本發(fā)明涉及一種角振動(dòng)激勵(lì)器。
背景技術(shù)：
：隨著航天器成像分辨率的顯著提升，成像質(zhì)量受微振動(dòng)的影響程度也更加明顯。星上活動(dòng)部件如帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、天線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等主要擾動(dòng)成分均表現(xiàn)為微幅角振動(dòng)，光學(xué)相機(jī)最為敏感的也是角振動(dòng)，因此，開展地面試驗(yàn)研究上述活動(dòng)部件的角振動(dòng)特性對衛(wèi)星成像質(zhì)量的影響必不可少。為了直接測量這些角振動(dòng)的影響，需要安裝上述活動(dòng)部件以及相連的太陽翼、天線等，并使之處于在軌展開工作的狀態(tài)。但在實(shí)際試驗(yàn)中，由于試驗(yàn)場地、周期和成本等限制，往往達(dá)不到以上試驗(yàn)條件。因此，有必要研制一種激勵(lì)器來模擬上述部件的角振動(dòng)特性，使衛(wèi)星在活動(dòng)部件無法安裝的情況下仍可開展角振動(dòng)特性的影響性測試。浙江大學(xué)何聞等發(fā)明了“一種電磁驅(qū)動(dòng)式角振動(dòng)臺(tái)”(專利號CN201410442973)，該發(fā)明由外殼、工作臺(tái)面、帶動(dòng)工作臺(tái)面旋轉(zhuǎn)的主軸、動(dòng)圈組件、磁路組件、電粘彈性反饋控制組件、空氣軸承和角位移傳感器組成，解決了角振動(dòng)臺(tái)失真度高的問題；中船重工集717所閆峰等發(fā)明的“大載荷機(jī)械式角振動(dòng)臺(tái)”(專利號CN201010245422)由臺(tái)架，臺(tái)面、主軸，彈簧阻尼器支撐、變頻調(diào)速電機(jī)及慣性激振器組成，以較簡單的結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)了大載荷下的角振動(dòng)。上述角振動(dòng)臺(tái)具有各自的優(yōu)勢，但是由于設(shè)計(jì)初衷是用于計(jì)量校準(zhǔn)或船舶工業(yè)使其結(jié)構(gòu)尺寸大，振動(dòng)幅值大，與星上活動(dòng)部件的安裝接口、振動(dòng)幅值(小到千分之牛米或百分之角秒量級)等不匹配。清華大學(xué)鄭鋼鐵提出的“一種寬頻角振動(dòng)激勵(lì)裝置”(專利號CN201110282869)包括剛性底座，激振器、柔性懸吊、角加速度計(jì)、振動(dòng)控制儀、功率放大器和控制計(jì)算機(jī)組成，具有精度高、可在較寬頻段上實(shí)現(xiàn)角振動(dòng)激勵(lì)的特點(diǎn)，但該裝置在在輸出角振動(dòng)信號的同時(shí)往往還有附加力或力矩?！耙环N礦山用篩分設(shè)備”(專利號CN201520409766)等礦山設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明，由電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)具有偏心質(zhì)量的激振器，從而使篩床作周期性的不對稱往復(fù)機(jī)械振動(dòng)，輸出信號為線振動(dòng)而非角振動(dòng)。因此，上述發(fā)明均無法滿足星上活動(dòng)部件角振動(dòng)模擬測試的需求。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種微幅角振動(dòng)激勵(lì)器，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，阻尼小頻響快，輸出的扭矩或角位移信號精度高、幅值小，用于模擬星上活動(dòng)部件的微幅角振動(dòng)或者提供標(biāo)準(zhǔn)角振動(dòng)信號輸出，以獲取擾動(dòng)角振動(dòng)信號對敏感載荷性能的影響。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種微幅角振動(dòng)激勵(lì)器，包括：底座、動(dòng)子、撓性鉸鏈、n個(gè)音圈電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器，其中，n為正整數(shù)；底座、動(dòng)子同軸，組合對接形成中空的圓柱體結(jié)構(gòu)；音圈電機(jī)離開底座的軸線，橫向安裝在底座和動(dòng)子間對接的間隙處，音圈電機(jī)的活動(dòng)端、固定端分別與底座、動(dòng)子連接，各音圈電機(jī)產(chǎn)生推力之合力為且只產(chǎn)生扭矩；撓性鉸鏈與底座、動(dòng)子同軸，安裝在圓柱體結(jié)構(gòu)中部，兩端分別與底座、動(dòng)子相連，用于支撐動(dòng)子同時(shí)傳遞動(dòng)子的扭轉(zhuǎn)變形；驅(qū)動(dòng)器與音圈電機(jī)連接，驅(qū)動(dòng)音圈電機(jī)的活動(dòng)端產(chǎn)生推力。所述撓性鉸鏈包括上安裝臺(tái)、下安裝臺(tái)、彈簧片，各彈簧片安裝在上安裝臺(tái)和下安裝臺(tái)之間，沿周向分布。所述撓性鉸鏈的上安裝臺(tái)或下安裝臺(tái)為圓柱形。所述彈簧片關(guān)于撓性鉸鏈的中心軸對稱分布，沿上安裝臺(tái)、下安裝臺(tái)的周向均勻分布。所述撓性鉸鏈的強(qiáng)度滿足如下關(guān)系：其中，σmax為撓性鉸鏈最大承載應(yīng)力，σrk為撓性鉸鏈的材料的疲勞極限，n1為安全系數(shù)。所述撓性鉸鏈的柔度矩陣滿足沿Z軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)的柔度系數(shù)遠(yuǎn)大于柔度矩陣中的其他元素，其中，坐標(biāo)系以下安裝臺(tái)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，Z軸沿?fù)闲糟q鏈對稱軸并指向上安裝臺(tái)，X軸方向沿下安裝臺(tái)半徑方向，Y軸由右手法則確定；柔度矩陣中元素代表第j個(gè)自由度方向作用載荷對第m個(gè)自由度方向的柔度系數(shù)，m＝1,2,...,6，j＝1,2,...,6；其中，下角標(biāo)1～6分別代表撓性鉸鏈的六個(gè)自由度方向，下角標(biāo)1代表沿X軸平移、下角標(biāo)2代表沿Y軸平移、下角標(biāo)3代表沿Z軸平移、下角標(biāo)4代表繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)、下角標(biāo)5代表繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)、下角標(biāo)6代表繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。所述撓性鉸鏈的材料為彈簧鋼。所述底座或動(dòng)子的一階基頻f0≥1.2fcmax，其中，fcmax代表微幅角振動(dòng)激勵(lì)器的測量頻段上限。所述底座或動(dòng)子為帶扇形凸臺(tái)的圓柱體，扇形凸臺(tái)沿圓柱體周向分布；底座上凸臺(tái)數(shù)目與動(dòng)子上凸臺(tái)數(shù)目一致，底座凸臺(tái)中心角與動(dòng)子凸臺(tái)中心角相等；底座的凸臺(tái)數(shù)目或動(dòng)子的凸臺(tái)數(shù)目等于音圈電機(jī)數(shù)目；底座上各凸臺(tái)中心角與動(dòng)子上各凸臺(tái)中心角之和為180°。所述底座或動(dòng)子的材料為鋁。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可針對不同安裝接口進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足星上不同位置角振動(dòng)源布置需求，用于模擬星上活動(dòng)部件的微幅角振動(dòng)或者提供標(biāo)準(zhǔn)角振動(dòng)信號輸出，以獲取擾動(dòng)角振動(dòng)信號對敏感載荷性能的影響。(2)本發(fā)明采用高精度、寬頻段音圈電機(jī)作為動(dòng)力裝置，通過偏心橫置方式將電機(jī)的推力轉(zhuǎn)化成扭矩驅(qū)動(dòng)動(dòng)子旋轉(zhuǎn)輸出角激勵(lì)信號，具有輸出信號頻段寬，幅值小，精度高的優(yōu)點(diǎn)，可滿足星上活動(dòng)部件微幅角振動(dòng)幅值和精度需求。(3)本發(fā)明采用撓性鉸鏈作為底座和動(dòng)子的支撐連接部件，自下而上無縫連接，相對傳統(tǒng)軸承的連接方式，具有工藝性好，無摩擦、壽命長的優(yōu)點(diǎn)。(4)本發(fā)明裝置撓性鉸鏈采用彈簧片加上下安裝臺(tái)面的設(shè)計(jì)方式，扭轉(zhuǎn)方向柔度高，在小角度范圍內(nèi)剛度近似為線性，當(dāng)承受其他方向載荷時(shí)，均至少有兩個(gè)彈簧片承受面內(nèi)載荷，剛度顯著提高。附圖說明圖1為本發(fā)明微幅角振動(dòng)激勵(lì)裝置的剖視圖；圖2為本發(fā)明微幅角振動(dòng)激勵(lì)器裝置的分解圖；圖3為本發(fā)明微幅角振動(dòng)激勵(lì)器裝置的安裝組合示意圖；圖4為本發(fā)明微幅角振動(dòng)激勵(lì)裝置撓性鉸鏈?zhǔn)疽鈭D；圖5為本發(fā)明微幅角振動(dòng)激勵(lì)裝置音圈電機(jī)示意圖。具體實(shí)施方式如圖1、圖2、圖3所示，一種微幅角振動(dòng)激勵(lì)器，包括底座1、動(dòng)子2、撓性鉸鏈3、若干音圈電機(jī)4、驅(qū)動(dòng)器5和連接電纜6。底座1中心區(qū)域安裝撓性鉸鏈3，撓性鉸鏈3上方安裝動(dòng)子2，音圈電機(jī)4橫放在底座1和動(dòng)子2的孔槽內(nèi)。底座1是整個(gè)裝置的基座，動(dòng)子2是裝置的角激勵(lì)信號的輸出界面，撓性鉸鏈3由上安裝臺(tái)31、若干彈簧片33和下安裝臺(tái)32組成，若干彈簧片33關(guān)于撓性鉸鏈3中心對稱分布，底座1、動(dòng)子2和撓性鉸鏈3組裝后中心軸線重合。音圈電機(jī)4若干個(gè)，作為動(dòng)力部件在裝置內(nèi)偏心橫置，其輸出推力方向沿電機(jī)軸向沿角激勵(lì)裝置切向，驅(qū)動(dòng)器5通過連接電纜6控制音圈電機(jī)4。驅(qū)動(dòng)器5輸出電信號控制音圈電機(jī)4，如圖5所示，音圈電機(jī)4的活動(dòng)端41連接動(dòng)子2，固定端42連接底座1，在電信號作用下活動(dòng)端41進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，由于活動(dòng)端41固定在動(dòng)子2上，導(dǎo)致動(dòng)子2受到推力，動(dòng)子2通過撓性鉸鏈3連接在底座1上，由于撓性鉸鏈3由若干彈簧片33等組成，可將轉(zhuǎn)動(dòng)自由度近似釋放，于是動(dòng)子2在音圈電機(jī)4的作用下繞撓性鉸鏈3轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)子2的慣性力經(jīng)撓性鉸鏈3和音圈電機(jī)4傳遞至底座1，形成對本發(fā)明微幅角振動(dòng)激勵(lì)器的安裝面的激勵(lì)力矩。底座1、動(dòng)子2同軸，組合對接形成中空的圓柱體結(jié)構(gòu)。底座1和動(dòng)子2通過扇形凸臺(tái)對接，底座1和動(dòng)子2連接處的圓柱沿周向均勻分成若干扇形凸臺(tái)，對凸臺(tái)進(jìn)行標(biāo)號，編號為奇數(shù)的凸臺(tái)位于底座1上，編號為偶數(shù)的凸臺(tái)位于動(dòng)子2上，底座1和動(dòng)子2的凸臺(tái)交叉對接，中部中空用于安裝撓性鉸鏈3，音圈電機(jī)4安裝在底座1和動(dòng)子2沿縱向的間隙處。底座1和動(dòng)子2尺寸根據(jù)星上角振動(dòng)部件的外形和接口尺寸確定，撓性鉸鏈3的尺寸根據(jù)撓性鉸鏈3強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)的結(jié)果確定，音圈電機(jī)4的數(shù)目和型號根據(jù)安裝空間和激振力/力矩幅值確定。設(shè)各音圈電機(jī)4產(chǎn)生推力為偏離中心軸線形成的力臂大小為li，對安裝面產(chǎn)生的總扭矩T等于各音圈電機(jī)4產(chǎn)生扭矩之和。另外，為保證所有音圈電機(jī)4對安裝面僅產(chǎn)生扭矩而無其它方向的力或力矩，各音圈電機(jī)4產(chǎn)生推力之合力為0。計(jì)算公式如下所示：其中，ξ＝1,2,...,n，n為音圈電機(jī)4數(shù)目，為正整數(shù)。撓性鉸鏈3采用高強(qiáng)度的彈簧鋼材料制作，需要綜合考慮強(qiáng)度和剛度方面要求。其強(qiáng)度設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下關(guān)系：其中，σmax為撓性鉸鏈3最大承載應(yīng)力，σrk為材料的疲勞極限，n1為安全系數(shù)(大于等于1)。其剛度設(shè)計(jì)通過建立柔度矩陣得到。首先定義撓性鉸鏈3坐標(biāo)系如下：以下安裝臺(tái)32底面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿?fù)闲糟q鏈3對稱軸并指向上安裝臺(tái)31為Z軸，X軸方向沿下安裝臺(tái)32半徑方向，Y軸由右手法則確定。將撓性鉸鏈3在空間X、Y、Z向承受的力[P1，P2，P3]和力矩[P4，P5，P6]矢量組成的六維載荷陣列記為P，對應(yīng)產(chǎn)生的位移陣列為δ，根據(jù)結(jié)構(gòu)平衡方程有，f^·P=δ]]>當(dāng)P＝I6×1，即撓性鉸鏈3第j個(gè)自由度方向承受單位力而其余自由度載荷為0時(shí)，f^j=δj=δ1jδ2j...δ6j6×1]]>式中：為柔度矩陣第j列，j＝1,2,...,6，它等于在撓性鉸鏈3主節(jié)點(diǎn)第j個(gè)自由度施加單位力矩時(shí)撓性鉸鏈3的六個(gè)自由度上所產(chǎn)生的位移矢量δj。于是可得到式中：柔性矩陣中元素(m,j＝1,2,...,6)代表第j個(gè)自由度方向作用載荷對第m個(gè)自由度方向的柔度系數(shù)。當(dāng)m≠j時(shí)，一般撓性鉸鏈3剛度設(shè)計(jì)要求滿足如下條件：繞Z軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)的柔度系數(shù)遠(yuǎn)大于柔度矩陣中的其他元素。撓性鉸鏈3的六個(gè)自由度為沿X軸平移、沿Y軸平移、沿Z軸平移、繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)、繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)、繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。中，下角標(biāo)1代表第1個(gè)自由度方向，即沿X軸平移；下角標(biāo)2代表第2個(gè)自由度方向，即沿Y軸平移；下角標(biāo)3代表第3個(gè)自由度方向，即沿Z軸平移；下角標(biāo)4代表第4個(gè)自由度方向，即繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)；下角標(biāo)5代表第5個(gè)自由度方向，即繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)；下角標(biāo)6代表第6個(gè)自由度方向，即繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。底座1和動(dòng)子2外形尺寸受裝置在星上安裝空間和接口尺寸限制，中心孔尺寸與撓性鉸鏈3尺寸匹配，底座1上扇形凸臺(tái)數(shù)目與動(dòng)子2上扇形凸臺(tái)數(shù)目相等、底座1上凸臺(tái)中心角與動(dòng)子2上凸臺(tái)中心角相等，且底座1的凸臺(tái)數(shù)目和動(dòng)子2的凸臺(tái)數(shù)目等于音圈電機(jī)4數(shù)目，凸臺(tái)中心角θi滿足如下關(guān)系：安裝時(shí)底座1和動(dòng)子2凸臺(tái)與空隙上下匹配安裝。另外為了保證寬頻段角振動(dòng)激勵(lì)信號平穩(wěn)輸出，底座1和動(dòng)子2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求一階基頻高于測量頻段上限，一般要求f0≥1.2fcmax，式中：f0代表底座1/動(dòng)子2的一階基頻，fcmax代表測量頻段上限，等于1000HZ。實(shí)施例本發(fā)明實(shí)施例中音圈電機(jī)4數(shù)目2個(gè)，底座1為圓柱形，在兩個(gè)相對象限區(qū)域有扇形凸臺(tái)，動(dòng)子2也為圓柱形，在另外兩個(gè)相對象限區(qū)域有扇形凸臺(tái)。底座1和動(dòng)子2的扇形凸臺(tái)兩側(cè)面分別有一個(gè)圓形孔，用于橫向放置兩個(gè)音圈電機(jī)4，音圈電機(jī)4的固定端41通過螺釘固定在底座1凸臺(tái)側(cè)面的兩個(gè)孔內(nèi)，活動(dòng)端42通過螺釘固定在動(dòng)子2凸臺(tái)側(cè)面的兩個(gè)孔內(nèi)，底座1和動(dòng)子2扇形凸臺(tái)組合形成的中心圓柱區(qū)域安裝撓性鉸鏈3；撓性鉸鏈3上安裝臺(tái)31和下安裝臺(tái)32均為圓柱臺(tái)形，通過四個(gè)安裝孔分別固定在底座1和動(dòng)子2上。考慮加工方便，實(shí)施例撓性鉸鏈3中心彈簧片33數(shù)目為四個(gè)，成十字形布置(如圖4撓性鉸鏈3示意圖所示)。本實(shí)施例中設(shè)計(jì)激振力矩幅值0.1Nm，距離中心軸線50mm對稱布置兩個(gè)音圈電機(jī)4，兩音圈電機(jī)4線圈采用串接形式，輸出推力大小相同方向相反，音圈電機(jī)4輸出峰值推力7.6N大于設(shè)計(jì)推力幅值2N。撓性鉸鏈3由四片均勻分布彈簧片外加上下凸臺(tái)組成，每彈簧片尺寸37mm×9mm×0.6mm，上/下凸臺(tái)直徑25mm，高度10mm。撓性鉸鏈3可采用60Si2MnA棒材整體線切割而成，經(jīng)分析工作極限應(yīng)力σmax＝60.6Mpa<240Mpa/1.5，高于其他方向柔度2個(gè)數(shù)量級。底座1和動(dòng)子2為中心和相對象限區(qū)域挖空的圓柱形臺(tái)體，整體包絡(luò)尺寸分別為Φ85mm×50mm和Φ85mm×55mm，中心孔直徑均為Φ26mm，深分別為40mm和45mm，底座1和動(dòng)子2各有兩個(gè)扇形凸臺(tái)，每個(gè)凸臺(tái)中心角為90°，高度30mm。底座1和動(dòng)子2采用鋁棒制成，經(jīng)分析其一階基頻約為測量頻段的5倍，滿足測試要求。本發(fā)明未詳細(xì)說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知技術(shù)。當(dāng)前第1頁1 2 3