一種適用于低頻振動的三維隔振裝置制造方法

一種適用于低頻振動的三維隔振裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型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，構成了水平面的低頻隔振系統；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，構成了Z方向的低頻隔振系統；把兩個系統結合起來形成了三維低頻隔振系統。本實用新型使用永久磁鐵、彈簧作為負剛度或正剛度元件，實現更低頻率的隔振；實現了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，并且可調整靜平衡位置，以保證振動發生在零剛度附近。
【專利說明】-種適用于低頻振動的三維隔振裝置

【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及的是一種隔振裝置。

【背景技術】
[0002] 隨著工業化的不斷發展，人們對振動隔離的要求越來越高，例如精密測量和加工 領域對環境的安靜性要求越來越嚴格。機械設備內部和外部的振動干擾都是降低加工精度 和表面質量的重要因素。傳統的被動隔振系統對外界的干擾頻率大于振動系統的固有頻率 的萬倍起減振作用，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 精密加工設備產生不良影響的振動頻率是在0. 5-70Hz范圍內，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定性，又需 要較大的靜態剛度。因此傳統的被動隔振技術始終存在著動態剛度和靜態變形間權衡的問 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如主動控制雖然能夠滿足上 述要求，但是結構復雜，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，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。但是該方法存在的問題有：1、橡膠片長期被拉 伸容易發生老化斷裂；2、結構的靜平衡位置不能夠調整，不能確保振動發生在平衡位置附 近；3、堅直方向上采用磁鐵作為正剛度系統，靜態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，容易發生較大變形。


【發明內容】

[0004] 本實用新型的目的在于提供可以滿足三維空間上高靜態低動態剛度的要求，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] 本實用新型的目的是這樣實現的：
[0006] 本實用新型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 傳動齒輪里安裝調整手柄，傳動齒輪和調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形結構，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] 本實用新型還可以包括：
[0008] 1、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方向調整螺釘，支撐 軸上套有X方向調整塊，X方向調整塊與支撐軸上的X向彈簧相連，X方向調整螺釘與X方 向調整塊配合從而調整滑動塊的X向位置。
[0009] 2、ΧΥ面解耦支架中空部分的第二對對立面的第一面里側設置滑動槽，控制塊設置 在滑動槽里，ΧΥ面解耦支架上安裝Υ向調整螺釘，Υ向調整螺釘通過螺紋與ΧΥ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壁上設置開口，開口處安裝擋片。
[0011] 本實用新型的優勢在于：本實用新型與現有的三維隔振器相比，結構上采用永久 磁鐵、彈簧作為負剛度或正剛度元件，實現更低頻率的隔振，避免橡膠片在使用過程中發生 老化斷裂的現象；采用自主設計的三維位移解耦裝置，實現了 X，Υ，Ζ方向的位移解耦，防止 三維運動形式使彈簧產生耦合作用，沖分利用了靜態時彈簧正剛度的承載能力和動態時系 統正負剛度相互抵消的作用，在Ζ方向和ΧΥ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；本結構在水平方向上采用螺栓和螺母的，堅直方向上采用 齒輪傳動的方式可以實現調整靜平衡位置，以保證高靜態低動態剛度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012] 圖1為本實用新型的俯視圖；
[0013] 圖2a為沿Α1-Α1截面（ΧΖ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為本實用新型的Z方向隔振主視圖，圖5b為為本實用新型的Z方向隔振俯 視圖。

【具體實施方式】
[0017] 下面結合附圖舉例對本實用新型做更詳細地描述：
[0018] 結合圖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方向的錯制固定 調整塊7a，X方向的鋁制移動調整塊7a，Y方向的鋁制調整塊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振動，如圖2中振動臺10的圓柱結構處于外殼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，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，通過旋轉可以實現 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] 本實用新型所述的小、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1并黏貼在一起。
[0020] 本實用新型所述的XY平面上二維隔振裝置的負剛度機構為永久磁鐵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實現靜平衡位置的調節。
[0021] 本實用新型所述的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,可以通過調整手柄19、推力軸承15、升降齒輪16、傳動齒輪18實現Z方向的靜平衡位置 調節。
[0022] 圖1，2為本實用新型提供的一種適用于低頻振動的三維隔振器的結構示意圖。鋁 制的隔振臺1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Υ方向運動，支撐軸承位于ΧΥ面解耦支架9的軸承槽里，可以沿槽在Υ方向滾動，從 而實現了隔振臺1在ΧΥ平面上的二維振動位移的解耦，避免了 X和Υ方向的彈簧8、23之 間的耦合，合力為減小隔振臺1振動的線性恢復力，把彈簧的剛度作為正剛度；在ΧΥ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產生的非線性吸引作用，作為負剛 度機構。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 方向的調整螺釘和螺帽6、20和調整塊7、21用于調節ΧΥ方向的靜平衡位置處于大圓形磁 鐵的中心。當隔振臺1的靜平衡位置偏離圓心時通過旋進或旋出螺釘，改變調整塊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，則需要打開外殼13上的調節窗口的擋片12,如圖2中擋片12所處的 位置，用扳手調節手柄19a，在調節手柄鍵19b的帶動下可以轉動，使傳動齒輪18轉動，帶動 升降齒輪16轉動，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 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。
[0023] 圖3為本實用新型的XY面上隔振機構的解耦示意圖。8個彈簧的剛度相同，當隔 振臺1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1上，若平衡位置不在圓心，則需要松開調節螺母， 先調節Υ方向的螺釘，旋動Υ方向上的調節螺釘使鋁制的隔振臺1逐漸靠近X軸，并處于X 軸上，然后從鋁制的解耦9支架側面中間位置的圓孔內沿X軸的正方向可以看到處于X軸 上的調整螺釘6,用螺絲刀從孔內插入，轉動螺釘6,可使隔振臺逐漸靠近并Υ軸并處于Υ軸 上，這樣隔振臺1就處于大圓形磁鐵的圓心，然后再擰緊調節螺母。
[0024] 圖4為ΧΥ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,其對位移導數的泰勒展開一次項系數為-2Q/(kd3)，其中 (；為磁鐵磁極強度常數，k為彈簧的剛度，d為中間磁鐵處于兩側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，使大磁鐵的內圈磁性與中間的小圓形磁鐵的外圈磁性相 同，可以實現同樣的作用，方便布置和安裝。
[0025] 圖5為本實用新型的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,用套筒扳手轉動 調整手柄19a，調節升降齒輪的高度，使斜彈簧11處于與XY平面平行的狀態，然后重新裝上 擋片12。
【權利要求】
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 安裝調整手柄，傳動齒輪和調整手柄之間通過鍵配合，傳動齒輪和升降齒輪相嚙合，ΧΥ面解 耦支架為中空的環形結構，ΧΥ面解耦支架固定在振動臺的上平面上，在ΧΥ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，滑動塊兩側的支撐軸上分別安裝X向彈簧，ΧΥ面解耦支架中空部 分的第二對對立面的第一面里側設置控制塊，支撐軸與控制塊間安裝第一 Υ向彈簧，支撐 軸與ΧΥ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Υ向彈簧，ΧΥ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. 根據權利要求1所述的一種適用于低頻振動的三維隔振裝置，其特征是：ΧΥ面解耦 支架中空部分的第一對對立面的一個面上安裝X方向調整螺釘，支撐軸上套有X方向調整 塊，X方向調整塊與支撐軸上的X向彈簧相連，X方向調整螺釘與X方向調整塊配合從而調 整滑動塊的X向位置。
3. 根據權利要求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設置滑動槽，控制塊設置在滑動槽里，ΧΥ 面解耦支架上安裝Υ向調整螺釘，Υ向調整螺釘通過螺紋與ΧΥ面解耦支架相配合并頂在控 制塊上。
4. 根據權利要求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 擋圈處的外殼側壁上設置開口，開口處安裝擋片。
5. 根據權利要求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 處的外殼側壁上設置開口，開口處安裝擋片。
【文檔編號】F16F15/04GK203892446SQ201420296705
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年6月5日 優先權日:2014年6月5日
【發明者】楊鐵軍, 梁偉龍, 陸澤奇 申請人:哈爾濱工程大學