CN101225865B - 单自由度超低频垂直隔振系统 - Google Patents

Abstract

一种单自由度超低频垂直隔振系统，包括质量块、中间质量块、零点发生机构、零刚度机构和刚性基础组成，零刚度机构低本发明系统结构的动态刚度值，使系统固有频率大大降低，使在超低频范围的被动隔振得以实现。零点发生机构降低了本发明系统结构在超低频频率范围内的振动传递率，使得隔振系统的隔振效果大大提高；另外可以根据实际隔振的振幅和频率要求，改变零点发生机构的参数来调节系统的振动传递率。零点发生机构和零刚度机构存在关系是：零刚度机构不仅降低系统的动态刚度值，而且降低了零点发生机构III的零点值，可以在超低频范围内的实现零点。

Description

单自由度超低频垂直隔振系统

技术领域

本发明涉及一种机械式隔振装置，具体涉及一种单自由度超低频垂直隔振装置。

背景技术

在精密制造和精密测试过程中，环境及设备的振动对加工精度和测试结果有很大的影响，特别是在微制造技术快速发展的今天，超大规模集成芯片生产、超精密加工、超精密测量等，对设备的隔振提出更加严格的要求。目前，工程中常用的隔振材料主要有橡胶、软木、刚性弹簧等；常用的隔振系统有：橡胶隔振系统、金属弹簧隔振系统、空气弹簧隔振系统等。橡胶隔振系统有一定的强度、弹性和阻尼，对中高频振动隔离效果好，但对地表脉动和人走动等低频的隔离效果不理想；金属弹簧隔振系统本身刚度固定不可调且阻尼小，隔振器的固有频率高，不能单独应用于隔振敏感度要求苛刻的精密仪器工作台隔振；空气弹簧隔振系统常用于精密工程领域，该系统具有承载能力较高，以及刚度小的特点，但是制造成本很高，对环境适应能力较差，同时需要辅助气源及控制阀等装置，致使通用性大大降低，难以广泛应用于生产实际。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种结构简单、安装拆卸方便，稳定性好，对环境的适应能力强，振动传递率低，隔振效果好，且隔振频率的范围可以根据系统要求的振动传递率来进行调节的单自由度超低频垂直隔振系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括凹形底座以及设置在凹形底座中间位置的中间质量块，凹形底座的两侧分别对称设置有一组连杆，连杆分别通过外螺纹杆件与弹簧相连，且在各外螺纹杆件上设置有与之配合的螺母，各弹簧分别与各自对应的杆件相接触且处于同一水平线，两侧的所述杆件均与中间质量块相连，中间质量块的下方设置有第一调节板，在第一调节板上分别设置有第二调节板及铰链支座，铰链支座上设置有杠杆，质量球固接于杠杆的末端，铰链支座、杠杆和质量球共同构成了零点发生机构，杠杆处于水平状态，可以绕铰链支座作微转动，运用惯性耦合原理，质量球上下微幅振动产生隔振所需要的零点，在比较大频率范围内降低振动传递率的数值，并且在增加零点发生机构的情况下，隔振系统仍为单自由度系统，在第二调节板上设置有四只与中间质量块相接触的支撑弹簧，支撑弹簧分别位于中间质量块的四个角，保证中间质量块的上表面与水平面相平行。

本发明的连杆的外侧攻外螺纹，连杆通过螺纹与底座相连；中间质量块及杆件上分别开设有圆孔，中间质量块与杆件之间通过长销相连接。

由于本发明采用零点发生机构，可以改善系统在特定频率区域垂直方向的振动传递率大的问题；采用零刚度机构，可以降低系统固有频率，从而拓宽了系统的隔振频率范围及提高了对超低频振动的隔振能力；在零刚度机构中的弹性支撑，不仅可以解决系统的承载问题，而且可以削弱高频率振动对超精密系统的影响。该系统具有系统振动传递率低、固有频率低(系统的固有频率理论值等于零)等特点，系统等效结构阻尼比大于0.1。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明的系统原理图，其中横坐标为外部振源频率与隔振系统固有频率之比，纵坐标为隔振系统的振动传递率；

图3为本发明的零刚度机构原理图；

图4为本发明的零点发生机构示意图；

图5为本发明整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明由质量块I(实际物体)、中间质量块II、零点发生机构III、零刚度机构IV(可以实现动态刚度理论值等于零)、以及刚性基础V组成。中间质量块II位于零刚度机构IV和零点(一个反共振频率点，特点是系统的振动传递率为零)发生机构III上面；质量块I位于中间质量块II正上方。

本发明的主要结构是零点发生机构III和零刚度机构IV。零刚度机构IV降低本发明系统结构的动态刚度值，使系统固有频率大大降低，使在超低频范围的被动隔振得以实现。零点发生机构III降低了本发明系统结构在超低频频率范围内的振动传递率，使得隔振系统的隔振效果大大提高；另外可以根据实际隔振的振幅和频率要求，改变零点发生机构III的参数来调节系统的振动传递率。零点发生机构III和零刚度机构IV存在关系是：零刚度机构IV不仅降低系统的动态刚度值，而且降低了零点发生机构III的零点值，可以在超低频范围内的实现零点。

参照图3，本发明所提到的零刚度，是指机构的动态刚度理论值为零。①为压缩弹簧，本发明实例中，使用螺母配合来控制压缩弹簧的压缩量；②为轻质量杆，其平衡于水平位置；③为零刚度机构的承载弹簧；④刚性基础。

在图3中，K₁为承载弹簧③的静态刚度；K₂为压缩弹簧①的静态刚度；F为外作用力(在本发明中F为物体的重力)；O点为系统的静态平衡点。

压缩弹簧①与轻质量杆②构成负刚度子机构，产生负刚度值；负刚度子机构与承载弹簧③并联，机构的动态总刚度等于承载弹簧的正刚度与负刚度子机构产生负刚度值的代数和。因此，机构的动态总刚度理论值可以等于零；实际应用中，可以根据需要调节参数达到所需要的刚度值。机构的静刚度值，等于支撑弹簧的刚度值。支撑弹簧所产生的弹性力等于F，能保证结构的稳定性。

参照图4，零点发生机构III。图中a为中间质量块；b为一种动力减振器子机构，位于中间质量块的下方；c为动力减振器中的质量球；d为刚性基础。在动力减振器子机构中，运用惯性耦合原理，质量球c上下微幅振动产生隔振所需要的零点。零点可以在比较大频率范围内降低振动传递率的数值，使得系统的隔振效果更好。质量球c在作微幅振动的情况下，中间质量块a、刚性基础d及质量球c它们之间的位移存在线性关系，质量球c的位移可以由中间质量块a(即图1中间质量块II)和刚性基础d位移表示。因此，在增加零点发生机构的情况下，隔振系统仍为单自由度系统；不仅方便隔振系统的设计与研制，而且大大提高单自由度隔振系统的隔振性能。

参照图5，本发明包括一个固定整个隔振平台的凹形底座1，隔振平台的底座1可通过螺栓连接固定在大地上；凹形底座1中间位置设置有中间质量块5，凹形底座1的两侧分别对称设置有两组连杆2，连杆2的外侧攻外螺纹，连杆2通过螺纹与底座1相连，各组连杆2分别通过外螺纹杆件4与弹簧8相连，且在外螺纹杆件4上设置有与之配合的螺母3，弹簧8与杆件7相接触两构件之间存在一定的作用力，且处于同一水平线，通过连杆2来调节弹簧8的压缩量，中间质量块5及杆件7上分别开设有圆孔，中间质量块5与杆件7之间通过长销6相连接，长销6可以自由安装拆卸，，中间质量块5的下方设置有第一调节板11，在第一调节板11上分别设置有第二调节板12及铰链支座10，铰链支座10上设置有杠杆9，质量球固接于杠杆9的末端，铰链支座10、杠杆9和质量球共同构成了零点发生机构，杠杆9处于水平状态，可以绕铰链支座10作微转动，同时杠杆9末端的质量球的质量可根据实际情况调整；第二调节板12上设置有四只与中间质量块5相接触的支撑弹簧13，支撑弹簧13分别位于中间质量块5的四个角，保证中间质量块5的上表面与水平面相平行。第一调节板11是长方体结构，用来调节中间质量块5的水平位置，保证中间质量块5的上表面与水平面相平行；铰链支座10位于第一调节板11的上方且直接接触，用来调节零点发生机构的水平位置，保证杠杆9与水平面平行，同时通过调节支撑弹簧13的有效长度和第一调节板11的厚度来保证支撑弹簧13与中间质量块5直接接触。

本发明的工作原理是：当外部振源通过底座1被传入此垂直隔振系统时，经过系统中的零刚度机构(由2个连杆结构2、2个内螺母3、2个外螺纹的杆件4、2个弹簧8、2个杆件7、一个中间质量5以及四个弹簧13组成)和零点发生机构(由铰链支座10和杠杆9(末端有质量球)组成)组成的复合系统同时对外部振源进行隔振，使得传递到中间质量块5上表面的振动幅度和频率的大小及范围大大降低，以满足超精密工作环境的要求。

如图2(1)所示，当外部振源频率与隔振系统的固有频率之比大于

隔振系统的振动传递率T＜1，隔振系统才有隔振效果。因此，降低隔振系统的固有频率，有利于拓宽隔振频率范围，为实现超低频隔振提供了可能性。在外部振源不可变时要实现超低频隔振，则只有降低隔振系统的固有频率。在本发明中，采用零刚度机构可以大大降低隔振系统的固有频率，从而实现了超低频隔振。在本发明的零刚度机构中，通过连杆结构2调节弹簧8的压缩量、通过第一调节板11以及弹簧13的长度来调整中间质量5的水平位置，以实现系统的固有频率理论值等于零，但固有频率的实际值小于1、甚至更小。

由图2(2)可知，曲线1为未加入零点发生机构时振动传递率曲线；曲线2为引入零点发生机构后的振动传递率曲线。比较曲线1和曲线2可得，零点发生机构能改善特定频率范围内隔振效果。因此，在超低频率范围内使用零点发生机构可减小振动传递率，从而进一步改善系统对超低频的隔振性能。当已知所允许的振动传递率最小值(即经过隔振系统隔振后的允许振幅与外部振源的最大振幅的比值)时，通过合理设计杠杆9比例参数(铰链支座分别与质量球的距离比值)和调节质量球(位于杠杆9的末端)的质量来实现本发明的零点发生机构。

本发明是由零刚度机构和零点发生机构组成的。其零刚度机构，是通过减小系统的动态刚度来减小系统的固有频率；而零点发生机构(对系统的刚度、阻尼影响可忽略不计)，是通过引入零点频率来降低超低频范围内的振动传递率，进一步提高系统的超低频隔振能力。系统的零点频率与固有频率是密切相关的，都与中间质量块5和质量球的质量、杠杆9比例参数有关。通过调节这些参数，来调整系统零点频率与固有频率的大小及分布。

本发明的优点：(1)在垂直方向上，系统的振动传递率低，隔振效果好；(2)系统的固有频率理论值等于零，实际的固有频率小于1；(3)隔振频率的范围可以根据系统要求的振动传递率来进行调节；(4)系统结构简单、方便安装拆卸；(5)系统稳定性好，对环境的适应能力好；(6)不需要辅助装置，且隔振系统成本低，因此通用性大大增强；(7)隔振系统可适用于超精密测量、超精密加工、及超精密工作环境下的隔振等。

Claims (3)

1.一种单自由度超低频垂直隔振系统，其特征在于：包括凹形底座(1)以及设置在凹形底座(1)中间位置的中间质量块(5)，凹形底座(1)的两侧分别对称设置有一组连杆(2)，连杆(2)分别通过外螺纹杆件(4)与弹簧(8)相连，且在各外螺纹杆件(4)上设置有与之配合的螺母(3)，各弹簧(8)分别与各自对应的杆件(7)相接触且处于同一水平线，两侧的所述杆件(7)均与中间质量块(5)相连，中间质量块(5)的下方设置有第一调节板(11)，在第一调节板(11)上分别设置有第二调节板(12)及铰链支座(10)，铰链支座(10)上设置有杠杆(9)，质量球固接于杠杆(9)的末端，铰链支座(10)、杠杆(9)和质量球共同构成了零点发生机构，杠杆(9)处于水平状态，可以绕铰链支座(10)作微转动，运用惯性耦合原理，质量球上下微幅振动产生隔振所需要的零点，在比较大频率范围内降低振动传递率的数值，并且在增加零点发生机构的情况下，隔振系统仍为单自由度系统，在第二调节板(12)上设置有四只与中间质量块(5)相接触的支撑弹簧(13)，支撑弹簧(13)分别位于中间质量块(5)的四个角，保证中间质量块(5)的上表面与水平面相平行。

2.根据权利要求1所述的单自由度超低频垂直隔振系统，其特征在于：所说的连杆(2)的外侧攻外螺纹，连杆(2)通过螺纹与底座(1)相连。

3.根据权利要求1所述的单自由度超低频垂直隔振系统，其特征在于：所说的中间质量块(5)及杆件(7)上分别开设有圆孔，中间质量块(5)与杆件(7)之间通过长销(6)相连接。

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