[发明专利]一类基于零刚度系统的六自由度超低频隔振装置及其控制系统

摘要

一类基于零刚度系统的六自由度超低频隔振装置及控制系统，涉及多自由度低频、超低频、乃至低至零频的振动隔离以及微振动模拟实验等领域。隔振装置由支撑平台、基础平台及隔振模块连接而成；隔振模块包括上连杆、下连杆、柱形壳体以及竖直弹簧、水平弹簧及弹簧间连接组件；上连杆的上端连接支撑平台，上连杆的下端穿过柱形壳体的上端盖与弹簧间连接组件连接，下连杆的上端与柱形壳体的下端盖固接，下连杆的下端与基础平台连接；隔振模块满足零刚度特征，结合重力环境自适应控制系统使得被隔对象处于悬浮状态。实现低频、超低频、乃至低至零频的全频段振动免疫隔振性能，解决了多自由度超低频振动、振动共振以及非线性动力学多耦合技术难题。

主权项

1.一类基于零刚度系统的六自由度超低频隔振装置，所述零刚度系统是指不具备抵抗弹性变形的能力，具有连续平衡、恒定势能以及中性稳定的系统，其动力学方程可表示为其中X是系统的位移向量，ε是加速度向量；零刚度系统具有零固有频率的特征，能够实现低频、超低频、乃至低至零频的全频段振动免疫隔振性能；所述基于零刚度系统的六自由度超低频隔振装置的构型是由支撑平台、基础平台及位于二者间的至少三个隔振模块连接而成，每个隔振模块设计满足零刚度系统的条件；每个隔振模块包括上连杆、下连杆、柱形壳体以及位于柱形壳体内的竖直弹簧、水平弹簧及弹簧间连接组件；上连杆、下连杆同轴且与柱形壳体中轴线重合；上连杆的上端连接支撑平台，上连杆的下端穿过柱形壳体的上端盖与弹簧间连接组件连接，下连杆的上端与柱形壳体的下端盖固接，下连杆的下端与基础平台连接；竖直弹簧、水平弹簧及弹簧间连接组件的配置提供与被隔对象重力大小相等、方向相反的支撑力，以实现在预设范围内作用在被隔对象的合力为零，进而使得被隔对象处于“悬浮”状态；其特征在于：所述隔振装置包含通过六个零刚度隔振模块连接的支撑平台和基础平台，支撑平台的坐标系为T‑xyz，基础平台的坐标系为B‑XYZ，支撑平台的坐标系和基础平台的坐标系的坐标均在对应平台的圆心处；两个平台间距为H，支撑平台位置向量为P＝[P_x,P_y,P_z]^T，支撑平台转动矩阵为R＝R_y(β)R_x(α)R_z(γ)；α、β、γ分别表示支撑平台相对于对应坐标轴的转动角度；零刚度隔振模块原长为h，坐标系为s_i‑q_i，i＝1,2···,6表示六个零刚度隔振模块；q_i是沿竖直弹簧方向的坐标轴，s_i是沿水平弹簧的坐标轴；所述隔振装置的质量矩阵及动能表达式为：当支撑平台上放置的被隔对象处于平衡位置时，设各隔振模块的水平弹簧刚度为k_h，竖直弹簧刚度为k_v，竖直弹簧的预压缩量为δ_i，被隔对象的总质量为m，I_x、I_y、I_z为被隔对象相对于基础平台的转动惯量，I_z＝2I₀，r_T为支撑平台半径；隔振装置的质量矩阵为：其中，M₄₄＝I_xcos²γ+I_ysin²γ，M₅₅＝cos²α(I_xsin²γ+I_ycos²γ)+I_zsin²α，M₆₆＝I_z，M₄₅＝(I_x‑I_y)cosαcosγsinγ，M₅₆＝‑I_zsinα；隔振装置的动能表达式为：根据虚功原理，所述隔振装置的第i个隔振模块做功为其中，c_xi、c_yi、c_zi、c_αi、c_βi、c_γi为第i个隔振模块在x、y、z、α、β、γ六个方向的阻尼系数，“^”表示支撑平台与基础平台的位移相对变化量；δ表示变量的增量；当满足零刚度条件时，第i个隔振模块承担的力为：J_i(δ_i)＝k_vδ_i‑F₂＝ε_i，ε_i≥0，F₂表示每个隔振模块所承担的被隔对象总重力的分力；支撑平台所受重力与系统给其提供的支持力恰好互相抵消或差值为微小量；根据Hamilton原理，则基于零刚度特性的六自由度隔振装置的动力学方程为：c_x、c_y、c_z、c_α、c_β、c_γ为隔振装置在x、y、z、α、β、γ六个方向的阻尼系数；上述六个公式体现所述隔振装置具有多维低频、超低频、乃至低至零频的全频段振动免疫隔振性能。