CN102162500B

CN102162500B - 一种精密主动减振装置

Info

Publication number: CN102162500B
Application number: CN2011100585740A
Authority: CN
Inventors: 陈学东; 李巍; 徐振高; 袁志扬; 吴文江
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology; Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology; Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2031-03-11
Also published as: CN102162500A

Abstract

本发明提供了一种结构紧凑、集成度高的精密主动减振装置，它适用于需要进行微幅振动抑制的小质量精密加工（测量）设备。该装置主要包括既能感受振动又能对振动进行抑制的压电块结构、压电块提供垂向预压力的折叠弹簧以及提供垂向被动隔振的柔性铰链。其中，压电块可以采用垂直布置，也可以采用45度倾斜布置，采用倾斜布置的压电块结构可以同时测量和抑制水平向振动和垂向振动。另外，一种实现水平面隔振的减振装置可以提供360度水平面的振动隔离，其内部采用线切割加工出螺旋线形槽。水平面隔振减振装置与垂向精密主动减振装置结合使用，既可以主动抑制垂向振动，又可被动隔离水平振动。

Description

一种精密主动减振装置

技术领域

本发明属于精密减振领域，具体涉及一种小型的精密主动减振装置。该装置适用于需要进行微幅振动抑制的小质量精密加工(测量)设备。

背景技术

常见减振装置一般采用如螺旋弹簧、气囊等元件隔离从振源传至被隔离物体的振动。采用螺旋弹簧的系统存在着无法抑制低频振动的问题。采用气囊的减振系统虽然可以有效抑制低频振动，但其承载力小，体积大，不利于用在精密小型设备中。另外，螺旋弹簧或气囊等都是被动隔振元件，即他们不需要消耗外部能量，但无法主动根据外界振动情况进行振动抑制，也无法抑制直接作用于受保护设备的振动，并且无法主动进行定位调节。被动隔振元件与传感器、作动器结合可以构成主动减振装置，其传感器常采用速度或加速度传感器，作动器常采用电机，气缸等。受传感器、作动器体积的限制，对于需要微幅精密减振的小型设备而言，这种主动减振装置结构复杂，体积较大。

发明内容

本发明的目的在于提出一种结构紧凑、集成度高的精密主动减振装置，它主要针对于需要进行微幅振动抑制的小质量精密设备。

本发明提供的一种精密主动减振装置，其特征在于，该装置包括在同一基体内加工而成的被动减振部分与主动减振部分，主动减振部分位于被动减振部分上面，二者之间为中间断开的直线隔离槽，直线隔离槽为螺旋线形槽；主动减振元件采用的压电块结构，其中压电块的预压力由折叠弹簧提供，被动减振元件采用的是柔性铰链结构，整个装置关于垂向中心线轴对称。

本发明提出一种精密主动减振装置，它包括既能感受振动又能对振动进行抑制的压电块结构，为压电块提供垂向预压力的折叠弹簧，若干条采用电火花线切割加工出的槽，八个提供垂向被动隔振的柔性铰链。该装置利用压电块的主动测振和减振特性，以及柔性铰链的被动隔振特性串联组成二级减振系统。该主动减振装置结构紧凑，集成度度高，适用于对精密小型设备进行微幅减振。

另外，本发明提供一种实现水平面隔振的减振装置，减振装置的内采用电火花线切割加工出螺旋线形槽。该种形式的减振装置可以对位于其中心安装接口的设备提供360度水平振动隔离。

此外，本发明提出一种垂向精密主动减振装置和水平隔振减振装置组合而成的主动减振装置，它即可以主动抑制垂向振动，又可被动隔离水平振动。具体而言，本发明具有以下技术特点：

(1)压电块可以垂向布置，也可以倾斜布置。压电块倾斜布置时，采用柔性铰链结构消除压电块受到的切向应力。

(2)所述的折叠弹簧由线切割加工而成，它采用不同切割形式，也可以加工出孔以降低刚度。

(3)所述水平面隔振减振装置内采用线切割加工出螺旋线形槽，与精密主动减振装置相连接的接口位于减振装置的中心。

(4)可以采用所述的三个精密主动减振装置共同支承精密设备，通过线缆与控制系统相连接，从而主动抑制精密设备受到的振动。。

附图说明

图1为本发明第一实施例所述的垂向精密主动减振装置；

图2为本发明第二实施例所述的垂向和水平向精密主动减振装置；

图3(a)为本发明所述的一种实现水平面隔振的减振装置的俯视图；

图3(b)为本发明所述的一种实现水平面隔振的减振装置的前视图；

图4(a)为三个精密主动减振装置组成主动减振系统的俯视图；

图4(b)为三个精密主动减振装置组成主动减振系统的前视图。

具体实施方式

本发明提供的减振装置采用被动减振与主动减振相结合的二级减振方式。被动减振部分位于该装置的下部，主动减振部分位于该装置的上部。其中被动减振元件采用的是柔性铰链结构，主动减振元件采用的压电块结构。压电材料是一种同时兼具正逆机电耦合特性的智能材料，若对其施加作用力，则在它的两个电极上将感应产生等量的异种电荷。反之，当它受到外加电压的作用时，便会产生机械变形。基于这一特性，压电材料在振动主动控制中被广泛用作传感器和作动器。压电块由压电作动器和压电传感器组成，两部分封装成一个整体。因此压电块不仅能够感测由振动产生的力，而且能够抑制振动。压电块在垂向可以承载或施加很大的力，但它不能承受水平方向的剪切力以及垂向的拉伸力。折叠弹簧采用线切割加工而成，它具有垂向弹性。压电块安装在垂向精密主动减振装置中的两个方孔内，可以采用粘合剂将压电块的位置固定。当压电块置于方孔中时，折叠弹簧处于垂向拉伸状态，因此对压电块施加了一定的预压力，以防止压电块受到拉伸应力的作用而造成其损坏。压电块中的压电传感器感测到由振动产生的力后，将测量信号传给控制器，控制器进而将控制信号传给压电作动器以驱动其进行主动振动抑制。垂向精密主动减振装置的下部分为垂向被动弹性单元，通过4个柔性铰链单元的组合，该垂向精密主动减振装置具有垂向弹性，因此具有垂向被动隔振能力。应用时，该垂向精密主动减振装的上表面与需要进行减振的精密设备相连，下表面与外界环境相连。

本发明提供的减持装置可以分为二种方式，一种是垂向方式，另一种是垂向和水平向方式。

以下结合说明书附图对本发明的具体实施例作进一步详细的说明。

如图1所示，垂向精密主动减振装置包括位于下部的被动减振部分和位于上部的主动减振部分，其中被动减振部分与主动减振部分由直线隔离槽6b分隔开。整个装置关于垂向中心线o轴对称。

被动减振部分包括结构相同的第一至第四柔性单元4a、4b、4c、4d，C形槽6a，和下直线槽6c；每个柔性单元包括两个柔性铰链，两个柔性铰链的中心线q位于同一水平线上；第二柔性单元4b位于第一柔性单元4a的下方，且其位置与第一柔性单元4a沿垂向对齐；第一柔性单元4a和第三柔性单元4c的上端与直线隔离槽6b相连，第一、第三柔性单元4a、4c下端与C形槽6a的上端相连；第二、第四柔性单元4b、4d的下端与直线槽6c相连，上端与C形槽6a的下端相连；其中直线隔离槽6b包括对称的左右两段，左段从整个垂向精密减振装置的左端面沿水平方向向中心线o延伸，直到与第一柔性单元4a的右端对齐；直线隔离槽6b的右段从整个垂向精密减振装置的右端面沿水平方向向中心线o延伸，直到与第三柔性单元4c的左端对齐；直线槽6c从第二柔性单元4b的左端沿水平向一直延伸至第四柔性单元4d的右端。

主动减振部分包括位于该垂向精密主动减振装置左右两端的第一、第二折叠弹簧1a、1b，位于折叠弹簧与中心线o之间的第一、第二方孔9a、9b，位于方孔9a、9b中的由压电作动器2和压电传感器3组成的压电块，以及直线槽7；其中，直线槽7从左边的方孔9a沿水平向一直延伸到右边的方孔9b；压电块中压电作动器2和压电传感器3层叠布置，其上下关系可交换。

如图2所示，垂向和水平向精密主动减振装置同样包括位于下部被动减振部分和位于上部的主动减振部分，其中被动减振部分与主动减振部分由直线槽19分隔开。整个装置关于中心线p轴对称。

被动减振部分的结构与本发明第一实施例中垂向精密主动减振装置中位于下部的被动减振部分完全一样。

主动减振部分包括位于装置左右两端的第三、第四折叠弹簧14a、14b，位置比折叠弹簧更靠近装置中心线p的两个方孔17a和17b，位于方孔17a和17b中的由压电作动器12和压电传感器11组成的压电块，直线槽15和直线槽16a、16b，以及四个柔性铰链13a、13b、13c、13d；其中方孔17a的法线r和17b的法线s均与装置中心线p有一定的交角，并且两个方孔17a与17b相对于中心线p对称；压电块中压电作动器2和压电传感器3层叠布置，其上下关系可交换；在垂直于方孔17a与压电块接触平面的法线方向上布置有两个柔性铰链13a和13b，它们在方孔17a两侧对称布置；同样，在垂直于方孔17b与压电块接触平面的法线方向上布置有两个柔性铰链13c和13d，它们在方孔17b两侧对称布置；直线槽16a的一端沿水平向连接折叠弹簧14a，另一端连接方孔17a；直线槽16b的一端沿水平向连接折叠弹簧14b，另一端连接方孔17b；直线槽15的两端分别沿水平向连接方孔17a和17b。

压电块安装在方孔17a和17b内，可以采用粘合剂将压电块的位置固定。当压电块置于方孔17a和17b中时，折叠弹簧14a和14b处于垂向拉伸状态，因此对压电块施加了一定的预压力。与本发明第一实施例不同的是，本发明第二实施例中的压电块呈倾斜布置，且两个压电块呈对称布置。尽管压电块只能感测其法线方向的振动，并且也只能施加法线方向的作用力，但由于压电块采取了倾斜布置的方案，因此压电块的作用力和测量方向可以分解为垂向和水平向分量，因此该精密主动减振装置可以同时抑制水平向和垂向的振动，是一个二自由度减振系统。为了避免压电块受到切向作用力后造成损坏，因此采用了4个柔性铰链结构13a、13b、13c和13d以解耦压电块受到的切向应力。同样，该垂向和水平向精密主动减振装置的下部分为被动减振部分，其结构和原理与本发明第一实施例中垂向精密主动减振装置中位于下部的被动减振部分完全一样。应用时，本发明第二实施例中垂向和水平向精密主动减振装的上表面与需要进行减振的精密设备相连，下表面与外界环境相连。

图3(a)和图3(b)为本发明所述的一种实现水平面隔振的减振装置，其中图3(a)为主视图，图3(b)为俯视图。该减振装置32由金属材料制成。具有一定厚度的减振装置32内采用线切割加工出螺旋线形槽31，与垂向精密主动减振装置10相连接的接口33位于减振装置的中心，两者俯视方向的位置关系如图3(b)所示。由于减振装置32内有螺旋线形槽31，因此安装在接口33的物体具有水平方向360度的弹性，从而可以实现水平面振动的隔离。因此，通过垂向精密主动减振装置10与水平面隔振减振装置32的组合，构成一个即能实现垂向主动减振，又能实现水平向360度隔振的精密主动减振装置。

图4(a)和图4(b)为三个精密主动减振装置组成的主动减振系统的示意图，其中图4(a)为主视图，图4(b)为俯视图。需要抑制振动的精密设备42由三个精密主动减振装置41、45、46组成的精密主动减振系统支承，该精密主动减振装置41、45、46为本发明第一实施例所述的垂向精密主动减振装置和本发明所述的水平面隔振减振装置32组合而成的主动减振装置，或者是本发明第二实施例所述的垂向和水平向精密主动减振装置。三个精密主动减振装置41、45、46通过线缆43与控制系统44连接，实现对精密设备42振动的抑制。

上述精密主动减振装置中提供垂向被动隔振的柔性铰链结构，同样可以应用于水平被动隔振；对压电块施加预压力的折叠弹簧也可以采用预紧螺栓代替。当压电块倾斜布置时，其倾斜角度可以是0到90度之间的其它度数；减振装置32中的螺旋线形槽31可以为一条或多条；图4(a)、(b)所示的主动减振系统中可以包含3个或多个精密主动减振装置41、45、46。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种精密主动减振装置，其特征在于，该装置包括在同一基体内加工而成的被动减振部分与主动减振部分，主动减振部分位于被动减振部分上面，二者之间为中间断开的直线隔离槽，直线隔离槽为螺旋线形槽；主动减振部分中起减振作用的元件采用的是压电块结构，其中压电块的预压力由折叠弹簧提供，被动减振部分中起减振作用的元件采用的是柔性铰链结构，整个装置关于垂向中心线轴对称；被动减振部分包括结构相同的第一至第四柔性单元(4a、4b、4c、4d)，C形槽(6a)，和第二直线槽(6c)；每个柔性单元包括两个柔性铰链，两个柔性铰链的第三中心线q位于同一水平线上；第二柔性单元(4b)位于第一柔性单元(4a)的下方，且其位置与第一柔性单元(4a)沿垂向对齐；第一柔性单元(4a)和第三柔性单元(4c)的上端与直线隔离槽(6b)相连，第一、第三柔性单元(4a、4c)下端与C形槽(6a)的上端相连；第二、第四柔性单元(4b、4d)的下端与第二直线槽(6c)相连，上端与C形槽(6a)的下端相连；其中直线隔离槽(6b)包括对称的左右两段，左段从整个垂向精密减振装置的左端面沿水平方向向第一中心线o延伸，直到与第一柔性单元(4a)的右端对齐；直线隔离槽(6b)的右段从整个垂向精密主动减振装置的右端面沿水平方向向第一中心线o延伸，直到与第三柔性单元(4c)的左端对齐；第二直线槽(6c)从第二柔性单元(4b)的左端沿水平向一直延伸至第四柔性单元(4d)的右端。

2.根据权利要求1所述的精密主动减振装置，其特征在于，主动减振部分包括位于该垂向精密主动减振装置左右两端的第一、第二折叠弹簧(1a、1b)，位于第一、第二折叠弹簧与第一中心线o之间的第一、第二方孔(9a、9b)，分别位于第一、第二方孔(9a、9b)中的由压电作动器(2)和压电传感器(3)组成的两个压电块，以及第一直线槽(7)；其中，第一直线槽(7)从第一方孔(9a)沿水平向一直延伸到第二方孔(9b)；两个压电块中的压电作动器(2)和压电传感器(3)层叠布置，其上下关系能够交换。

3.根据权利要求1所述的精密主动减振装置，其特征在于，主动减振部分包括位于装置左右两端的第三、第四折叠弹簧(14a、14b)，位置比第三、第四折叠弹簧(14a、14b)更靠近装置的第二中心线p的第三、第四方孔(17a、17b)，分别位于第三、第四方孔(17a、17b)中的由压电作动器(12)和压电传感器(11)组成的压电块，第三直线槽(15)和第四、第五直线槽(16a、16b)，以及四个柔性铰链(13a、13b、13c、13d)；其中第三方孔(17a)的法线r和第四方孔(17b)的法线s均与所述装置的第二中心线p有一定的交角，并且第三、第四方孔(17a、17b)相对于第二中心线p对称；压电块中压电作动器(12)和压电传感器(11)层叠布置，其上下关系可交换；在垂直于第三方孔(17a)与压电块接触平面的法线方向上布置有两个柔性铰链(13a、13b)，它们在第三方孔(17a)两侧对称布置；同样，在垂直于第四方孔(17b)与压电块接触平面的法线方向上布置有两个柔性铰链(13c、13d)，它们在第四方孔(17b)两侧对称布置；第四直线槽(16a)的一端沿水平向连接第三折叠弹簧(14a)，另一端连接第三方孔(17a)；第五直线槽(16b)的一端沿水平向连接第四折叠弹簧(14b)，另一端连接第四方孔(17b)；第三直线槽(15)的两端分别沿水平向连接第三、第四方孔(17a、17b)。