本发明属于机械动力学技术领域，更具体地，涉及一种基于压电陶瓷的主被动减振装置及六自由度减振系统。
背景技术：
随着微电子、航空航天等领域的快速发展，极大规模集成电路、超精密数控机床等对超精密检测与加工的要求越来越高，并且减振系统是其中很重要的一部分。
减振系统主要分为主动减振和被动减振，传统的减振器像摩擦阻尼装置、弹簧阻尼装置等多数为被动减振装置，虽然阻尼力较大，承载能力强，但不具有实时可控性，响应速度慢。在减振单元整体结构上，大多数采用被动减振元件与主动减振单元以一定的方式组合，如空气弹簧与音圈电机主被动混合并联，膜片弹簧与音圈电机的主被动混合串联等都能提高减振效果。
空气弹簧需要额外的气源，音圈电机耗能较大，另外传统的微位移致动器大多数采用直线运动转换机构，其精度相对较低，一般只能达到微米级，而压电陶瓷致动器具有体积小、推力大、位移分辨率高、频率响应快等优点，压电陶瓷主动减振控制其原理是通过电极连接压电陶瓷，当产生振动时，传感器将振动信号转化为电压信号，电压信号通过控制器产生控制信号，控制信号再经驱动器作用于压电陶瓷致动器，利用逆压电效应将电能转换为机械能，从而产生高分辨率的微小位移。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于压电陶瓷的主被动减振装置及六自由度减振系统，其目的在于通过速度传感器、压电陶瓷致动器以及位移放大机构所构成的主动控制系统与被动减振机构的被动减振系统复合，使该装置能够有效抑制低频共振，隔离低频振动，并且具有良好的高频减振效果。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于压电陶瓷的主被动减振装置，该装置包括负载连接器、被动减振机构、中间质量块、速度传感器、主动减振机构、基础平台和控制器；
所述被动减振机构的一端连接所述负载连接器，其另一端连接于所述中间质量块；所述速度传感器嵌于所述中间质量块内；
所述主动减振机构包括压电陶瓷致动器和位移放大机构，所述压电陶瓷致动器与所述位移放大机构均设置于所述基础平台的腔体内并接触设置；所述位移放大机构的上部连接于所述中间质量块；
所述速度传感器用于采集所述中间质量块沿所述负载连接器轴向的运动速度并将速度信号反馈至所述控制器；所述控制器用于根据所述速度信号计算出施以所述压电陶瓷致动器的电压信号以使所述压电陶瓷致动器产生沿所述负载连接器水平方向的形变；所述位移放大机构用于将所述压电陶瓷致动器水平方向的形变位移转换成其沿所述负载连接器轴向的位移，从而驱动所述中间质量块移动，进而实现减振。
优选地，所述位移放大机构包括第一楔形块、橡胶垫和第二楔形块；所述第一楔形块的垂直面抵于所述压电陶瓷致动器，其楔形面固定设有所述橡胶垫；所述第二楔形块的楔形面与所述橡胶垫接触，其垂直面抵于所述基础平台的内壁面，且所述第二楔形块的顶部与所述中间质量块相连；
所述第一楔形块在所述压电陶瓷致动器的驱动下沿所述基础平台底面水平运动，且所述橡胶垫与所述第二楔形块的楔形面之间产生相对摩擦力与支持力；所述第二楔形块在合力作用下沿所述基础平台内壁面垂直移动，以将所述压电陶瓷致动器沿水平方向的形变位移转换为所述中间质量块沿所述负载连接器沿轴向的垂直位移。
优选地，所述基础平台的底部设有垂直限位件，所述第二楔形块设有与所述限位件相匹配的槽；所述限位件用于使所述第二楔形块沿所述负载连接器的轴向移动。
优选地，所述限位件为圆柱形限位件，所述槽为圆柱形槽。
优选地，所述第二楔形块与所述中间质量块之间还设有金属垫片和橡胶垫片，用以使所述第二楔形块与所述中间质量块完全贴合。
优选地，所述第一楔形块的楔形角θ取值范围为0°～84.29°。
优选地，所述被动减振机构为橡胶块。
按照本发明的另一方面，提供了一种六自由度减振系统，包括如上文所述的基于压电陶瓷的主被动减振装置；
还包括负载平台，所述主被动减振装置设有六个，分别安装于所述负载平台上。
优选地，以所述负载平台的中心为原点，所述六个主被动减振装置分别设置于所述负载平台的侧面和底面上。
优选地，所述六个主被动减振装置分别为第一减振单元、第二减振单元、第三减振单元、第四减振单元、第五减振单元和第六减振单元；
所述第一减振单元安装于所述负载平台的侧面并位于x轴正半轴上；
所述第二减振单元安装于所述负载平台的侧面并位于y轴负半轴上；
所述第三减振单元安装于所述负载平台的侧面并位于x轴负半轴与y轴正半轴所构成的区域内；
所述第四减振单元、所述第五减振单元、所述第六减振单元分别安装于所述负载平台的底面上，且所述第四减振单元、第五减振单元分别位于y轴两侧并且其连线与x轴的连线平行，所述第六减振单元位于y轴正半轴上。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提出的基于压电陶瓷的主被动减振装置通过速度传感器、压电陶瓷致动器以及位移放大机构所构成的主动控制系统与被动减振机构的被动减振系统复合，使该装置能够有效抑制低频共振，隔离低频振动，并且具有良好的高频减振效果。
2、本发明提出的基于压电陶瓷的主被动减振装置通过速度传感器采样中间质量块的振动速度，加入速度反馈控制，使压电陶瓷致动器出力与中间质量块绝对速度大小成正比，方向相反，从而增加了系统的绝对阻尼，具有抑制共振峰并且能够保持良好的高频隔振性能的特点。
3、本发明提出的基于压电陶瓷的主被动减振装置中，楔形位移放大机构采用楔形块将水平位移转换成垂向位移并进行一定比例的位移放大，用来弥补行程不足的缺点。
4、本发明提出的基于压电陶瓷的主被动减振装置中被动减振机构采用圆柱形橡胶，可降低装置刚度，从而降低装置固有频率，使被动隔振带宽增加。
5、本发明提出的六自由度减振系统，通过配置六个减振单元在负载平台上，且每个减振单元具有一个自由度的减振效果，可以实现六自由度方向上的减振。
附图说明
图1是本发明基于压电陶瓷的主被动减振装置的结构示意图；
图2是本发明基于压电陶瓷的主被动减振装置中位移放大机构的结构示意图；
图3是本发明基于压电陶瓷的主被动减振装置中第一楔形块的受力与位移分析示意图；
图4是本发明基于压电陶瓷的主被动减振装置中第二楔形块的受力与位移分析示意图
图5是本发明基于压电陶瓷的主被动减振装置主被动减振示意图；
图6是本发明基于压电陶瓷的主被动减振装置中被动减振与主被动减振传递率对比图；
图7是本发明的六自由度减振系统的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为基础平台；2为压电陶瓷致动器；3-1为第一楔形块；；3-2为橡胶垫；3-3为第二楔形块；4-1为金属垫片；4-2为橡胶垫片；5为中间质量块；6为速度传感器；7为被动减振机构；8为负载连接器；1a为第一减振单元；2b为第二减振单元；3c为第三减振单元；4d为第四减振单元；5e为第五减振单元；6f为第六减振单元；7g为负载平台。
具体实施方式
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提出一种基于压电陶瓷的主被动减振装置，包括负载连接器8、被动减振机构7、中间质量块5、速度传感器6、主动减振机构、基础平台1和控制器，其中所述主动减振机构包括压电陶瓷致动器2和位移放大机构。
具体的，本发明中所述负载连接器8用于连接负载，所述被动减振机构7的一端连接所述负载连接器8，其另一端连接中间质量块5。作为本发明的优选实施例，所述被动减振机构7为橡胶块，橡胶块结构简单，可降低装置刚度，使被动隔振带宽增加。
本发明中所述速度传感器6为绝对速度传感器，用于采集所述中间质量块5的绝对速度。
所述压电陶瓷致动器2与所述位移放大机构均安装于所述基础平台1的腔体内并接触设置，所述位移放大机构的上部连接于所述中间质量块5。所述压电陶瓷致动器2为主动减振机构提供输出力，所述位移放大机构可为压电陶瓷致动器2的行程提供增益，进行放大。所述速度传感器6采样中间质量块5的速度，通过控制器后由驱动器输出一定的电压来驱动压电陶瓷致动器2，可进行输出力位移补偿。
更进一步的说明，如图1所示，所述压电陶瓷致动器2水平放置，并且只能承受轴向力，并进行轴向的微位移动作。所述位移放大机构包括第一楔形块3-1、橡胶垫3-2和第二楔形块3-2，所述压电陶瓷致动器2伸长可推动第一楔形块3-1，橡胶垫3-2贴合在所述第一楔形块3-1上，所述第二楔形块3-3嵌在所述基础平台1内，所述第一楔形块3-1推动所述第二楔形块3-3，使水平位移转换成垂向位移，并且使位移进行放大，在所述第二楔形块3-3和所述中间质量块5之间还设有金属垫片4-1、橡胶垫片4-2，所述金属垫片4-1、橡胶垫片4-2使所述第二楔形块3-3与中间质量块5更好地贴合。作为本发明的优选实施例，所述被动减振机构7为橡胶块，可以减小系统的刚度，负载连接器8与负载相连接。
请参阅图2，所述位移放大机构主要包括第一楔形块3-1和第二楔形块3-3，所述压电陶瓷致动器2受电压控制可输出一定大小的力，并产生微位移，通过所述第一楔形块3-1传递到所述第二楔形块3-3，使得所述第二楔形块3-3输出相应大小的力，并产生放大一定比例的微小位移。
本发明的实施例中，当压电陶瓷致动器2出力并产生微小位移x时，所述第一楔形块3-1通过接触面作用到第二楔形块3-3上，此时第二楔形块3-3的垂向位移为y＝xtanθ。如图3所示，对位移放大机构进行整体受力分析，其中第一楔形块与基础平台的接触面的摩擦因数为μ1，第一楔形块斜面上垫有橡胶垫，该橡胶垫与第二楔形块的接触斜面之间的摩擦因数为μ2。
对该楔形块整体进行受力分析：
水平方向：f＝f支 f1(1)
垂直方向：fn＝(m m)g f出(2)
如图4所示，分别对第一楔形块和第二楔形块进行受力分析，当压电陶瓷致动器具有微小位移时，推动第一楔形块和第二楔形块移动，接触面的摩擦为滑动摩擦。
第一楔形块受力分析：
水平方向：f2cosθ f1sinθ f1＝f(3)
垂直方向：f2sinθ f2＝mg f1cosθ(4)
第二楔形块受力分析：
水平方向：f2cosθ f1sinθ＝f支(5)
垂直方向：(f出 mg) f2sinθ＝f1cosθ(6)
联立上述关系式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)可得
当θ的大小取值到自锁角时，无论推力f多大都不会使楔形块移动，此时应满足如下关系式：
f1cosθ<mg f2sinθ(8)
进而可得：
此时θ只需满足：
优选地，取μ1＝0.4，μ2＝0.1，可求得84.29°<θ<90°时自锁，实际使用时，不能自锁，所以θ应取0°<θ<84.29°。
作为本发明的优选实施例，取θ＝73°。此时，y＝3.27x,水平方向的微位移放大3.27倍转化成垂向位移。并且负载连接器向上的最大出力为
f出＝0.18(f-0.4mg)-mg
请参阅图5，图5为本发明基于压电陶瓷的主被动减振装置主被动减振示意图，通过传统的被动减振加上主动执行器及内部反馈回路实现，内部反馈回路的实现是将速度传感器6安装在中间质量块5上测量其运动速度，然后输入给控制器进行主动控制运算，最后控制以及驱动压电陶瓷致动器2的输出。
对单自由度主动减振单元整体结构进行建模，ml为负载的等效质量，kl为负载连接器与中间质量块的等效刚度，cl为负载连接器与中间质量块的等效阻尼，其中主要包括橡胶块。mi为中间质量块的质量，ka为基础平台到中间质量块的等效刚度，其等效阻尼相比较小，可忽略不计。xb为基础平台的振动位移量，xi为中间质量块的振动位移量，xl为负载连接器的振动位移量。f为本发明的主动控制压电陶瓷致动器的输出力，
当不加主动控制时其简易动力学公式：
传递函数公式：
当加上主动控制时其简易动力学公式：
传递函数公式：
请参阅图6，图6为本发明基于压电陶瓷的主被动减振装置中被动减振与主动减振传递率对比图。由于压电陶瓷致动器的作用，使装置的绝对阻尼增加。绝对速度反馈能够抑制共振峰，并且高频隔振效果也较好。
由于本发明提出的基于压电陶瓷的主被动减振装置仅能实现一个自由度上的减振，本发明的实施例中将六个所述减振装置组合建立一个六自由度减振系统，实现对负载平台的六自由度减振。
请参阅图7，本发明的实施例提出一种六自由度减振系统，取负载平台7g中心为原点，xyz的方向定义为如图7所示坐标系方向。六个减振装置分别布置在负载平台7g的侧面和底面上。其中第一减振单元1a布置在侧面并落在x正半轴上，第二减振单元2b布置在侧面并落在y负半轴上，第三减振单元3c布置在侧面上并且位于x轴负半轴与y轴正半轴所构成的区域内，第四减振单元4d、第五减振单元5e、第六减振单元6f布置在负载平台7g的下平面上，并且三个位置连线形成一个三角形，第四减振单元4d、第五减振单元5e分别布置在y轴两侧，并且其连线与x轴的连线平行，第六减振单元6f落在y轴正半轴上。本发明的六自由度减振系统实现的六个方向上的减振为：
x轴方向的平动：六自由度减振系统在第一个方向上的振动，由第一减振单元1a作用进行主动减振控制。
y轴方向的平动：六自由度减振系统在第二个方向上的振动，由第二减振单元2b作用进行主动减振控制。
z轴方向的平动：六自由度减振系统在第三个方向上的振动，由第四减振单元4d、第五减振单元5e、第六减振单元6f共同作用，并且动作相同(微位移相同)，可实现z轴方向上的主动减振控制。
绕x轴方向的转动：六自由度减振系统在第四个方向上的振动，由第四减振单元4d、第五减振单元5e、第六减振单元6f共同作用，其中第四减振单元4d、第五减振单元5e(微位移相同)，且与第六减振单元6f的动作不同时，可产生一定大小的力矩，可实现绕x轴方向的主动减振控制。
绕y轴方向的转动：六自由度减振系统在第五个方向上的振动，由第四减振单元4d、第五减振单元5e共同作用，其中第四减振单元4d、第五减振单元5e动作不相同(微位移不相同)，可产生一定大小的力矩，可实现绕y轴方向的主动减振控制。
绕z轴方向的转动：六自由度减振系统在第六个方向上的振动，由第三减振单元3c作用，可产生一定大小的力矩，可实现绕z轴方向的主动减振控制。
本领域的技术人员容易理解，以上所述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。
1.一种基于压电陶瓷的主被动减振装置，其特征在于，该装置包括负载连接器(8)、被动减振机构(7)、中间质量块(5)、速度传感器(6)、主动减振机构、基础平台(1)和控制器；
所述被动减振机构(7)的一端连接所述负载连接器(8)，其另一端连接于所述中间质量块(5)；所述速度传感器(6)嵌于所述中间质量块(5)内；
所述主动减振机构包括压电陶瓷致动器(2)和位移放大机构，所述压电陶瓷致动器(2)与所述位移放大机构均设置于所述基础平台(1)的腔体内并接触设置；所述位移放大机构的上部连接于所述中间质量块(5)；
所述速度传感器(6)用于采集所述中间质量块(5)沿所述负载连接器(8)轴向的运动速度并将速度信号反馈至所述控制器；所述控制器用于根据所述速度信号计算出施以所述压电陶瓷致动器(2)的电压信号以使所述压电陶瓷致动器(2)产生沿所述负载连接器(8)水平方向的形变；所述位移放大机构用于将所述压电陶瓷致动器(2)水平方向的形变位移转换成其沿所述负载连接器(8)轴向的位移，从而驱动所述中间质量块移动，进而实现减振。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的主被动减振装置，其特征在于，所述位移放大机构包括第一楔形块(3-1)、橡胶垫(3-2)和第二楔形块(3-3)；所述第一楔形块(3-1)的垂直面抵于所述压电陶瓷致动器(2)，其楔形面固定设有所述橡胶垫(3-2)；所述第二楔形块(3-3)的楔形面与所述橡胶垫(3-2)接触，其垂直面抵于所述基础平台(1)的内壁面，且所述第二楔形块(3-3)的顶部与所述中间质量块(5)相连；
所述第一楔形块(3-1)在所述压电陶瓷致动器(2)的驱动下沿所述基础平台(1)底面水平运动，且所述橡胶垫(3-2)与所述第二楔形块(3-3)的楔形面之间产生相对摩擦力与支持力；所述第二楔形块(3-3)在合力作用下沿所述基础平台(1)内壁面垂直移动，以将所述压电陶瓷致动器(2)沿水平方向的形变位移转换为所述中间质量块(5)沿所述负载连接器(8)沿轴向的垂直位移。
3.根据权利要求2所述的一种基于压电陶瓷的主被动减振装置，其特征在于，所述基础平台(1)的底部设有垂直限位件，所述第二楔形块(3-3)设有与所述限位件相匹配的槽；所述限位件用于使所述第二楔形块(3-3)沿所述负载连接器(8)的轴向移动。
4.根据权利要求3所述的一种基于压电陶瓷的主被动减振装置，其特征在于，所述限位件为圆柱形限位件，所述槽为圆柱形槽。
5.根据权利要求2或4所述的一种基于压电陶瓷的主被动减振装置，其特征在于，所述第二楔形块(3-3)与所述中间质量块(5)之间还设有金属垫片(4-1)和橡胶垫片(4-2)，用以使所述第二楔形块(3-3)与所述中间质量块(5)完全贴合。
6.根据权利要求2所述的一种基于压电陶瓷的主被动减振装置，其特征在于，所述第一楔形块(3-1)的楔形角θ取值范围为0°～84.29°。
7.根据权利要求2所述的一种基于压电陶瓷的主被动减振装置，其特征在于，所述被动减振机构(7)为橡胶块。
8.一种六自由度减振系统，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的基于压电陶瓷的主被动减振装置；
还包括负载平台，所述主被动减振装置设有六个，分别安装于所述负载平台上。
9.根据权利要求8所述的一种六自由度减振系统，其特征在于，以所述负载平台的中心为原点，所述六个主被动减振装置分别设置于所述负载平台的侧面和底面上。
10.根据权利要求9所述的一种六自由度减振系统，其特征在于，所述六个主被动减振装置分别为第一减振单元、第二减振单元、第三减振单元、第四减振单元、第五减振单元和第六减振单元；
所述第一减振单元安装于所述负载平台的侧面并位于x轴正半轴上；
所述第二减振单元安装于所述负载平台的侧面并位于y轴负半轴上；
所述第三减振单元安装于所述负载平台的侧面并位于x轴负半轴与y轴正半轴所构成的区域内；
所述第四减振单元、所述第五减振单元、所述第六减振单元分别安装于所述负载平台的底面上，且所述第四减振单元、第五减振单元分别位于y轴两侧并且其连线与x轴的连线平行，所述第六减振单元位于y轴正半轴上。
技术总结