振动抑制液电混合式作动器及其控制方法

1.本发明涉及工业振动抑制领域，具体地，涉及到一种利用液压被动阻尼器和音圈电机联合使用的主被动混合隔振作动器，可以实现高低频宽带范围的振动进行隔离和抑制。


背景技术：

2.在卫星平台、高精度加工、精密执行与操作平台中，振动的抑制对于提高观测精度与水平、操作精确度等发挥重要的作用。振动抑制环节的加入是一种常用的技术实现方法，而作动器是实现这一环节的关键器件之一，发挥着重要的作用。
3.振动抑制通常分为主动式和被动式两种，主动式一般应对大幅值低频振动，而被动式一般应对低幅值高频振动。被动器件包括弹簧、液压阻尼器等，通过弹簧和液压阻尼器的参数设计可以对大部分高频振动进行隔离，最终这些振动能量通过弹簧的变形内部分子摩擦和液体流动的流体摩擦而产生的热能耗散掉。主动执行器件包括音圈电机、压电直线电机等，这些器件在测量外部振动特性的基础上，采用控制算法产生与外部振动反向的振动从而抵消外部振动，起到隔离的作用。
4.以上这些方法针对某一种特定的频带振动进行抑制，一般单独分立使用。但是目前随着平台精准性的增加，需要在高频和低频较宽的频带内进行振动隔离，联合使用呈现出的体积庞大、选型困难、集成度差等缺点逐步暴露出来，需要寻求更为紧凑的技术方案。美国霍尼韦尔公司曾推出一种液压阻尼器和音圈电机直接串行连接的作动器，因为是直接串行连接，导致作动器整体具有较长的长度，而且作动器暴露在外部，存在漏磁以及保护不足等问题。因此，寻求更为紧凑的结构和更为安全可靠的整体机构布局成为当务之急。
5.经现有技术检索发现，中国发明专利公开号为cn109312805b，公开了一种振动抑制装置(10)及机器人，振动抑制装置(10)安装于一工业机器人的一关节处，包括：外缸体(11)、内缸体(12)、活塞(13)、活塞杆(14)、第一通道(15)以及节流阀(16)；内缸体(12)位于外缸体(11)内部，外缸体(11)、活塞(13)以及活塞杆(14)形成第一工作腔(a)，且第一工作腔(a)上设置有第一油口(a)，活塞杆(14)与内缸体(12)形成第二工作腔(b)，且第二工作腔(b)上设置有第二油口(b)，第一油口(a)及第二油口(b)通过第一通道(15)连通，节流阀(16)设置于第一通道(15)上，用于控制第一通道(15)上液压油的流量，并至少产生一与工业机器人运动相反的力，进而能够以被动阻尼方式抑制机器人运动时产生的振动，使机器人运行平稳。显然，该专利技术中采用的振动阻尼方式是仅有被动阻尼，适用振动抑制的带宽较窄。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种振动抑制液电混合式作动器及其控制方法。
7.根据本发明提供的一种振动抑制液电混合式作动器，包括液压阻尼器和音圈电
机；
8.所述液压阻尼器包括主动腔和被动腔，所述主动腔与所述被动腔通过阻尼孔连通，填充在所述主动腔和所述被动腔内的液体流经所述阻尼孔时产生液压阻尼，所述音圈电机包括动子和定子，所述定子位于所述被动腔内，所述动子的一端临近所述主动腔，所述动子的另一端延伸至所述定子内并能够轴向移动；
9.外部输入的高频振动通过所述液压阻尼器进行抑制，外部输入的低频振动通过所述音圈电机与所述液压阻尼器的协同进行抑制。
10.一些实施方式中，所述液压阻尼器包括左端盖、左波纹管、阻尼器、右波纹管、滑动盖板以及右端盖，所述阻尼器为两端敞口筒体结构，所述阻尼孔位于所述阻尼器的筒臂上并沿轴向贯通设置，所述左波纹管的两端分别与所述左端盖和所述阻尼器的左端面密封连接，所述右波纹管与所述滑动盖板位于所述阻尼器的筒体内，所述右波纹管的两端分别与所述阻尼器的底板内表面和所述滑动盖板的内表面密封连接，所述滑动盖板的外周面与所述阻尼器的筒体内表面滑动接触，所述右端盖密封连接于所述阻尼器的右端面；
11.所述右端盖、所述阻尼器的右端面以及所述滑动盖板围成的腔体为所述主动腔，密封于所述左端盖与所述阻尼器左端面之间的所述左波纹管的内腔为所述被动腔。
12.一些实施方式中，所述阻尼孔为多个，多个所述阻尼孔沿所述阻尼器的周向均匀分布或非均匀分布。
13.一些实施方式中，所述音圈电机包括磁体、磁轭、线圈以及线圈架，所述磁轭为e字形结构，所述磁体贴在所述磁轭上下两臂的内表面上形成所述定子，所述线圈架为凹槽形结构，所述线圈缠绕于所述线圈架上形成所述动子；
14.所述磁轭的上下两臂的端部连接于所述阻尼器的左端面上，所述线圈架的一端连接于所述滑动盖板上，所述线圈架的另一端伸入所述磁轭的内部并滑动套接于所述磁轭的中间臂外。
15.一些实施方式中，所述阻尼器的外周面设有台阶面，所述右端盖为凹槽形筒体，所述右端盖的筒臂卡接于所述阻尼器的台阶面上。
16.一些实施方式中，填充于所述主动腔和所述被动腔内的液体为煤油或硅油。
17.一些实施方式中，所述左端盖的内表面设有导向轴，所述磁轭的端部连接有导向法兰，所述导向法兰设有导向孔，所述导向轴与所述导向孔滑动连接。
18.一些实施方式中，所述导向孔为椭圆形，所述导向轴的形状与所述导向孔的形状相适配。
19.本发明还提供了一种振动抑制液电混合式作动器的控制方法，采用所述的振动抑制液电混合式作动器，包括如下步骤：
20.高频振动抑制步骤：外部输入高频振动时，所述音圈电机的电源为断开状态，高频振动力经所述左端盖传递给所述左波纹管，所述左波纹管被压缩或拉伸，使得所述被动腔内的液体经所述阻尼孔流动至所述主动腔内或使得所述主动腔内的液体经所述阻尼孔流至所述被动腔内，所述主动腔内液体压力的变化使得所述右波纹管产生伸缩运动，进而通过所述左波纹管和所述右波纹管的弹性作用以及液体经过所述阻尼孔产生的阻尼作用进行衰减，完成对高频振动的抑制；
21.低频振动抑制步骤：外部输入低频振动时，开启所述音圈电机，所述线圈产生与低
频振动相反的作用力并由所述线圈架输出，通过所述线圈架推拉所述滑动盖板进行轴向移动，使得所述主动腔内的液体经所述阻尼孔进入所述被动腔内或使得所述被动腔内的液体经所述阻尼孔进入所述主动腔内，进而通过所述主动腔与所述被动腔内液体压力的改变抵消外部输入的低频振动力。
22.一些实施方式中，所述低频振动抑制步骤中，低频振动抑制的频率范围为小于等于100hz。
23.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
24.1、本发明实现被动式减振和主动式减振的复合应用场合，对于高频和低频振动都可以发挥振动抑制作用，具有较宽的振动抑制带宽。
25.2、本发明通过将音圈电机含入液压阻尼器中，不仅使得结构更为紧凑，优化整机的结构布局，而且将音圈电机浸没在阻尼器被动腔的液体中，音圈电机的发热可以通过液体快速传递到机身各处，具有较高的散热效率。
26.3、本发明通过设计对端盖移动进行导向的结构组件，起到良好的支撑导向以及抗扭作用，能够有效保护波纹管。
附图说明
27.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
28.图1为本发明整体结构示意图；
29.图2为本发明椭圆形导向孔与导向法兰配合结构示意图。
具体实施方式
30.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
31.实施例1
32.本发明提供了一种振动抑制液电混合式作动器，如图1所示，包括液压阻尼器100以及内置于液压阻尼器100之内的音圈电机200，通过液压阻尼器100和音圈电机200套叠式的组装设计，不仅对于高频和低频振动都可以发挥振动抑制作用，具有较宽的振动抑制带宽，而且使得结构更为紧凑，能够进一步的优化整机的结构布局。具体地：
33.液压阻尼器100包括左端盖101、左波纹管102、阻尼器103、右波纹管104、滑动盖板105以及右端盖106，其中阻尼器103为两端开口的筒体结构，在阻尼器103的筒臂上设有阻尼孔107，阻尼孔107沿阻尼器103的轴向贯通设置。左波纹管102为中空筒体，具有弹性，左波纹管102的两端分别与左端盖101的内表面和阻尼器103的左端面密封连接，密封于左端盖101的内表面与阻尼器103的左端面之间的左波纹管102的内腔部分为被动腔120。右波纹管104与滑动盖板105均置于阻尼器103的筒体内，且右波纹管104的一端连接于阻尼器103的底板内表面上，其另一端与滑动盖板105的内表面相连接，滑动盖板105的外周面贴于阻尼器103的筒体内表面上并滑动接触，其中右波纹管104同样具有弹性。右端盖106密封连接
于阻尼器103的右端上，且右端盖106的内表面与阻尼器103的右端面之间具有容置液体的空间。优选的，右端盖106为凹槽形结构板，阻尼器103的外周面设有台阶面，右端盖106的壁板套接于阻尼器103的台阶面上，不仅提高了连接强度，而且进一步提升了装置的结构紧凑度。由右端盖106、阻尼器103的右端面以及滑动盖板105的外表面围成了液压阻尼器100的主动腔110。
34.音圈电机200包括磁体201、磁轭202、线圈203以及线圈架204。磁轭202为e字形结构，磁体201贴附于磁轭202上下两臂的内表面上并对称设置，磁力线从磁体201出发经磁轭202、气隙后再返回磁体201，磁体201与磁轭202两者形成音圈电机200的定子220。线圈203缠绕于线圈架204上，线圈架204为凹槽形筒体结构，当线圈203通电时产生磁力作用，线圈203和线圈架204形成音圈电机200的动子210。
35.液压阻尼器100与音圈电机200的套叠组装结构为：磁轭202的上下两臂的端部贴合连接于阻尼器103的底板外表面上，此时，磁轭202的中间臂正对于阻尼器103的底板的中间开孔。线圈架204的一端连接于滑动盖板105的内表面上且位于右波纹管104内，其另一端自阻尼器103的底板的中间开孔穿过后进入磁轭202内，且磁轭202的中间臂进入线圈架204的凹槽内，通电后，线圈架204相对磁轭202进行轴向往复移动。
36.本发明提供的振动抑制液电混合式作动器的工作原理为：
37.进行高频振动抑制时，断开音圈电机200的电源，高频振动力经左盖板101传递给左波纹管102，当左波纹管102被压缩时，位于被动腔120内的液体经阻尼孔107流动至主动腔110内，进而主动腔110内的液体通过滑动盖板105压缩右波纹管104，通过左波纹管102和右波纹管104的弹性作用以及液体经过阻尼孔107产生的阻尼作用对高频振动进行衰减；当左波纹管102被拉伸时，被动腔120的容积增大，此时，主动腔110内的液体经阻尼孔107流动至被动腔110中，右波纹管104推动滑动盖板105朝右端盖106的方向行进，通过左波纹管102和右波纹管104的弹性作用以及液体经过阻尼孔107产生的阻尼作用对高频振动进行衰减。
38.进行低频振动抑制时：开启音圈电机200，线圈203产生与低频振动相反的作用力并由线圈架204输出：当外部输入的低频振动力使左端盖101向外移动时，即左波纹管102被拉伸时，线圈架204在磁力作用下带动滑动盖板105向着靠近右端盖106的方向移动，并使主动腔110内的液体经阻尼孔进入被动腔120内，保持被动腔120内的腔体压力的基本稳定，抵消外部输入的低频振动力；当外部输入的低频振动力使左端盖101向内移动时，即左波纹管102被压缩时，线圈架204在磁力作用下带动滑动盖板105向着远离右端盖106的方向移动，通过增大主动腔110内的容积，使得被动腔120内的液体经阻尼孔107流至主动腔110内，保持被动腔120内的腔体压力的基本稳定，抵消外部输入的低频振动力。
39.通过液体阻尼器100和音圈电机200的协同作用，对振动频率范围在100hz以内的的低频振动起到较佳的抑制效果。
40.实施例2
41.本实施例2是在实施例1的基础上形成，通过设计对左端盖移动进行导向的结构组件，起到良好的支撑导向以及抗扭作用，能够有效保护左波纹管。具体地：
42.如图1-2所示，左端盖101的内表面上设置有导向轴1010，同时在磁轭202的端部连接有导向法兰300，导向法兰300设有导向孔，导向轴1010滑动连接于导向孔内，即通过导向轴1010与导向孔的配合对左端盖101的移动起到有效的支撑导向作用。
43.进一步的，导向孔的形状为椭圆形，相适配的，导向轴1010的形状与导向孔的形状相适配设置。通过椭圆形孔轴的滑动配合，在进行支撑导向作用的同时，还可抵制左端盖101输入的扭力，对左波纹管进行有效保护。
44.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
45.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。