具备空间精度保持能力的主动消振支撑杆及减振系统的制作方法
1.本发明涉及一种减振装置，具体涉及一种消振支撑杆及减振系统，属于卫星设计与应用技术领域。
背景技术：
2.遥感卫星上的周期往复运动的部件如制冷机、控制力矩陀螺(简称cmg)工作时会产生周期性的微小振动。随着遥感卫星分辨率要求越来越高，微小振动传递至相机上可能会影响图像质量，因此需要对微小振动源采取隔振措施，减小其周期性的微小振动对相机的影响。
3.但是cmg本身有角度指向要求，制冷机中的杜瓦组件对位置精度要求很高，需参与光学装调。这类参与光学装调、有位置和角度精度要求的扰振源的隔振需求，无法用低刚度被动隔振器和基于位移作动器的主动隔振装置解决，因为低刚度被动隔振器由于刚度较低会导致低频段位移过大从而超出要求。
技术实现要素：
4.有鉴于此，针对有位置和角度精度保持要求的运动部件的隔振需求，本发明提供一种具备空间精度保持能力的主动消振支撑杆，空间精度保持是指空间位置和角度的精度保持。
5.具备空间精度保持能力的主动消振支撑杆，包括：挠性铰a、挠性铰b、吸振作动器外壳、吸振作动器底座、吸振作动器和力传感器；
6.所述吸振作动器外壳轴向一端通过挠性铰a与扰振源相连，另一端与吸振作动器底座相连；
7.所述力传感器压紧在所述挠性铰b与吸振作动器底座之间；所述力传感器具有预紧力；所述力传感器用于采集轴向力信息，传递给外部控制器；
8.所述挠性铰b与基础结构连接；
9.所述吸振作动器外壳内部安装吸振作动器，所述吸振作动器用于在控制器的作用下产生轴向力，以抵消所述扰振源的扰动轴向力。
10.作为本发明的一种优选方式：所述吸振作动器包括：音圈电机动子、音圈电机静子和振动传力组件；
11.所述音圈电机动子能够沿轴向移动；
12.所述音圈电机静子与所述吸振作动器外壳固定连接，并与外部控制器电连接；
13.所述振动传力组件与所述音圈电机动子固接，将所述音圈电机动子产生的轴向作动力传递至所述吸振作动器外壳和所述吸振作动器底座。
14.作为本发明的一种优选方式：所述振动传力组件包括：膜簧a、膜簧b、限位块a、限位块b和连接螺栓；
15.所述膜簧a安装在所述挠性铰a与所述吸振作动器外壳之间；所述膜簧b安装在所
述吸振作动器外壳与所述吸振作动器底座之间；
16.所述连接螺栓从下往上依次穿过所述膜簧b、音圈电机静子、音圈电机动子、膜簧a后通过螺母锁紧；
17.所述膜簧a的上下两端分别通过螺母和套装在连接螺栓上的限位块a压紧；
18.所述膜簧b的上下两端分别通过套装在连接螺栓上的限位块b和连接螺栓的螺帽压紧。
19.作为本发明的一种优选方式：所述力传感器套装在所述挠性铰b上端面的螺柱上；所述螺柱穿出力传感器的部分与所述吸振作动器底座通过螺母锁紧，将所述力传感器压紧在所述挠性铰b与所述吸振作动器底座之间；通过螺母对所述力传感器施加预紧力。
20.作为本发明的一种优选方式：所述限位块a、限位块b与所述音圈电机动子一体加工。
21.作为本发明的一种优选方式：所述挠性铰a、挠性铰b、吸振作动器外壳、吸振作动器底座均采用金属制成。
22.作为本发明的一种优选方式：所述力传感器内部敏感元件采用压电材料。
23.此外，本发明提供一种减振系统，包括：三个以上主动消振支撑杆；所述主动消振支撑杆为上述具备空间精度保持能力的主动消振支撑杆，三个以上主动消振支撑杆按设定空间角度布置在扰振源和基础结构之间；三个以上主动消振支撑杆分别与控制器电连接。
24.优选的：所述主动消振支撑杆的一端通过转接角盒与扰振源相连，另一端通过转接角盒与基础结构相连。
25.优选的，该减振系统包括六个主动消振支撑杆；六个所述主动消振支撑杆两两一组；三组所述主动消振支撑杆沿周向均匀间隔分布；每组中的两个主动消振支撑杆一端通过转接角盒与基础结构呈设定夹角相连，另一端通过转接角盒与扰振源同一位置相连。
26.有益效果：
27.(1)本发明的主动消振支撑杆在轴向上没有柔性环节，能够为运动部件(即扰振源)提供较好的刚性支撑，该主动消振支撑杆基于力抵消的原理实现隔振，在隔振的同时不会影响运动部件初始的位置和角度精度，实现运动部件的空间(位置和角度)精度的保持；该主动消振支撑杆整体性较好，具有较高的通用性，可适用于各种运动部件的隔振需求，应用前景广阔。
28.(2)本发明的主动消振支撑杆采用由外部控制器控制的音圈电机作为吸振作动器，若运动部件的扰振频率与设计值有偏差，或在轨长期工作后性能退化导致频率漂移，可随时通过修改控制器参数来调整减振频率，适应航天器全生命周期的高性能减振。
29.(3)本发明的主动消振支撑杆中，采用膜簧进行轴向力传递，将音圈电机动子产生的轴向作动力传递至吸振作动器外壳和吸振作动器底座，能够提高主动消振支撑杆的消振效果。
30.(4)基于本发明的主动消振支撑杆的减振系统具有常规设备支撑支架的高刚度特点，该减振系统的载荷传递路径上无柔性减振环节，地面光学装调后经历地面测试、总装、储存、发射、在轨等全周期环境后仍能保持位置和角度的精度。同时减振系统可通过力传感器测量主动消振支撑杆上的扰振力信息，传递给控制器；控制器驱动主动消振支撑杆内部的吸振作动器工作，抵消周期性的扰振力，达到减振的效果。此外，减振系统的减振频率可
通过调整控制器参数进行调整，对在轨长期工作后由于性能退化而产生频率漂移的扰振源的减振需求有较强的适应性。
31.(5)基于本发明的主动消振支撑杆的减振系统中，通过转接角盒连接扰振源与基础结构，通过转接角盒的调整实现扰振源的精度调整，通过减振系统的高刚度特性实现扰振源位置和角度的精度保持。
32.(6)基于本发明的主动消振支撑杆的减振系统中，设置多个不同方向的主动消振支撑杆；通过多个支撑杆布局，可以实现各个方向上力的抵消。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为具备空间精度保持能力的主动消振支撑杆剖视图(吸振作动器部分未剖)；
35.图2为具备空间精度保持能力的主动消振支撑杆实施例剖视图；
36.图3为具备空间精度保持能力的减振系统示意图；
37.图4为减振系统的扰振力传递原理图；
38.图5为具有六组支撑杆的减振系统实施例图。
39.其中：1-挠性铰a、2-吸振作动器外壳、3-吸振作动器、4-吸振作动器底座、5-力传感器、6-挠性铰b、7-膜簧a、8-限位块a、9-音圈电机动子、10-限位块b、11-连接螺栓、12-音圈电机静子、13-膜簧b、100-扰振源、200-转接角盒、300-主动消振支撑杆、400-控制器
具体实施方式
40.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
41.本实施例所描述的用于解释本发明，但不仅仅限于本发明。为使公众对本发明有更好的了解，下文的描述为一些特定的细节部分。
42.实施例1：
43.本实施例提供一种具备空间精度保持能力的主动消振支撑杆，基于力抵消的原理实现隔振，能够用于具有高位置和角度精度要求的运动部件的隔振，能够在隔振的同时不改变运动部件初始的位置和角度精度。
44.如图1所示，该主动消振支撑杆包括：挠性铰a1、挠性铰b6、吸振作动器外壳2、吸振作动器底座4、吸振作动器3和力传感器5。
45.其中：吸振作动器外壳2一端连接挠性铰a1，一端连接吸振作动器底座4；具体的：挠性铰a1轴向两端具有连接孔，一端通过紧固件与扰振源(即运动部件)连接，另一端通过紧固件与吸振作动器外壳2连接。吸振作动器外壳2为轴向一端开口，另一端加工有过孔的结构；其中挠性铰a1与其开口端连接。吸振作动器底座4为大端开口，小端加工有过孔的空心锥台结构。吸振作动器外壳2的过孔所在端与吸振作动器底座4的大端通过紧固件同轴连接。
46.挠性铰b6上端面设计有螺柱，空心柱体结构的力传感器5套装在该螺柱的光杆部分，螺柱的螺纹部分穿过力传感器5后进一步穿过吸振作动器底座4小端的过孔，通过螺母
锁紧，从而压紧吸振作动器底座4和力传感器5；由此将力传感器5压紧在挠性铰b6与吸振作动器底座4之间。通过螺母施加预紧力矩，能够达到力传感器5预紧的目的，使其能够进行轴向拉、压力的测量。挠性铰b6的下端面设计连接孔，与航天器基础结构连接。
47.挠性铰a1、吸振作动器外壳2、吸振作动器底座4、力传感器5、挠性铰b6依次同轴连接组成了力学上的“二力杆”结构，该结构形式只能传递支撑杆轴向力。力传感器5与外部控制器之间通过电缆连接，力传感器5采集该主动消振支撑杆的轴向力信息，传递给外部控制器。
48.该主动消振支撑杆的轴向两端均为挠性铰，挠性铰在垂直于消振支撑杆轴向的两个方向的弯曲刚度远低于轴向刚度，因此只限制主动消振支撑杆轴向位移，不限制主动消振支撑杆绕自身轴线的转动。
49.吸振作动器外壳2内安装吸振作动器3，吸振作动器外壳2侧面有吸振作动器3的锁定孔和电缆穿孔。
50.如图2所示，吸振作动器3包括：两个膜簧(分别为膜簧a7和膜簧b13)、两个限位块(分别为限位块a8和限位块b10)、连接螺栓11、音圈电机动子9和音圈电机静子12。
51.其中音圈电机动子9为具有中心孔的环形结构，其下端面加工有与其中心孔同轴的环形槽，由此使得其中心部分形成中心凸台；音圈电机静子12为上端开口，下端加工有过孔的环形结构。音圈电机动子9和音圈电机静子12同轴设置，其中音圈电机动子9的中心凸台位于音圈电机静子12的中心孔内，音圈电机静子12的环形壳位于音圈电机动子9的环形槽内。音圈电机动子9与音圈电机静子12滑动配合，音圈电机动子9能够沿轴向移动。
52.音圈电机静子12过孔所在端与吸振作动器外壳2固定连接(紧固件通过吸振作动器外壳2外圆周的锁紧孔实现音圈电机静子12与吸振作动器外壳2之间的连接)，音圈电机静子12的电缆通过吸振作动器外壳2上的电缆穿孔穿出，与外部控制器连接。外部控制器给音圈电机静子12供电，形成电磁场，驱动音圈电机动子9沿着该支撑杆的轴向运动。即主动消振支撑杆通过两根电缆与外部控制相连，分别为与音圈电机静子12相连的电缆和与力传感器5相连的电缆。
53.音圈电机动子9与两个膜簧、两个限位块通过连接螺栓11连接组成吸振作动器3的振动部分，吸振作动器3振动部分中的两个膜簧分别通过吸振作动器外壳2与挠性铰a1、吸振作动器外壳2与吸振作动器底座4压紧固定。具体的：膜簧a7通过挠性铰a1与吸振作动器外壳2之间的紧固件压紧固定在挠性铰a1与吸振作动器外壳2之间；膜簧b13通过吸振作动器外壳2与吸振作动器底座4之间的紧固件压紧固定在吸振作动器外壳2与吸振作动器底座4之间。由此吸振作动器底座4一端连接吸振作动器外壳2，压紧吸振作动器3内的膜簧b13，另一端通过挠性铰b6的螺柱与挠性铰b6连接，压紧力传感器5。
54.连接螺栓11从下往上依次穿过膜簧b13、音圈电机静子12过孔、音圈电机动子9的中心孔、膜簧a7后通过螺母锁紧；限位块a8套装在连接螺栓11上，且限位块a8位于音圈电机动子9与膜簧a7之间，一端与音圈电机动子9上端面抵触，另一端与膜簧a7下端面抵触，由此膜簧a7的上下两端分别通过螺母和限位块a8压紧，避免其处于悬空状态。限位块b10也套装在连接螺栓11上，且限位块b10位于音圈电机动子9与膜簧b13之间，一端与音圈电机动子9下端面抵触，另一端与膜簧b13上端面抵触；连接螺栓11螺帽部分通过垫块与膜簧b13下端面抵触，由此膜簧b13的上下两端分别通过限位块b10和连接螺栓11的螺帽压紧，避免其处
于悬空状态。由此，当音圈电机动子9轴向移动时，带动两个膜簧、两个限位块通过连接螺栓11连接组成吸振作动器3的振动部分整体轴向移动。两个限位块可与音圈电机动子9一体加工。
55.当音圈电机动子9轴向运动时，带动两个膜簧变形，音圈电机动子9产生的轴向作动力通过膜簧传递至吸振作动器外壳2和吸振作动器底座4。
56.该主动消振支撑杆的消振原理是：两端采用挠性铰，挠性铰垂直于支撑杆轴向的两个横向方向的弯曲刚度远低于轴向刚度，因此使该支撑杆在力学上等效为“二力杆”，只传递轴向力。通过力传感器5测量支撑杆上的原始扰动轴向力，传递至控制器；控制器驱动吸振作动器3产生幅值相等、相位相反的轴向力。吸振作动器3产生的轴向力通过两个膜簧传递至吸振作动器外壳2，两个轴向力在力传感器5处汇合，以抵消原始扰动轴向力，达到隔振的目的(即避免原始扰动轴向力传递至基础结构)。
57.上述主动消振支撑杆中，挠性铰a1和挠性铰b6提供垂直于轴向的两个方向的低弯曲刚度，使该主动消振支撑杆等效为力学上的二力杆；力传感器5测量至少轴向力信息，吸振作动器3在外部控制器的驱动下提供轴向方向的作动力，力传感器5、吸振作动器3、控制器形成轴向力的闭环控制系统。
58.优选地，挠性铰a1、挠性铰b6、吸振作动器外壳2、吸振作动器底座4均采用金属制成；力传感器5内部敏感元件采用压电材料。
59.实施例2：
60.在上述实施例1的基础上，提供一种具备空间精度保持能力的减振系统。
61.如图3所示，该减振系统包括：n个(n≥3)主动消振支撑杆300、转接角盒200、控制器400；该减振系统上端安装有空间精度保持需求、工作时有微小振动的设备，即扰振源100，下端与航天器基础结构连接。
62.依据减振需求，n个主动消振支撑杆300按设定空间角度布置(通过多个主动消振支撑杆300布局，可以实现各个方向上力的抵消)，扰振源100与航天器基础结构之间的角度关系通过转接角盒200保证。具体的：主动消振支撑杆300的一端通过转接角盒200与扰振源100相连，另一端通过转接角盒200与航天器基础结构连接。地面安装阶段，对转接角盒200采取转动、垫调整垫片、再加工等调整方式，直到扰振源100的安装位置和精度满足要求为止。转接角盒连接扰振源100与基础结构，通过转接角盒200的调整实现扰振源100的精度调整，通过减振系统的高刚度特性实现扰振源100位置和角度的精度保持。各主动消振支撑杆300分别通过两根电缆与控制器400电连接。
63.减振系统的工作原理是：每个上的力传感5器测量其自身所在消振主动支撑杆300的原始扰振轴向力信息反馈至控制器400，控制器400控制吸振作动器3中的振动部分上下振动，产生与原始扰振轴向力同等幅值、相反相位的轴向作动力；吸振作动器3的轴向作动力通过膜簧传递至吸振作动器外壳2、吸振作动器底座4，再传递至力传感器5，抵消原始扰振力，达到减振的目的。
64.地面停放、总装、测试、试验、发射飞行阶段：扰振源100通过该减振系统的力学载荷传递路径为：扰振源100—》设备端转接角盒—》挠性铰a1—》吸振作动器外壳2、吸振作动器底座4—》力传感器5—》挠性铰b6—》基础结构端转接角盒—》卫星/相机基础结构，如图4所示；力学载荷的传递环节均为刚性元件，轴向不存在柔性低刚度变形环节，通过各个部件
的设计，可保证扰振源100与减振系统组合体的刚度，保证扰振源100的位置和方向精度要求。
65.在轨飞行阶段，当减振系统不工作时，扰振源100的扰振力的传递路径为：扰振源100—》设备端转接角盒—》挠性铰a1—》吸振作动器外壳2、吸振作动器底座4—》力传感器5—》挠性铰b6—》基础结构端转接角盒—》卫星/相机基础结构，每个消振支撑杆300上的力传感器5测量扰振源100通过支撑杆传递的轴向扰振力，测量信息传递至控制器400。
66.当减振系统工作时，力传感器5采集到的扰振力信息传递至控制器400，控制器400控制吸振作动器3动作，产生幅值相等、相位相反的轴向反作用力，反作用力通过膜簧传递至吸振作动器外壳2和吸振作动器底座4，再传递至力传感器5，抵消扰振力，使得力传感器5采集到的扰振力减小。
67.如图5所示，本实施例提供一种具有六个主动消振支撑杆300的减振系统，六个主动消振支撑杆300两两一组，分成三组；三组主动消振支撑杆300沿周向均匀间隔分布；每组中的两个主动消振支撑杆300一端通过转接角盒200与航天器基础结构呈60
°
夹角设置，另一端通过转接角盒200与扰振源100同一位置相连，由此每组中的两个主动消振支撑杆300轴线直线的夹角也为60
°
。
68.综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.具备空间精度保持能力的主动消振支撑杆，其特征在于，包括：挠性铰a(1)、挠性铰b(6)、吸振作动器外壳(2)、吸振作动器底座(4)、吸振作动器(3)和力传感器(5)；所述吸振作动器外壳(2)轴向一端通过挠性铰a(1)与扰振源相连，另一端与吸振作动器底座(4)相连；所述力传感器(5)压紧在所述挠性铰b(6)与吸振作动器底座(4)之间；所述力传感器(5)具有预紧力；所述力传感器(5)用于采集轴向力信息，传递给外部控制器；所述挠性铰b(6)与基础结构连接；所述吸振作动器外壳(2)内部安装吸振作动器(3)，所述吸振作动器(3)用于在控制器的作用下产生轴向力，以抵消所述扰振源的扰动轴向力。2.如权利要求1所述的具备空间精度保持能力的主动消振支撑杆，其特征在于：所述吸振作动器(3)包括：音圈电机动子(9)、音圈电机静子(12)和振动传力组件；所述音圈电机动子(9)能够沿轴向移动；所述音圈电机静子(12)与所述吸振作动器外壳(2)固定连接，并与外部控制器电连接；所述振动传力组件与所述音圈电机动子(9)固接，将所述音圈电机动子(9)产生的轴向作动力传递至所述吸振作动器外壳(2)和所述吸振作动器底座(4)。3.如权利要求2所述的具备空间精度保持能力的主动消振支撑杆，其特征在于：所述振动传力组件包括：膜簧a(7)、膜簧b(13)、限位块a(8)、限位块b(10)和连接螺栓(11)；所述膜簧a(7)安装在所述挠性铰a(1)与所述吸振作动器外壳(2)之间；所述膜簧b(13)安装在所述吸振作动器外壳(2)与所述吸振作动器底座(4)之间；所述连接螺栓(11)从下往上依次穿过所述膜簧b(13)、音圈电机静子(12)、音圈电机动子(9)、膜簧a(7)后通过螺母锁紧；所述膜簧a(7)的上下两端分别通过螺母和套装在连接螺栓(11)上的限位块a(8)压紧；所述膜簧b(13)的上下两端分别通过套装在连接螺栓(11)上的限位块b(10)和连接螺栓(11)的螺帽压紧。4.如权利要求1-3任一项所述的具备空间精度保持能力的主动消振支撑杆，其特征在于：所述力传感器(5)套装在所述挠性铰b(6)上端面的螺柱上；所述螺柱穿出力传感器(5)的部分与所述吸振作动器底座(4)通过螺母锁紧，将所述力传感器(5)压紧在所述挠性铰b(6)与所述吸振作动器底座(4)之间；通过螺母对所述力传感器(5)施加预紧力。5.如权利要求3所述的具备空间精度保持能力的主动消振支撑杆，其特征在于：所述限位块a(8)、限位块b(10)与所述音圈电机动子(9)一体加工。6.如权利要求1-3任一项所述的具备空间精度保持能力的主动消振支撑杆，其特征在于：所述挠性铰a(1)、挠性铰b(2)、吸振作动器外壳(2)、吸振作动器底座(4)均采用金属制成。7.如权利要求1-3任一项所述的具备空间精度保持能力的主动消振支撑杆，其特征在于：所述力传感器(5)内部敏感元件采用压电材料。8.一种减振系统，其特征在于：包括：三个以上主动消振支撑杆；所述主动消振支撑杆为上述权利要求1-7任一项所述的具备空间精度保持能力的主动消振支撑杆，三个以上主动消振支撑杆按设定空间角度布置在扰振源和基础结构之间；三个以上主动消振支撑杆分别与控制器电连接。
9.如权利要求8所述的减振系统，其特征在于：所述主动消振支撑杆的一端通过转接角盒与扰振源相连，另一端通过转接角盒与基础结构相连。10.如权利要求8所述的减振系统，其特征在于：包括六个主动消振支撑杆；六个所述主动消振支撑杆两两一组；三组所述主动消振支撑杆沿周向均匀间隔分布；每组中的两个主动消振支撑杆一端通过转接角盒与基础结构呈设定夹角相连，另一端通过转接角盒与扰振源同一位置相连。
技术总结
本发明提供一种具备空间精度保持能力的主动消振支撑杆，基于力抵消的原理实现隔振，在隔振的同时不会影响运动部件初始的位置和角度精度，实现运动部件的空间(位置和角度)精度的保持。该主动消振支撑杆包括：挠性铰A、挠性铰B、吸振作动器外壳、吸振作动器底座、吸振作动器和力传感器；挠性铰A和挠性铰B提供垂直于轴向的两个方向的低弯曲刚度，使该主动消振支撑杆等效为力学上的二力杆；力传感器测量至少轴向力信息，吸振作动器在外部控制器的驱动下提供轴向方向的作动力，力传感器、吸振作动器、控制器形成轴向力的闭环控制系统。此外，本发明还提供一种基于上述主动消振支撑杆的减振系统。振系统。振系统。
