本發(fā)明屬于精密隔振，特別是剛度與阻尼自適應(yīng)協(xié)同調(diào)控的三自由度隔微振器。

背景技術(shù)：

1、環(huán)境中的低頻微幅振動(dòng)干擾已經(jīng)成為限制精密儀器設(shè)備裝調(diào)、測試和實(shí)驗(yàn)精度提高的重點(diǎn)問題之一，為精密儀器設(shè)備配備低頻隔振平臺逐漸成為超精密工程領(lǐng)域抑制環(huán)境微振動(dòng)的主要技術(shù)手段。剛度和阻尼是決定隔振帶寬與隔振效果的核心參數(shù)，直接關(guān)乎隔微振平臺對不同頻率振動(dòng)的作用效果，如何對其進(jìn)行有效調(diào)控是提升隔振性能的關(guān)鍵。當(dāng)前，國內(nèi)外隔振技術(shù)的研究主要聚焦于單自由度系統(tǒng)，側(cè)重于剛度或阻尼的單向可調(diào)性探索。

2、然而，在實(shí)際工程應(yīng)用中，三自由度隔振系統(tǒng)因其能更全面地應(yīng)對復(fù)雜空間振動(dòng)環(huán)境而顯得尤為重要，但此領(lǐng)域的研究卻相對匱乏。因此，如何突破現(xiàn)有技術(shù)的局限，實(shí)現(xiàn)隔振剛度與阻尼的一體化協(xié)同調(diào)控，成為了在近全頻帶實(shí)現(xiàn)高性能隔振、滿足高精度需求的關(guān)鍵瓶頸。隔振剛度與阻尼的一體化協(xié)同調(diào)控意味著在動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中，系統(tǒng)能夠智能地、實(shí)時(shí)地調(diào)整剛度和阻尼參數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)的振動(dòng)抑制效果。

3、中國建筑第八工程局有限公司(1.“一種裝配式磁性負(fù)剛度黏滯阻尼器”，申請?zhí)朿n202310292721.3；2.“一種自復(fù)位式sma負(fù)剛度黏滯阻尼器”，申請?zhí)朿n202320593107.6，一種裝配式磁性負(fù)剛度黏滯阻尼器；)公開了一種由三塊呈相吸方式布置的磁負(fù)剛度結(jié)構(gòu)與黏滯液體構(gòu)成的負(fù)剛度阻尼器，該技術(shù)方案的特征在于：(1)此結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)剛度與阻尼的方向局限于單自由度，且不可調(diào)，難以有效隔離多方向的振動(dòng)干擾，且缺乏隨負(fù)載質(zhì)量與激勵(lì)頻率變化而自適應(yīng)調(diào)整的能力；(2)負(fù)剛度結(jié)構(gòu)由同向磁化的永磁體活塞與上、下固定永磁體構(gòu)成，上、下固定永磁體形成的勵(lì)磁磁場關(guān)于其高度中心對稱，但僅靠近活塞側(cè)的磁場產(chǎn)生負(fù)剛度特性，另一側(cè)漏磁多，磁場利用率低，產(chǎn)生的負(fù)剛度值有限，對重載或高頻隔振系統(tǒng)的剛度時(shí)效果甚微；(3)阻尼特性源自永磁體活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，粘滯液體流經(jīng)活塞和缸筒之間的間隙產(chǎn)生的阻尼力，將振動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為熱能。粘滯液體性質(zhì)不穩(wěn)定，易受到溫度、濕度等外界環(huán)境因素的影響，在高溫或低溫環(huán)境下，其阻尼性能可能會發(fā)生變化，甚至可能無法正常工作，影響阻尼效果和使用壽命。

4、專利號201410399913.5公開了一種磁負(fù)剛度阻尼器，利用一對或多對沿軸向磁化第一永磁體與第二磁體的相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生負(fù)剛度特性，利用第一磁體與導(dǎo)電管的相對運(yùn)動(dòng)形成電渦流阻尼作用。該技術(shù)方案的特征在于：(1)單自由度的磁負(fù)剛度阻尼器難以有效隔離多方向的振動(dòng)干擾，且缺乏隨負(fù)載質(zhì)量與激勵(lì)頻率變化而自適應(yīng)調(diào)整的能力；(2)磁場利用率低，產(chǎn)生的負(fù)剛度與阻尼值有限，對重載或高頻隔振系統(tǒng)的剛度與阻尼時(shí)效果不顯著。

5、專利cn202011189248.9、cn201610915703.6、cn201610834355.x、cn201510395953.7、cn201810300899.7、cn201811101215.7與cn202311199383.5均公開了多自由度隔振器，上述技術(shù)方案的特征在于：(1)對于沿徑向或軸向均勻磁化的磁環(huán)，其產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場僅一側(cè)被利用，磁場利用率低，產(chǎn)生的負(fù)剛度值有限，對重載或高頻隔振系統(tǒng)的剛度時(shí)效果不佳；(2)僅具備剛度調(diào)控功能，而無法調(diào)節(jié)隔振阻尼，限制了振動(dòng)衰減率的提升，難以實(shí)現(xiàn)全頻帶振動(dòng)的高性能衰減。

6、綜上，如何通過隔振結(jié)構(gòu)與原理創(chuàng)新，設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)協(xié)同調(diào)控隔振剛度與阻尼的三自由度隔微振器，能夠?qū)崟r(shí)感知負(fù)載質(zhì)量及外部激勵(lì)頻率的變化，并據(jù)此調(diào)控隔振剛度與阻尼，實(shí)現(xiàn)兩者之間的精準(zhǔn)協(xié)同配合，從而在多個(gè)維度上實(shí)現(xiàn)近全頻帶的高性能隔振效果。這一創(chuàng)新不僅有效隔絕了環(huán)境微振動(dòng)對精密儀器設(shè)備的潛在干擾，還為高精度裝調(diào)、測試及實(shí)驗(yàn)工作提供了更為穩(wěn)定可靠的運(yùn)行環(huán)境，對于推動(dòng)科技進(jìn)步、加速產(chǎn)業(yè)升級具有深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對現(xiàn)有的三自由度隔振器無法兼顧剛度與阻尼的協(xié)同自適應(yīng)調(diào)控，難以多方位、近全頻帶、高效隔離環(huán)境微振動(dòng)干擾的問題，提出了一種由上板、基板以及連接兩者的三套低頻隔振阻尼器構(gòu)成的剛度與阻尼自適應(yīng)協(xié)同調(diào)控的三自由度隔微振器。低頻隔振阻尼器中的負(fù)剛度阻尼調(diào)控器利用多層沿軸向陣列排布、相鄰層間垂直磁化的等截面磁環(huán)陣列構(gòu)建單邊高磁密勵(lì)磁磁場，并將垂直磁化的定磁環(huán)陣列與動(dòng)磁環(huán)陣列同軸嵌套產(chǎn)生高負(fù)剛度特性、與線圈同軸嵌套產(chǎn)生可調(diào)高阻尼特性。通過實(shí)時(shí)感知隔振負(fù)載質(zhì)量或激勵(lì)頻率的變化，調(diào)節(jié)通電線圈中電流的大小，產(chǎn)生精密可控的勵(lì)磁磁通，匹配近全頻帶隔振的負(fù)剛度與阻尼需求，達(dá)到多方位、近全頻帶與高性能隔振效果。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

3、剛度與阻尼自適應(yīng)協(xié)同調(diào)控的三自由度隔微振器，包括上板、基板及連接兩者的三套低頻隔振阻尼器，上板相對于基板有沿著垂向z軸平動(dòng)的自由度以及繞水平x和y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，每套低頻隔振阻尼器的頂端通過上柔性鉸鏈與上板底部的固定件連接，連接點(diǎn)在上板上沿圓周間隔120°均勻分布；每套低頻隔振阻尼器的底部通過下柔性鉸鏈與基板頂部的固定件連接，連接點(diǎn)在基板上沿圓周間隔120°均勻分布；所述低頻隔振阻尼器由螺旋彈簧與負(fù)剛度阻尼調(diào)控器并聯(lián)構(gòu)成，負(fù)剛度阻尼調(diào)控器包括定磁環(huán)陣列、定磁陣列固定件、動(dòng)磁環(huán)陣列、動(dòng)磁陣列連接件、線圈、線圈骨架、傳感器、信號調(diào)理器、采集儀、控制器、驅(qū)動(dòng)器、上連接件與下連接件，定磁陣列固定件、定磁環(huán)陣列、動(dòng)磁陣列連接件、動(dòng)磁環(huán)陣列、線圈骨架與線圈同軸嵌套，由軸心沿半徑向外間隙排布，整體結(jié)構(gòu)呈軸對稱；定磁陣列固定件為倒t形截面的圓柱體結(jié)構(gòu)，其底部通過螺紋與線圈骨架固定連接，頂部與動(dòng)磁陣列連接件保持一定間隙；定磁環(huán)陣列同軸嵌套、緊密配合、固定安裝在定磁陣列固定件的外側(cè)面，與動(dòng)磁陣列連接件沿徑向與軸向均設(shè)有間隙；動(dòng)磁陣列連接件為環(huán)形套筒，其頂端通過螺紋與上連接件固定連接，底部設(shè)置環(huán)形凸臺，凸臺內(nèi)設(shè)置環(huán)形凹槽；螺旋彈簧與動(dòng)磁陣列連接件、線圈骨架同軸嵌套，其頂端固定安裝在動(dòng)磁陣列連接件底部的環(huán)形凹槽內(nèi)，底部固定安裝在線圈骨架底面的環(huán)形凹槽內(nèi)；動(dòng)磁環(huán)陣列同軸嵌套、緊密配合、固定安裝在動(dòng)磁陣列連接件的外側(cè)面，與線圈骨架沿徑向均設(shè)有間隙；定磁環(huán)陣列與動(dòng)磁環(huán)陣列均由多層沿軸向陣列排布、相鄰層間垂直磁化的等截面磁環(huán)構(gòu)成，其中，奇數(shù)層磁環(huán)的高度相等，偶數(shù)層磁環(huán)的高度相等；定磁環(huán)陣列與動(dòng)磁環(huán)陣列的第一層磁環(huán)沿徑向反向磁化，在正剖面視圖的右半側(cè)，每增加一層，定磁環(huán)的磁化方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，動(dòng)磁環(huán)的磁化方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°；線圈骨架為外側(cè)面沿圓周開設(shè)深溝槽的環(huán)形套筒，其頂部與上柔性鉸鏈保持一定間隙，底部通過螺紋與下連接件固定連接；線圈同軸嵌套、緊密配合、固定安裝在線圈骨架的外側(cè)面，線圈與驅(qū)動(dòng)器的輸出端連接，驅(qū)動(dòng)器的輸入端通過串口或者網(wǎng)絡(luò)與控制器的輸出端連接，控制器內(nèi)集成基于加速度與速度復(fù)合反饋的控制算法，其輸入端通過串口或者網(wǎng)絡(luò)讀取采集儀的信息，采集儀的輸入端與信號調(diào)理器的輸出端連接，信號調(diào)理器的輸入端與傳感器連接。

4、優(yōu)選的，所述定磁環(huán)陣列與動(dòng)磁環(huán)陣列的層數(shù)為2n+1，其中n≥1，n∈n+。

5、優(yōu)選的，所述定磁環(huán)陣列與動(dòng)磁環(huán)陣列同層磁環(huán)的高度相等。

6、優(yōu)選的，所述定磁環(huán)陣列中第一層磁環(huán)的底面與動(dòng)磁環(huán)陣列中第一層磁環(huán)的底面重合。

7、優(yōu)選的，所述線圈的高度與定磁環(huán)陣列的高度相等，且關(guān)于定磁環(huán)陣列的軸向高度中心對稱。

8、優(yōu)選的，所述驅(qū)動(dòng)器為線性穩(wěn)壓器、線性驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)型穩(wěn)壓器或開關(guān)型驅(qū)動(dòng)器。

9、優(yōu)選的，所述定磁環(huán)陣列與動(dòng)磁環(huán)陣列中沿徑向磁化的磁環(huán)由多塊沿徑向均勻磁化的瓦型磁鐵拼接而成，瓦型磁鐵的塊數(shù)可為4、5、6、8、10、12與15，相鄰?fù)咝痛盆F間的間隙不超過3°。

10、優(yōu)選的，所述傳感器為單個(gè)三自由度的速度傳感器或加速度傳感器，或是由一個(gè)平動(dòng)自由度與兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的速度傳感器或加速度傳感器構(gòu)成的傳感器組。

11、優(yōu)選的，所述信號調(diào)理器包括放大器與濾波器，放大器的增益與帶寬可調(diào)，濾波器可實(shí)現(xiàn)高通濾波功能，且其截止頻率可調(diào)。

12、優(yōu)選的，所述定磁陣列固定件、動(dòng)磁陣列連接件、上連接件、下連接件、上柔性鉸鏈、下柔性鉸鏈和螺旋彈簧的材料為不導(dǎo)磁或弱導(dǎo)磁的鋁合金、鈦合金或奧氏體不銹鋼。

13、優(yōu)選的，所述線圈骨架的材料為陶瓷、花崗巖、玻璃鋼或硬質(zhì)塑料。

14、本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新性及產(chǎn)生的良好效果在于：

15、(1)該技術(shù)方案利用垂直磁化的定磁環(huán)陣列與動(dòng)磁環(huán)陣列同軸嵌套產(chǎn)生高負(fù)剛度特性、與線圈同軸嵌套產(chǎn)生可調(diào)高阻尼特性，磁場利用率高，系統(tǒng)能耗低。低頻隔振阻尼器利用2n+1(n≥1，n∈n+)層沿軸向陣列排布、相鄰層間垂直磁化的等截面磁環(huán)陣列構(gòu)建單邊高磁密勵(lì)磁磁場，并將垂直磁化的定磁環(huán)陣列與動(dòng)磁環(huán)陣列、線圈同軸嵌套產(chǎn)生高負(fù)剛度與可調(diào)高阻尼特性。單邊高磁密勵(lì)磁磁場不僅可有效削弱非工作側(cè)的磁場強(qiáng)度，也可顯著增強(qiáng)工作側(cè)的磁場強(qiáng)度，提升低頻隔振阻尼器的負(fù)剛度與阻尼值，拓展隔振頻帶與阻尼調(diào)節(jié)范圍。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之一。

16、(2)該技術(shù)方案能夠?qū)崟r(shí)感知負(fù)載質(zhì)量與外部激勵(lì)頻率的波動(dòng)，并據(jù)此調(diào)控隔振剛度與阻尼，實(shí)現(xiàn)兩者之間的精準(zhǔn)協(xié)同配合，在三自由度達(dá)到近全頻帶與高性能隔振的效果。低頻隔振阻尼器利用垂直磁化的定磁環(huán)陣列與動(dòng)磁環(huán)陣列、線圈同軸嵌套產(chǎn)生高負(fù)剛度與高阻尼特性；當(dāng)負(fù)載質(zhì)量變化或外部激勵(lì)頻率波動(dòng)時(shí)，傳感器即時(shí)捕捉這些動(dòng)態(tài)變化，并將信息反饋給控制器?？刂破魍ㄟ^集成基于加速度與速度復(fù)合反饋的控制算法，調(diào)節(jié)線圈中的通電電流，精確調(diào)控隔振剛度和阻尼參數(shù)，確保兩者之間的協(xié)同作用在與螺旋彈簧并聯(lián)支撐負(fù)載平臺時(shí)，將隔振頻率降低至近零頻，大幅提升振動(dòng)衰減率，從而在三自由度達(dá)到近全頻帶高性能隔振的最優(yōu)狀態(tài)。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之二。

17、(3)本發(fā)明通過生成可調(diào)的高負(fù)剛度與低頻高阻尼、高頻低阻尼，實(shí)現(xiàn)了隔微振剛度與阻尼參數(shù)的協(xié)同調(diào)控。利用的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，協(xié)同調(diào)控螺旋彈簧的剛度與阻尼，可匹配實(shí)現(xiàn)近全頻帶隔振范圍與全頻域高性能隔振的剛度與阻尼參數(shù)，實(shí)現(xiàn)隔振頻帶與隔振效果的最大化。這種協(xié)同調(diào)控設(shè)計(jì)有效避免了單一參數(shù)調(diào)整可能遭遇的性能瓶頸，賦予了精密隔振系統(tǒng)更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)力與動(dòng)態(tài)調(diào)整能力，使其能夠靈活應(yīng)對負(fù)載質(zhì)量變化、激勵(lì)頻率波動(dòng)以及多樣化的隔振需求等復(fù)雜場景。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之三。