一種適用于低頻振動的三維隔振裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種適用于低頻振動的三維隔振裝置，在水平面上，解耦支架、鋼制的軸和鋁制的滑動塊實現(xiàn)了振動位移在X，Y方向的解耦，大、小兩個圓形永久磁鐵作為負剛度元件，彈簧作為正剛度元件，構(gòu)成了水平面的低頻隔振系統(tǒng)；在豎直方向上，利用斜彈簧的幾何特性作為負剛度元件，支撐彈簧為正剛度元件，構(gòu)成了Z方向的低頻隔振系統(tǒng)；把兩個系統(tǒng)結(jié)合起來形成了三維低頻隔振系統(tǒng)。本發(fā)明使用永久磁鐵、彈簧作為負剛度或正剛度元件，實現(xiàn)更低頻率的隔振；實現(xiàn)了X，Y，Z方向的位移解耦，可以在Z方向和XY平面上獲得更低動剛度的同時可以保證較大的承載能力；不需要輸入能量，并且可調(diào)整靜平衡位置，以保證振動發(fā)生在零剛度附近。
【專利說明】—種適用于低頻振動的三維隔振裝置
【技術(shù)領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及的是一種隔振裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，人們對振動隔離的要求越來越高，例如精密測量和加工領域?qū)Νh(huán)境的安靜性要求越來越嚴格。機械設備內(nèi)部和外部的振動干擾都是降低加工精度和表面質(zhì)量的重要因素。傳統(tǒng)的被動隔振系統(tǒng)對外界的干擾頻率大于振動系統(tǒng)的固有頻率的▲倍起減振作用，可以較好地隔離中、高頻振動，但是隔離低頻振動的能力差。然而對超精密加工設備產(chǎn)生不良影響的振動頻率是在0.5-70HZ范圍內(nèi)，為了提高隔振器低頻的隔振效率，要求隔振器必須具有足夠低的剛度，但是為了保證一定的承載能力和穩(wěn)定性，又需要較大的靜態(tài)剛度。因此傳統(tǒng)的被動隔振技術(shù)始終存在著動態(tài)剛度和靜態(tài)變形間權(quán)衡的問題，無法較好的滿足超精密加工的要求。一些新型的隔振技術(shù)如主動控制雖然能夠滿足上述要求，但是結(jié) 構(gòu)復雜，成本較高，需要輸入能量以及需要計算機強大的計算能力。
[0003]中國專利庫中的一種基于負剛度原理的永磁低頻多自由度隔振度機構(gòu)，專利號碼:CN102410337A，包括下永磁體、上永磁體、橡膠片、下永磁體固定板、橡膠固定座、上永磁體固定板、橡膠壓塊和橡膠片外緣固定壓環(huán)。但是該方法存在的問題有:1、橡膠片長期被拉伸容易發(fā)生老化斷裂；2、結(jié)構(gòu)的靜平衡位置不能夠調(diào)整，不能確保振動發(fā)生在平衡位置附近；3、豎直方向上采用磁鐵作為正剛度系統(tǒng)，靜態(tài)的線性承載能力較差，水平方向上的橡膠片靜承載能力較差，容易發(fā)生較大變形。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供可以滿足三維空間上高靜態(tài)低動態(tài)剛度的要求，能夠保證較小的靜位移和低頻隔振性能的一種適用于低頻振動的三維隔振裝置。
[0005]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0006]本發(fā)明一種適用于低頻振動的三維隔振裝置，其特征是:包括外殼、振動臺、XY面解耦支架、滑動塊、隔振臺，外殼包括相連的側(cè)壁和底面，外殼的底面上設置凸起的導向孔，振動臺包括相連的上平面和圓柱，振動臺的圓柱下部位于導向孔里，圓柱上部與外殼之間安裝斜彈簧，振動臺的圓柱中部設置凸臺，凸臺與導向孔壁之間安裝支撐彈簧，導向孔壁設置有外螺紋，升降齒輪與導向孔壁的外螺紋配合安裝在導向孔壁外，升降齒輪與支撐彈簧間安裝推力軸承，外殼側(cè)壁上固定齒輪擋圈，齒輪擋圈下方設置傳動齒輪，齒輪擋圈和傳動齒輪里安裝調(diào)整手柄，傳動齒輪和調(diào)整手柄之間通過鍵配合，傳動齒輪和升降齒輪相嚙合，XY面解耦支架為中空的環(huán)形結(jié)構(gòu)，XY面解耦支架固定在振動臺的上平面上，在XY面解耦支架中空部分的第一對對立面旁設置一對軸承槽，支撐軸的端部通過支撐軸承分別安裝在軸承槽里，滑動塊套于支撐軸上，滑動塊兩側(cè)的支撐軸上分別安裝X向彈簧，XY面解耦支架中空部分的第二對對立面的第一面里側(cè)設置控制塊，支撐軸與控制塊間安裝第一 Y向彈簧，支撐軸與XY面解耦支架中空部分的第二對對立面的第二面間安裝第二 Y向彈簧，XY面解耦支架上設置大圓形永久磁鐵，滑動塊上設置小圓形永久磁鐵，小圓形永久磁鐵位于大圓形永久磁鐵里，隔振臺穿過小圓形永久磁鐵并通過螺紋與滑動塊相連。
[0007]本發(fā)明還可以包括:
[0008]UXY面解耦支架中空部分的第一對對立面的一個面上安裝X方向調(diào)整螺釘，支撐軸上套有X方向調(diào)整塊，X方向調(diào)整塊與支撐軸上的X向彈簧相連，X方向調(diào)整螺釘與X方向調(diào)整塊配合從而調(diào)整滑動塊的X向位置。
[0009]2、XY面解耦支架中空部分的第二對對立面的第一面里側(cè)設置滑動槽，控制塊設置在滑動槽里，XY面解耦支架上安裝Y向調(diào)整螺釘，Y向調(diào)整螺釘通過螺紋與XY面解耦支架相配合并頂在控制塊上。
[0010]3、齒輪擋圈處的外殼側(cè)壁上設置開口，開口處安裝擋片。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)勢在于:本發(fā)明與現(xiàn)有的三維隔振器相比，結(jié)構(gòu)上采用永久磁鐵、彈簧作為負剛度或正剛度元件，實現(xiàn)更低頻率的隔振，避免橡膠片在使用過程中發(fā)生老化斷裂的現(xiàn)象；采用自主設計的三維位移解耦裝置，實現(xiàn)了 X，Y，Z方向的位移解耦，防止三維運動形式使彈簧產(chǎn)生耦合作用，沖分利用了靜態(tài)時彈簧正剛度的承載能力和動態(tài)時系統(tǒng)正負剛度相互抵消的作用，在Z方向和XY平面上獲得了更低動剛度的同時可以保證較大的承載能力，不需要外接入能量；本結(jié)構(gòu)在水平方向上采用螺栓和螺母的，豎直方向上采用齒輪傳動的方式可以實現(xiàn)調(diào)整靜平衡位置，以保證高靜態(tài)低動態(tài)剛度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明的俯視圖；
[0013]圖2a為沿Al-Al截面(XZ平面)的半剖圖，圖2b為I處放大圖；
[0014]圖3為XY平面上隔振機構(gòu)的解耦圖；
[0015]圖4a為一維隔振的原理圖，圖4b為二維隔振的原理圖；
[0016]圖5a為本發(fā)明的Z方向隔振主視圖，圖5b為為本發(fā)明的Z方向隔振俯視圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述:
[0018]結(jié)合圖1?5，一種適用于低頻振動三維隔振器包括:鋁制的隔振臺1，鋁制的磁鐵固定蓋2,小圓形永久磁鐵3a,大圓形永久磁鐵3b,線軸承4,支撐軸承5,X方向的招制固定調(diào)整塊7a，X方向的鋁制移動調(diào)整塊7a，Y方向的鋁制調(diào)整塊21，鋁制的XY面解耦支架9，Z方向的振動臺10，鋁制的外殼13，齒輪擋圈17，調(diào)整手柄19，鋼制的軸22，鋁制的滑動塊24 ;滑動塊24在兩個支撐軸22上可以沿X方向滑動，如圖2，支撐軸22由支撐軸承5支撐可以在Y方向運動，支撐軸承位于XY面解耦支架9的軸承槽里，如圖2中支撐軸承5所處的位置，可以沿槽在Y方向滾動；解耦支架9被螺釘固定到Z方向的振動臺10上，振動臺10在外殼13底部中心凸起的導向孔內(nèi)振動，如圖2中振動臺10的圓柱結(jié)構(gòu)處于外殼13底部中心凸起的導向孔；兩個斜彈簧11被鉸接到外殼13和振動臺10，處于壓縮狀態(tài)，如圖2所示；帶有鍵槽的傳動齒輪18位于外殼13底部的圓弧突起的槽里，如圖2及圖5b的俯視圖中傳動齒輪18的安裝，調(diào)整手柄19a的圓柱端位于外殼13底部圓弧凸起中心的凹槽里，如圖2中19a所處的位置，通過調(diào)整手柄的鍵19b帶動傳動齒輪18，齒輪擋圈17被螺釘固定到外殼13底部的圓弧突起，限制傳動齒輪18上下移動，升降齒輪16與外殼13底部中心凸起的導向孔的連接方式是螺紋連接，如圖2中升降齒輪16所處的位置，通過旋轉(zhuǎn)可以實現(xiàn)上下運動；推力軸承15置于升降齒輪上，套在外殼13底部中心凸起的導向孔上。
[0019]本發(fā)明所述的小、大永久磁鐵3a、3b為圓形，小永久磁鐵3a處于大永久磁鐵3b中間，并位于同于平面上，且同極相對，大圓形永久磁鐵3b被磁鐵固定蓋2用螺釘固定到鋁制的水平面解耦支架9上，小圓形磁鐵3a套在隔振臺I并黏貼在一起。
[0020]本發(fā)明所述的XY平面上二維隔振裝置的負剛度機構(gòu)為永久磁鐵3a和3b，正剛度元件為彈簧8、23，可以通過X、Y方向的螺釘6、20實現(xiàn)靜平衡位置的調(diào)節(jié)。
[0021]本發(fā)明所述的Z方向隔振裝置的負剛度元件為斜彈簧11，正剛度元件為彈簧14，可以通過調(diào)整手柄19、推力軸承15、升降齒輪16、傳動齒輪18實現(xiàn)Z方向的靜平衡位置調(diào)節(jié)。
[0022]圖1，2為本發(fā)明提供的一種適用于低頻振動的三維隔振器的結(jié)構(gòu)示意圖。鋁制的隔振臺I和鋁制的滑動塊24通過螺紋進行連接，滑動塊24和X，Y方向的彈簧8、23鉸接在一起，滑動塊24在兩個支撐軸22上可以沿X方向滑動，支撐軸22由支撐軸承5支撐可以在Y方向運動，支撐軸承位于XY面解耦支架9的軸承槽里，可以沿槽在Y方向滾動，從而實現(xiàn)了隔振臺I在XY平面上的二維振動位移的解耦，避免了 X和Y方向的彈簧8、23之間的耦合，合力為減小隔振臺I振動的線性恢復力，把彈簧的剛度作為正剛度；在乂￥平面上利用的大圓形磁鐵3b對圓心附近振動的小圓形磁鐵3a產(chǎn)生的非線性吸引作用，作為負剛度機構(gòu)。為了保證XY平面上有較大的承載能力，因此在X，Y方向上各布置四個彈簧。X，Y方向的調(diào)整螺釘和螺帽6、20和調(diào)整塊7、21用于調(diào)節(jié)XY方向的靜平衡位置處于大圓形磁鐵的中心。當隔振臺I的靜 平衡位置偏離圓心時通過旋進或旋出螺釘，改變調(diào)整塊7、21對彈簧的壓縮量，使小圓形永久磁鐵3a回到圓心，然后用螺母鎖死。振動臺10在外殼13中心凸起的導向孔里沿Z方向上振動，實現(xiàn)Z方向的解耦。支撐彈簧14作為Z方向振動的正剛度元件，斜彈簧11作為Z方向的負剛度元件。當隔振器靜載時，若斜彈簧11沒有處于與XY平面平行的狀態(tài)，則需要打開外殼13上的調(diào)節(jié)窗口的擋片12，如圖2中擋片12所處的位置，用扳手調(diào)節(jié)手柄19a，在調(diào)節(jié)手柄鍵19b的帶動下可以轉(zhuǎn)動，使傳動齒輪18轉(zhuǎn)動，帶動升降齒輪16轉(zhuǎn)動，升降齒輪16與外殼13底部中心凸起的導向孔使用螺紋連接，進而實現(xiàn)Z方向的振動臺10上升或下降，使斜彈簧11處于與XY平面平行的狀態(tài)。
[0023]圖3為本發(fā)明的XY面上隔振機構(gòu)的解耦示意圖。8個彈簧的剛度相同，當隔振臺I受到XY平面上的二維外力干擾時，滑動塊24的運動可分解為X、Y方向的位移，不會相互產(chǎn)生耦合，受到的恢復力仍然服從胡可定律。其中兩個鋼制的軸22需要淬火，防止彎曲變形。把被隔振的物體固定到隔振臺I上，若平衡位置不在圓心，則需要松開調(diào)節(jié)螺母，先調(diào)節(jié)Y方向的螺釘，旋動Y方向上的調(diào)節(jié)螺釘使鋁制的隔振臺I逐漸靠近X軸，并處于X軸上，然后從鋁制的解耦9支架側(cè)面中間位置的圓孔內(nèi)沿X軸的正方向可以看到處于X軸上的調(diào)整螺釘6，用螺絲刀從孔內(nèi)插入，轉(zhuǎn)動螺釘6，可使隔振臺逐漸靠近并Y軸并處于Y軸上，這樣隔振臺I就處于大圓形磁鐵的圓心，然后再擰緊調(diào)節(jié)螺母。
[0024]圖4為XY平面隔振的原理圖。對于一維的水平方向隔振原理圖如圖4a,中間磁鐵在導軌的限制下沿Y方向振動，兩側(cè)磁鐵對中間磁鐵的非線性力近似遵循庫倫定律，與距離的平方成反比為F = Cm/d2，其對位移導數(shù)的泰勒展開一次項系數(shù)為_2Cm/(kd3)，其中Cm為磁鐵磁極強度常數(shù)，k為彈簧的剛度，d為中間磁鐵處于兩側(cè)磁鐵中心的初始距離，因此在Y方向引入了負剛度。若在X方向也加上一對磁鐵如圖4b，導軌可以對二維的振動位移解耦，防止彈簧間產(chǎn)生耦合，把中間方形磁鐵換成圓形磁鐵，讓它們同極相對，則在XY面上引入了負剛度，因此可以使二維空間上振動的動剛度減小。用大的圓形磁鐵如圖4b中的虛線部分代替四個小的方形磁鐵，使大磁鐵的內(nèi)圈磁性與中間的小圓形磁鐵的外圈磁性相同，可以實現(xiàn)同樣的作用，方便布置和安裝。
[0025]圖5為本發(fā)明的Z方向隔振圖。其中兩個斜彈簧11的剛度相同，由于Z方向需要承受被隔振物體的所有重量，因此支撐彈簧14的剛度較大，可以保證較小的靜位移，滿足隔振器的穩(wěn)定性。若斜彈簧11與XY平面不平行，則需要打開擋片12，用套筒扳手轉(zhuǎn)動調(diào)整手柄19a，調(diào)節(jié)升降齒輪的高度，使斜彈簧11處于與XY平面平行的狀態(tài)，然后重新裝上擋片12。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于低頻振動的三維隔振裝置，其特征是:包括外殼、振動臺、XY面解耦支架、滑動塊、隔振臺，外殼包括相連的側(cè)壁和底面，外殼的底面上設置凸起的導向孔，振動臺包括相連的上平面和圓柱，振動臺的圓柱下部位于導向孔里，圓柱上部與外殼之間安裝斜彈簧，振動臺的圓柱中部設置凸臺，凸臺與導向孔壁之間安裝支撐彈簧，導向孔壁設置有外螺紋，升降齒輪與導向孔壁的外螺紋配合安裝在導向孔壁外，升降齒輪與支撐彈簧間安裝推力軸承，外殼側(cè)壁上固定齒輪擋圈，齒輪擋圈下方設置傳動齒輪，齒輪擋圈和傳動齒輪里安裝調(diào)整手柄，傳動齒輪和調(diào)整手柄之間通過鍵配合，傳動齒輪和升降齒輪相嚙合，XY面解耦支架為中空的環(huán)形結(jié)構(gòu)，XY面解耦支架固定在振動臺的上平面上，在XY面解耦支架中空部分的第一對對立面旁設置一對軸承槽，支撐軸的端部通過支撐軸承分別安裝在軸承槽里，滑動塊套于支撐軸上，滑動塊兩側(cè)的支撐軸上分別安裝X向彈簧，XY面解耦支架中空部分的第二對對立面的第一面里側(cè)設置控制塊，支撐軸與控制塊間安裝第一 Y向彈簧，支撐軸與XY面解耦支架中空部分的第二對對立面的第二面間安裝第二 Y向彈簧，XY面解耦支架上設置大圓形永久磁鐵，滑動塊上設置小圓形永久磁鐵，小圓形永久磁鐵位于大圓形永久磁鐵里，隔振臺穿過小圓形永久磁鐵并通過螺紋與滑動塊相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于低頻振動的三維隔振裝置，其特征是:XY面解耦支架中空部分的第一對對立面的一個面上安裝X方向調(diào)整螺釘，支撐軸上套有X方向調(diào)整塊，X方向調(diào)整塊與支撐軸上的X向彈簧相連，X方向調(diào)整螺釘與X方向調(diào)整塊配合從而調(diào)整滑動塊的X向位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種適用于低頻振動的三維隔振裝置，其特征是:ΧΥ面解耦支架中空部分的第二對對立面的第一面里側(cè)設置滑動槽，控制塊設置在滑動槽里，XY面解耦支架上安裝Y向調(diào)整螺釘，Y向調(diào)整螺釘通過螺紋與XY面解耦支架相配合并頂在控制塊上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種適用于低頻振動的三維隔振裝置，其特征是:齒輪擋圈處的外殼側(cè)壁上設置開口，開口處安裝擋片。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種適用于低頻振動的三維隔振裝置，其特征是:齒輪擋圈處的外殼側(cè)壁上設置開口，開口處安裝擋片。
【文檔編號】F16F15/04GK104033535SQ201410246940
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月5日
【發(fā)明者】楊鐵軍, 梁偉龍, 陸澤奇, 呂朋, 韓超, 徐陽, 吳磊, 黃迪, 張羽飛, 石慧, 孫瑤 申請人:哈爾濱工程大學