基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振方法與裝置的製作方法

2023-04-24 11:35:36

專利名稱：基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振方法與裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於超低頻隔振領域，特別是一種空氣彈簧超低頻隔振方法與該方法使用的裝置。
背景技術：
空氣彈簧隔振基礎由於其低頻隔振效果好、承載能力強、使用壽命長等優點而被廣泛應用于振動隔離領域。隨著超精密加工與測量、微納米技術和超大規模集成電路製造精度水平的不斷提高，對隔振基礎的超低頻隔振性能和承載能力都提出了更高的要求。然而目前的空氣彈簧隔振基礎因其超低頻隔振性能不理想而在很大程度上限制了其在超低頻隔振領域的進一步應用。
專利US 6,402,118，B1 「Magnetic Support System」提出了一種磁支撐系統。該系統利用具有正負剛度的兩種永磁鐵布置在平臺的兩側，使正負剛度相互抵消而實現超低頻隔振。但是它的缺點在於承載能力低，無法用於超大型隔振基礎，另外它要求兩個永磁鐵正負剛度抵消，這對製造精度提出了苛刻的要求，難以實現，而且整個系統很難適應不同工作條件和負載變化的影響。專利US2003/0222383 A1「Magnetic Spring Device with Negative Stiffness」也提出了一種具有負剛度的磁彈簧。該系統利用三個永磁鐵按照異極相對的方式依次排列，可使中間的永磁鐵具有近似恆定負剛度以抵消系統固有剛度，達到降低系統固有頻率，實現超低頻隔振的目的。它的缺點同樣存在不易加工，難以控制，承載能力低的缺點，不適用於承載超大型隔振基礎。專利US5779010「Suspendedlow-frequency horizontal pendulum isolator for vibration isolation systems」提出將空氣彈簧與單擺機構串聯以支撐臺體。由於單擺機構的橫向剛度遠小於空氣彈簧橫向剛度而縱向剛度遠大於空氣彈簧的縱向剛度，兩者串聯可大幅降低系統橫向隔振頻率，實現橫向超低頻隔振。但是此方法對縱向隔振性能沒有明顯提高，此外單擺機構的橫向隔振能力很大程度上取決於單擺的臂長，臂長越長隔振效果越好，欲獲得超低的隔振頻率就會導致系統隔振系統會有龐大的尺寸，同時它的承載能力也會因此下降。
韓國學者K.G.AHN等人提出一種由電磁鐵和空氣彈簧並聯支撐的混合隔振系統(K.G.AHN，et al.A Hybrid-type Active Vibration Isolation System UsingNeural Networks.Journal of Sound and Vibration.1996，192(4)，793-805)。利用空氣彈簧實現高的承載能力，利用神經網絡控制算法控制電磁鐵，以實現隔振系統隔振性能的最優化。該方案中採用單電磁鐵，因而只能採用近似處理，無法實現真正意義上的線性化，這直接影響其控制精度。另外其控制方法原理複雜、實現困難，故而很難在工程實際中使用。

發明內容
為了克服上述已有技術中的不足，本發明首先提供一種超低頻隔振方法，利用安裝在銜鐵上的力傳感器反饋信號自動調節基體高度使基體工作原點與作動器輸出力零點相重合，同時利用基電流線性化技術和差動布置方案，將電磁作動器輸出力變為相對位移和偏置電流的線性組合，進而通過控制相對位移分量為系統提供負剛度以降低系統固有頻率，拓寬超低頻隔振範圍，控制偏置電流分量使其正比於基體速度為系統提供主動阻尼力以降低諧振峰值，最終達到超低頻隔振的目的。
本發明還在上述隔振方法的基礎上提供了一種基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振裝置，它利用分別固定與基體和地面上的差動布置電磁鐵與銜鐵之間的相互作用，為系統提供負剛度和可控主動阻尼力。
本發明的技術解決方案是基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振方法，該方法包括以下步驟(1)根據空氣彈簧隔振系統固有剛度Ks和欲達到的系統固有頻率ω確定所需的負剛度KN，然後由KN計算電磁作動器中的基電流I0。
(2)調整空氣彈簧隔振系統至工作高度附近並在差動電磁作動器中通入基電流I0，每隔一個時間段□t對安裝在差動電磁作動器銜鐵上力傳感器的反饋信號作平均，高度控制系統依據此平均值對空氣彈簧的工作高度作一次微調，直至平均值為零，完成高度調整工作。
(3)根據空氣彈簧隔振系統基體運動速度Vb，控制差動電磁作動器的偏置電流Id，使作動器為隔振系統提供一個正比於速度Vb的主動阻尼力Fc。主動阻尼力Fc結合負剛度KN可使隔振基礎獲得優良的超低頻隔振性能。
所述的基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振方法，所述的電磁作動器中的基電流I0由系統所需的負剛度確定KN。
所述的基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振方法，所述的電磁作動器中差動布置的兩個電磁鐵中偏置電流Id方向相反，產生阻尼力Fc的方向與基體速度Vb方向相反。
基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振方法，所述的電磁作動器提供的阻尼力Fc只受偏置電流Id控制，與基體(4)運動速度Vb成正比，不受基體(4)位移變化的影響，電磁作動器偏置電流Id與阻尼力Fc為線性關係。
基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振裝置，其組成包括供氣系統(1)、高度控制系統(2)、一組空氣彈簧(3)、基體(4)、既為系統提供負剛度，又為系統提供可控阻尼力的電磁作動器(5)、速度傳感器(6)、力傳感器(7)、位移傳感器(8)、功率放大器(9)、模/數轉換器(10)、數/模轉換器(11)、控制器(12)，所述的供氣系統(1)供氣端與所述的高度控制系統(2)輸入端相連，所述的高度控制系統(2)輸出端與每個所述的空氣彈簧(3)進氣孔相連，所述的空氣彈簧(3)和所述的電磁作動器(5)並行安裝在所述的基體(4)的下方，所述的位移傳感器(8)和所述的速度傳感器(6)安裝在所述的基體(4)之上，所述的力傳感器(7)兩安裝端分別安裝在所述的電磁作動器(5)與所述的基體(4)上，所述的力傳感器(7)和所述的位移傳感器(8)的信號輸出端都連接到所述的高度控制系統(2)的信號接受端，所述的速度傳感器(6)的信號輸出端與所述的模/數轉換器(11)輸入端相連，所述的模/數轉換器(11)的輸出端與所述的控制器(12)輸入端相連，所述的控制器(12)輸入端與所述的數/模轉換器(10)輸入端相連，所述的數/模轉換器(10)輸出端與所述的功率放大器(9)輸入端相連，所述的功率放大器(9)輸入端與所述的電磁作動器(5)信號接受端相連。
所述的基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振裝置，所述的高度控制系統(2)由高度控制器(17)，三位電磁閥(18)組成，高度控制器(17)輸入端與供氣系統(1)相連，信號接受端分別與位移傳感器(8)和力傳感器(7)相連，輸出端與三位電磁閥(18)輸入端相連，三位電磁閥(18)輸出端與空氣彈簧相連，高度控制系統依據位移傳感器(8)反饋信號作粗調，依據力傳感器(7)反饋信號作微調。
所述的基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振裝置，其特徵是所述的電磁作動器(5)由一對電磁鐵(13a，13b)、電磁鐵支架(14a，14b)、銜鐵(15)、銜鐵支架(16)組成，兩電磁鐵(13a，13b)差動布置在所述的電磁鐵支架(14a，14b)上，所述的銜鐵(15)安裝在所述的銜鐵支架(16)上並位於兩電磁鐵(13a，13b)之間，和兩電磁鐵(13a，13b)留有相同的間隙。
所述的基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振裝置，所述的電磁作動器(5)中一對電磁鐵(13a，13b)差動布置，通入基電流I0以後，兩電磁鐵(13a，13b)相對面為同極性。
所述的基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振裝置，所述的銜鐵支架(16)安裝於所述的基體(4)，或者與所述的基體固定的物體上，所述的電磁鐵支架(14a)安裝到地面或者與地面固定的物體上。
本發明具有以下特點及良好效果本發明通過在銜鐵兩側對稱布置一對電磁鐵組成差動電磁作動器，並對兩電磁鐵通以相同的基電流。使得差動電磁作動器的輸出力由與相對位移的平方成反比、偏置電流平方成正比的關係變為相對位移和偏置電流兩項的線性組合，實現真正意義上的線性化，有利於精確控制。這是本發明的創新點之一。
本發明的高度控制系統依據安裝在銜鐵上的力傳感器反饋信號每隔一段時間內的平均值調節一次基體高度，直至平均值為零，使基體工作原點與作動器輸出力零點相重合，可使差動電磁作動器相對位移分量由單向變為雙向，成為具有可控負剛度的被動彈簧，可抵消系統部分或全部固有剛度，以降低系統固有頻率，拓寬隔振範圍。這是本發明的創新點之二。
本發明的差動電磁作動器輸出力是相對位移和偏置電流的線性組合，通過控制相對位移分量可為系統提供負剛度以降低系統固有頻率，拓寬超低頻隔振範圍；控制偏置電流分量使其正比於基體速度，可為系統提供主動阻尼力，以降低諧振峰值。同一作動器實現兩種功能，集成度和可靠性都由很大程度的提高。這是本發明的創新點之三。
本發明採用差動電磁作動器和空氣彈簧並聯以支撐基體。空氣彈簧可保證系統具有強的承載能力和優良的中高頻隔振性能；差動電磁作動器在實現優良的低頻、超低頻隔振性能的同時不改變系統中、高頻隔振性能。兩者結合將使整個隔振系統在保持高承載能力的同時，具有全頻段上的優良隔振性能。


附圖1是本發明裝置的原理示意圖；附圖2是本發明裝置的結構示意圖；附圖3是本發明裝置中的高度控制系統原理示意圖；附圖4是本發明中的差動電磁作動器結構示意圖；附圖5是本發明中的差動電磁作動器安裝方式示意圖；附圖6是傳統的電磁鐵輸出力與相對位移和偏置電流的關係曲線；附圖7是本發明的差動電磁作動器輸出力與相對位移和偏置電流的關係曲線；附圖8(a)和附圖8(b)是差動電磁作動器輸出力零點與基體工作原點重合前後作動器輸出力與偏置電流的關係曲線；附圖9是本發明中負剛度施加前後隔振系統傳遞率對比曲線；附圖10是本發明中主動阻尼力施加前後隔振系統傳遞率對比曲線；附圖11是本發明中差動電磁作動器工作前後隔振系統傳遞率對比曲線；圖中，1供氣系統、2高度控制系統、3空氣彈簧、4基體、5差動電磁作動器、6速度傳感器、7力傳感器、8位移傳感器、9功率放大器、10模/數轉換器(A/D)、11數/模轉換器(D/A)、12控制器、13a電磁鐵、13b電磁鐵、14a電磁鐵支架、14b電磁鐵支架、15銜鐵、16銜鐵支架、17高度控制器、18為電磁閥。
具體實施例方式
本發明的一種基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振方法與裝置的系統結構及工作原理結合實施例及附圖詳細說明如下本發明的基於差動電磁作動器的空氣彈簧隔振裝置一實施例，系統原理示意圖如圖1所示，包括1供氣系統、2高度控制單元、3空氣彈簧系統、4基體、5差動電磁作動器、6速度傳感器、7力傳感器、8位移傳感器、9功率放大器、10模/數轉換器(A/D)、11數/模轉換器(D/A)、12控制器。供氣系統1供氣端與高度控制系統2輸入端相連，高度控制系統2輸出端與每個空氣彈簧3進氣孔相連，空氣彈簧3和電磁作動器5並行安裝在基體4的下方，位移傳感器8和速度傳感器6安裝在基體4之上，力傳感器7兩安裝端分別安裝在電磁作動器5與基體4上，力傳感器7和位移傳感器8的信號輸出端都連接到高度控制系統2的信號接受端，速度傳感器6的信號輸出端與模/數轉換器11輸入端相連，模/數轉換器11的輸出端與控制器12輸入端相連，控制器12輸入端與數/模轉換器10輸入端相連，數/模轉換器10輸出端與功率放大器9輸入端相連，功率放大器9輸入端與電磁作動器5信號接受端相連。
圖2是本發明裝置的結構示意圖，空氣彈簧系統3與差動電磁作動器5並行布置以支撐基體4，所述的電磁作動器5由兩個電磁鐵13a、13b，兩電磁鐵支架14a、14b，銜鐵15和銜鐵支架16組成，連接方式如圖4所示。差動電磁作動器的具體安裝形式如圖5所示，電磁鐵支架14a安裝在地面或者與地面固定的物體上，銜鐵支架16安裝在基體4或者與基體4固定的物體上。在這種安裝形式下，地面與基體之間的作用就轉換為電磁鐵與銜鐵之間的相互作用，通過控制該作用力可為系統提供所需的主動控制力。
圖3是本發明中高度控制系統的原理示意圖，由高度控制器17和三位電磁閥18組成。高度控制器17根據安裝在基體4上的位移傳感器8反饋的高度信號控制三位電磁閥18使得空氣彈簧系統3與供氣系統1直接相連，實現對空氣彈簧的充氣動作，並將基體4調節到工作高度附近；對電磁鐵中通入基電流I0，利用力傳感器7測量差動電磁作動器對銜鐵15的作用力，每隔一段時間對測量信號作平均，如果平均值不為零則對空氣彈簧3進行充氣或者排氣，直至平均值為零。這時基體4的工作原點和差動電磁作動器5輸出力零點相重合，至此完成了高度調整工作。
單個電磁鐵對銜鐵作用力可以表示為，F=ki2c2]]>其中F為作用力，k為與電磁鐵結構相關的係數，i為線圈中電流，c為電磁鐵和銜鐵之間的間隙。顯然力與電流和間隙的關係為二次方關係(關係曲線見圖6所示)，難於精確控制。
為此本發明採用如圖4所示的差動布置方式，當銜鐵15位於兩電磁鐵13a、13b中心位置，則作動器對銜鐵15的作用力為零。如果此時地面和基體4發生一個相對位移y，且希望作動器輸出一個與基體4速度Vb方向相反的力，那麼差動布置的電磁鐵13a、13b對銜鐵15的作用力可以表示為，F=k[(I0+Id)2(c+y)2-(I0-Id)2(c-y)2]]]>對上式在y＝0出作Taylor展開並略去高階無窮小量有，F＝kii-kyy其中ki＝4kI0/c2，ky=-4I02/c3.]]>由此可知，本發明的電磁作動器輸出力是相對位移和偏置電流線性組合。
首先分析相對位移分量由隨機振動相關理論可知，基體4將以其工作原點為中心作隨機振動，基體4工作高度在一段時間內的平均值將趨近於基體工作原點處的高度值。當基體4工作原點和差動電磁作動器5輸出力零點不重合時電磁作動器輸出力和相對位移的關係如圖8(a)所示，重合時電磁作動器輸出力和相對位移的關係如圖8(b)所示，顯然圖8(b)與普通被動彈簧輸出力與相對位移的關係相吻合，但差動電磁作動器5體現的是負剛度。而本發明在隔振基礎工作伊始，通過調整基體的工作高度使得基體的工作原點與電磁作動器出力零點相重合，由此可知，本發明的差動電磁作動器5可為隔振系統提供一個負剛度KN，在電磁鐵選定情況下負剛度KN與基電流I0成正比。其次分析偏置電流分量，當控制偏置電流分量使其正比與基體4的絕對速度Vb時，相當於為系統提供一個可控主動阻尼力Fc，主動阻尼係數為kii/Vb，電流和可控主動阻尼力的關係如圖7所示圖9是負剛度施加前後隔振系統傳遞率對比曲線，其中虛線是沒有施加負剛度時系統傳遞率曲線，實線是施加負剛度後系統傳遞率曲線，由圖可見為隔振系統提供負剛度可拓寬系統超低頻隔振範圍。圖10是主動阻尼力施加前後隔振系統傳遞率對比曲線，其中虛線是沒有施加主動阻尼力時系統傳遞率曲線，實線是施加主動阻尼力後系統傳遞率曲線，由圖可見為隔振系統提供主動阻尼力可在保持中、高頻隔振性能的同時，大幅把改善系統在諧振區隔振性能。附圖11是本發明的差動電磁作動器5工作前後隔振系統傳遞率對比曲線，其中虛線是差動電磁作動器工作前系統傳遞率曲線，實線是差動電磁作動器5工作後系統傳遞率曲線，由圖可見本發明的差動電磁作動器5不僅可以拓寬隔振系統的超低頻隔振性能，而且可以在不改變系統其他頻段的隔振性能基礎上大幅提升系統在諧振區隔振性能。
本發明採用空氣彈簧3和差動電磁作動器5並聯支撐基體4，空氣彈簧3可以保證系統具有強的承載能力和優良的中、高頻隔振性能，差動電磁作動器5可以保證系統具有優良的低頻、超低頻隔振性能而不改變系統的其他頻段的隔振性能。兩者結合可以使得隔振系統具有強的承載能力和優良的全頻段隔振性能。因此本發明可以應用於超精密加工與測量、光學加工與裝配、高精度慣性器件加工與設備裝配、超大規模集成電路的製造及微納米加工測量等對隔振基礎承載能力和超低頻隔振性能有很高要求的技術領域。
以上結合附圖對本發明的具體實施方式
做了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發明的範圍，本發明的保護範圍由隨附的權利要求書限定，任何在本發明權利要求書基礎上進行的改動都是本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振方法，其特徵是該方法包括以下步驟(1)根據空氣彈簧隔振系統固有剛度Ks和欲達到的系統固有頻率ω確定所需的負剛度KN，然後由KN計算電磁作動器中的基電流I0。(2)調整空氣彈簧隔振系統至工作高度附近並在差動電磁作動器中通入基電流I0，每隔一個時間段□t對安裝在差動電磁作動器銜鐵上力傳感器的反饋信號作平均，高度控制系統依據此平均值對空氣彈簧的工作高度作一次微調，直至平均值為零，完成高度調整工作。(3)根據空氣彈簧隔振系統基體運動速度Vb，控制差動電磁作動器的偏置電流Id，使作動器為隔振系統提供一個正比於速度Vb的主動阻尼力Fc。主動阻尼力Fc結合負剛度KN可使隔振基礎獲得優良的超低頻隔振性能。
2.根據權利要求1所述的基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振方法，其特徵是所述的電磁作動器中的基電流I0由系統所需的負剛度確定KN。
3.根據權利要求1或2所述的一種基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振方法，其特徵是所述的電磁作動器中差動布置的兩個電磁鐵中偏置電流Id方向相反，產生阻尼力Fc的方向與基體速度Vb方向相反。
4.根據權利要求1所述的基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振方法，其特徵是所述的電磁作動器提供的阻尼力Fc只受偏置電流Id控制，與基體(4)運動速度Vb成正比，不受基體(4)位移變化的影響，電磁作動器偏置電流Id與阻尼力Fc為線性關係。
5.一種基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振裝置，其組成包括供氣系統(1)、高度控制系統(2)、一組空氣彈簧(3)、基體(4)、既為系統提供負剛度，又為系統提供可控阻尼力的電磁作動器(5)、速度傳感器(6)、力傳感器(7)、位移傳感器(8)、功率放大器(9)、模/數轉換器(10)、數/模轉換器(11)、控制器(12)，所述的供氣系統(1)供氣端與所述的高度控制系統(2)輸入端相連，所述的高度控制系統(2)輸出端與每個所述的空氣彈簧(3)進氣孔相連，所述的空氣彈簧(3)和所述的電磁作動器(5)並行安裝在所述的基體(4)的下方，所述的位移傳感器(8)和所述的速度傳感器(6)安裝在所述的基體(4)之上，所述的力傳感器(7)兩安裝端分別安裝在所述的電磁作動器(5)與所述的基體(4)上，所述的力傳感器(7)和所述的位移傳感器(8)的信號輸出端都連接到所述的高度控制系統(2)的信號接受端，所述的速度傳感器(6)的信號輸出端與所述的模/數轉換器(11)輸入端相連，所述的模/數轉換器(11)的輸出端與所述的控制器(12)輸入端相連，所述的控制器(12)輸入端與所述的數/模轉換器(10)輸入端相連，所述的數/模轉換器(10)輸出端與所述的功率放大器(9)輸入端相連，所述的功率放大器(9)輸入端與所述的電磁作動器(5)信號接受端相連。
6.根據權利要求5所述的基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振裝置，其特徵是所述的高度控制系統(2)由高度控制器(17)，三位電磁閥(18)組成，高度控制器(17)輸入端與供氣系統(1)相連，信號接受端分別與位移傳感器(8)和力傳感器(7)相連，輸出端與三位電磁閥(18)輸入端相連，三位電磁閥(18)輸出端與空氣彈簧相連，高度控制系統依據位移傳感器(8)反饋信號作粗調，依據力傳感器(7)反饋信號作微調。
7.根據權利要求5或6所述的基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振裝置，其特徵是所述的電磁作動器(5)由一對電磁鐵(13a，13b)、電磁鐵支架(14a，14b)、銜鐵(15)、銜鐵支架(16)組成，兩電磁鐵(13a，13b)差動布置在所述的電磁鐵支架(14a，14b)上，所述的銜鐵(15)安裝在所述的銜鐵支架(16)上並位於兩電磁鐵(13a，13b)之間，和兩電磁鐵(13a，13b)留有相同的間隙。
8.根據權利要求5或6所述的基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振裝置，其特徵是所述的電磁作動器(5)中一對電磁鐵(13a，13b)差動布置，通入基電流I0以後，兩電磁鐵(13a，13b)相對面為同極性。
9.根據權利要求7所述的基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振裝置，其特徵是所述的銜鐵支架(16)安裝於所述的基體(4)，或者與所述的基體固定的物體上，所述的電磁鐵支架(14a)安裝到地面或者與地面固定的物體上。
全文摘要
基於差動電磁作動器的空氣彈簧超低頻隔振方法與裝置，本發明屬於超低頻隔振領域，空氣彈簧隔振基礎因空氣彈簧橫、縱向剛度相互耦合導致橫、縱向超低頻隔振性能無法兼顧。本發明產品包括供氣系統(1)、高度控制系統(2)、一組空氣彈簧(3)、基體(4)、既為系統提供負剛度，又為系統提供可控阻尼力的電磁作動器(5)、速度傳感器(6)、力傳感器(7)、位移傳感器(8)、功率放大器(9)、模/數轉換器(10)、數/模轉換器(11)、控制器(12)。本發明利用分別固定與基體和地面上的差動布置電磁鐵與銜鐵之間的相互作用，為系統提供負剛度和可控主動阻尼力，用於橫、縱向超低頻隔振性能要求高的場合。
文檔編號F16F15/02GK101067433SQ200610150810
公開日2007年11月7日 申請日期2006年9月26日 優先權日2006年9月26日
發明者譚久彬, 劉彥, 王雷, 姚紹明, 楊文國, 魯雲峰, 曹剛 申請人:哈爾濱工業大學