速度傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、控制單元和功率放大單元；主被動(dòng)減振器和位移傳感器放置在載體上，設(shè)備放置在主被動(dòng)減振器上端，加速度傳感器放置在設(shè)備上方；加速度傳感器和位移傳感器分別與數(shù)據(jù)處理單元連接，數(shù)據(jù)處理單元與控制單元連接，控制單元與功率放大單元連接，功率放大單元與主被動(dòng)減振器連接。本發(fā)明通過主動(dòng)減振和被動(dòng)減振相結(jié)合的方式降低載體傳遞到光電精密測量設(shè)備的振動(dòng)，通過位移控制使設(shè)備的安裝點(diǎn)與載體間的相對(duì)距離相同，消除設(shè)備的相對(duì)角位移。并且結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，使用簡易。
文檔編號(hào)F16F15/02GK102705431SQ201210176798
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月31日
發(fā)明者劉仲宇, 李嘉全, 王帥 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所