CN102305264B - 一种超低频精密主动减振器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种结构紧凑的超低频精密主动减振器，属于超精密减振领域。该超低频精密主动减振器由负刚度机构与空气弹簧并联组成被动减振单元，由洛伦兹直线作动器构成主动减振单元。负刚度机构是由片弹簧、铰链和刚性杆等组成的压杆结构。负刚度机构安装在空气弹簧的腔室内部，使减振器结构更加紧凑。正负刚度并联使得减振器具有大的承载力的同时具有极低的刚度，大大地降低了其固有频率。洛伦兹直线作动器用于提供主动阻尼，实现主动控制。本发明所提供的超低频精密主动减振器具有极低的固有频率，不仅对高频振动干扰具有良好的隔振效果，还能有效地隔离超低频振动，适用于对振动敏感的超精密加工与测量设备。

Description

一种超低频精密主动减振器

技术领域

本发明属于超精密减振领域，具体涉及一种超低频精密主动减振器。本发明所涉及的超低频精密主动减振器具有极低的固有频率，不仅对高频振动干扰具有良好的隔振效果，还能有效的隔离超低频振动，适用于对低频振动敏感的超精密加工与测量设备。

背景技术

随着科技的发展，以光刻机、扫描隧道显微镜(STM)、扫描探针显微镜(SPM)、原子力显微镜(AFM)等为代表的超精密加工与测量设备得到了越来越广泛的应用。由于其超精密性，这一类加工与测量设备对环境微幅振动的要求也愈加严格。超低频精密主动减振平台能够有效隔离地基和环境的低频微幅振动，为设备提供平稳的工作环境。

常见的减振器一般采用螺旋钢弹簧、空气弹簧等元件隔离地基的振动。螺旋钢弹簧无法同时满足大的承载能力和抑制低频振动的要求。空气弹簧虽然具有大的承载力以及抑制低频振动的能力，但是如果想要实现超低频隔振就必须采用加大气室容积等方法，这样会带来减振器体积的增大和控制上的困难。因此，一般的空气弹簧减振器的固有频率通常在1.5Hz-2Hz左右，无法实现1Hz以下的超低频隔振。

美国专利文献US5844664提供了一种主动减振器，其垂向和水平向的低刚度分别通过空气弹簧和偏摆机构实现。垂向空气弹簧采用膜式空气弹簧，由于减振器体积的限制和控制上的要求，无法实现超低频隔振。

世界组织产权组织出版的专利文献WO95/20113提供了一种正负刚度并联的超低频被动减振器，其垂向正刚度由钢弹簧提供，垂向负刚度机构是利用压杆原理形成的一种机构，其预紧力可通过螺钉调节。为了支承变化的负载，采用螺钉调节机构来调节垂向支承弹簧的位置使得垂向负刚度机构始终工作在平衡位置附近。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超低频精密主动减振器，该减振器结构紧凑，具有极低的固有频率，不仅对高频振动干扰具有良好的隔振效果，还能够有效地隔离地基和环境的超低频振动，为超精密加工与测量设备提供平稳的工作环境。

本发明提供的一种超低频精密主动减振器，其特征在于，该减振器包含主动减振单元与被动减振单元，主动减振单元与被动减振单元并联；主动减振单元包括洛伦兹直线作动器，被动减振单元由负刚度机构与空气弹簧并联组成，负刚度机构安装在空气弹簧的腔室内部。

本发明减振器所包含的负刚度机构，其负刚度大小可调，用于匹配空气弹簧的正刚度，从而调整减振器的刚度大小。负刚度的调整通过调整片弹簧的有效弯曲长度来实现；另外，还可以采用两片或者多片片弹簧并联叠加来调整负刚度机构的刚度。

本发明提供的超低频精密主动减振器由负刚度机构、空气弹簧组成的被动减振部件以及主动作动器洛伦兹直线作动器并联组成，在隔离高频振动的同时，还能够有效隔离垂向超低频振动，克服了一般减振器无法实现超低频隔振的缺点，适用于对低频振动敏感的超精密加工与测量设备。具体而言，本发明具有如下技术特点：

(1)采用正负刚度并联的方式，使减振器具有极低的固有频率，不仅对高频振动干扰具有良好的隔振效果，还能有效隔离超低频振动；

(2)采用主动作动器与被动减振部件并联的方式，能够有效地增大减振器的阻尼，在固有频率附近实现良好的振动传递特性；

(3)主动作动器采用洛伦兹直线作动器，不仅能实现主动减振，而且能作为激振器对减振系统进行激励，进而对减振系统进行参数辨识；

(4)负刚度机构安装在空气弹簧的腔室内部，结构更加紧凑；

(5)可调节弯曲长度的片弹簧来调整片簧的弯曲刚度，在变形量不变的情况下进而能调整负刚度机构的垂向负刚度。

附图说明

图1为本发明所提供超低频精密主动减振器的结构示意图；

图2为本发明负刚度机构的结构示意图；

图3为本发明所提供减振器正负刚度并联的原理图；

图4为本发明负刚度机构的原理图；

图5为本发明负刚度机构的刚度曲线。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明具体实施例的结构和工作原理作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明所提供的超低频精密主动减振器包括正负刚度并联的被动减振单元和主动减振单元，被动减振单元与主动减振单元并联连接。

被动减振单元由正刚度空气弹簧与负刚度机构并联组成。正刚度空气弹簧包括金属腔室1、橡胶薄膜2、金属压圈3、安装座4、负载支承板5、限位装置6、上活塞板8、下活塞板9和进气孔14。金属腔室1是一种内部中空而上端开口的圆筒形结构，使用时，将底板周围通过螺钉与地基相连。上活塞板8和下活塞板9位于金属腔室1内部，通过橡胶薄膜2与金属腔室1柔性相连。橡胶薄膜2呈环形结构，橡胶薄膜2内圈安置于上活塞板8和下活塞板9之间，并用周分布的螺钉10锁紧密封，形成空气弹簧的活塞结构。金属压圈3将橡胶薄膜2的外圈压在金属腔室1上，上面装上安装座4后通过周分布的螺钉将金属压圈3和橡胶薄膜2压紧连接在金属腔室1上。安装座4起辅助安装作用，用于安装限位装置6、洛伦兹直线作动器定子12和电涡流位移传感器13。限位装置6用于安全保护作用，限制减振器负载垂向的振动幅值，在运输过程中还能起到锁紧减振器，防止负载支承板5上下振动的作用。负载支承板5与上活塞板8通过螺钉固连，用于支撑减振器负载。进气孔14与供气系统连通，供气系统产生的压缩空气通过进气孔14进入空气弹簧腔室，浮起负载。

负刚度机构是一种压杆负刚度结构，安置于空气弹簧的腔室内部。如图1和图2所示，负刚度机构是一种对称压杆结构，它包括垂向支撑活塞杆15、第一、第二压杆16a和16b、第一、第二片弹簧18a和18b、第一、第二夹紧块19a和19b、第三、第四夹紧块17a和17b、第一、第二调整块20a和20b、第一、第二调整导杆21a和21b、加强梁22以及底板23。

底板23固定安装在金属腔室1的底部。负刚度机构的安装须保证垂向支撑活塞杆15的轴心线与金属腔室壁1的轴心线重合。垂向支撑活塞杆15与下活塞板9通过螺钉固连。垂向支撑活塞杆15通过铰链与压杆16a、16b的一端连接，压杆16a的另一端通过铰链与夹紧块17a连接，压杆16b的另一端通过铰链与夹紧块17b连接。片弹簧18a穿过第一调整块20a，并且片弹簧18a的两端分别通过夹紧块19a和夹紧块17a夹紧；片弹簧18b穿过第二调整块20b，并且片弹簧18b的两端分别通过夹紧块19b和夹紧块17b夹紧。夹紧块19a、19b与底板23固连，进而固定片弹簧18a、18b。调整导杆21a穿过第一调整块20a，其底端与底板23固定连接，调整导杆21b穿过调整块20b，其底端与底板23固定连接，调整导杆21a和21b的顶端均与加强梁22固定连接。由调整块20a、20b和调整导杆21a、21b组成的结构用于调整片弹簧18a、18b的弯曲刚度，从而调整负刚度机构的垂向负刚度用于和正刚度空气弹簧的刚度进行匹配。其原理是通过调整片弹簧18a、18b的有效弯曲长度来调节其弯曲刚度。另外，可以采用两片或者多片片弹簧并联叠加在一起用于增加弯曲刚度。调整块20a、20b通过紧定螺钉固定在调整导杆21a、21b上。加强梁22起辅助作用，用于增强调整导杆21a、21b的弯曲刚度。

主动减振单元包括洛伦兹直线作动器、振动速度传感器7以及电涡流位移传感器13。洛伦兹直线作动器包括洛伦兹直线作动器动子11和定子12。动子11与负载支承板5固连，定子12安装在安装座4上。动子11是永磁体，定子12是线圈。振动速度传感器7和电涡流位移传感器13用于减振器振动反馈控制，振动速度传感器7安装在负载支承板5上，反馈回负载绝对速度，通过反馈控制算法使洛伦兹直线作动器对负载施加作用力，用于振动主动控制。电涡流位移传感器13安装在安装座4上。电涡流位移传感器13除了用作振动反馈控制，还可以用于负载的定位控制。

图3为本发明减振器正负刚度并联的原理图。垂向正刚度K_a由空气弹簧提供，压杆16a、16b在平衡位置受到片弹簧18a、18b的预紧压力作用会处于不稳定状态，当有外部扰动作用在中心铰链处使得中心铰链处相对于平衡位置发生偏移时，压杆16a、16b受到的预紧压力会促使中心铰链处的偏移量加大，从而形成垂向负刚度。

图4表明了压杆负刚度形成的原理。片弹簧18a、18b的弯曲刚度为K_w，压杆16a、16b长度为L，无外部扰动时平衡位置处片弹簧18a、18b初始弯曲变形量为δ。有外部扰动时，中心铰链处会在垂向偏移x，此时需要外力F_n使其平衡。F_n表达式如式(1)所示：

$F_n={-2K}_w[\mathrm{\δ}-(L-\sqrt{L^2-x^2})]\·\frac{x}{\sqrt{L^2-x^2}}---\left(1\right)$

则该机构所形成刚度K_n表达式为：

$K_n=\frac{{\mathrm{dF}}_n}{\mathrm{dx}}={2K}_w[-1+(L-\mathrm{\δ})\frac{L^2}{{(L^2-x^2)}^{3/2}}]---\left(2\right)$

图5为本发明负刚度机构根据式(2)所作的刚度曲线，其中给定片弹簧18a、18b初始变形量δ为10mm，压杆16a、16b长度L为50mm。图5中横坐标表示中心铰链处相对于平衡位置的偏移量x，纵坐标表示该压杆机构刚度系数(即K_n/2K_w)。从图5可以看出，当中心铰链处的偏移量x超过某一值x₀时，该机构刚度会变成正值。令式(2)等于零可求得x₀表达式为：

$x_0=\±\sqrt{L^2-{\left[L^2(L-\mathrm{\δ})\right]}^{2/3}}---\left(3\right)$

为了保证压杆机构形成负刚度，须要负载工作在平衡位置附近。在超精密减振器中，负载的振动幅值通常在微米级别，因此有x＜＜L，此时根据式(2)压杆机构刚度可表示为：

$K_n={-2K}_w\·\frac{\mathrm{\δ}}{L}---\left(4\right)$

当减振器浮起负载后，调整减振器负载的垂向位置使得负刚度机构处于图3中所示平衡位置或者在其附近。在负载微幅振动下，该负刚度机构刚度可由式(4)给出。

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 (3)

1.一种超低频精密主动减振器，其特征在于，该减振器包含主动减振单元与被动减振单元，主动减振单元与被动减振单元并联；主动减振单元包括洛伦兹直线作动器，被动减振单元由负刚度机构与空气弹簧并联组成，负刚度机构安装在空气弹簧的腔室内部；

所述负刚度机构包括垂向支撑活塞杆(15)、第一、第二压杆(16a、16b)、第一、第二片弹簧(18a、18b)、第一、第二夹紧块(19a、19b)、第三、第四夹紧块(17a、17b)、第一、第二调整块(20a、20b)、第一、第二调整导杆(21a、21b)、加强梁(22)以及底板(23)；

底板（23）固定安装在金属腔室（1）的底部，垂向支撑活塞杆（15）与下活塞板（9）固连，垂向支撑活塞杆（15）通过铰链与第一压杆（16a）和第二压杆（16b）的一端连接，第一压杆（16a）的另一端通过铰链与第三夹紧块（17a）连接，第二压杆（16b）的另一端通过铰链与第四夹紧块（17b）连接；第一片弹簧（18a）穿过第一调整块（20a），并且第一片弹簧（18a）的两端分别通过第一夹紧块（19a）和第三夹紧块（17a）夹紧；第二片弹簧（18b）穿过第二调整块（20b），并且第二片弹簧（18b）的两端分别通过第二夹紧块（19b）和第四夹紧块（17b）夹紧；第一、第二夹紧块（19a、19b）与底板（23）固连，进而固定第一、第二片弹簧（18a、18b），第一调整导杆（21a）穿过第一调整块（20a），其底端与底板（23）固定连接，第二调整导杆（21b）穿过第二调整块（20b），其底端与底板（23）固定连接，第一、第二调整导杆（21a、21b）的顶端均与加强梁（22）固定连接；第一、第二调整块（20a、20b）固定在第一、第二调整导杆（21a、21b）上。

2.根据权利要求1所述的超低频精密主动减振器，其特征在于，空气弹簧包括金属腔室(1)、橡胶薄膜(2)、金属压圈(3)、安装座(4)、负载支承板(5)、限位装置(6)、上活塞板(8)、下活塞板(9)和进气孔(14)；金属腔室(1)是一种内部中空而上端开口的圆筒形结构，上活塞板(8)和下活塞板(9)位于金属腔室(1)内部，通过橡胶薄膜(2)与金属腔室(1)柔性相连；橡胶薄膜(2)呈环形结构，橡胶薄膜(2)内圈安置于上活塞板(8)和下活塞板(9)之间，并锁紧密封，形成空气弹簧的活塞结构；金属压圈(3)将橡胶薄膜(2)的外圈压在金属腔室(1)上，上面装上安装座(4)后将金属压圈(3)和橡胶薄膜(2)压紧连接在金属腔室(1)上；限位装置(6)安装在安装座(4)上，负载支承板(5)与上活塞板(8)固连，用于支撑减振器负载；进气孔(14)用于与供气系统连通。

3.根据权利要求1或2所述的超低频精密主动减振器，其特征在于，主动减振单元还包括振动速度传感器(7)以及电涡流位移传感器(13)；洛伦兹直线作动器包括洛伦兹直线作动器动子(11)和定子(12)；动子(11)与负载支承板(5)固连，定子(12)安装在安装座(4)上，动子（11）是永磁体，定子（12）是线圈；振动速度传感器(7)和电涡流位移传感器(13)用于减振器振动反馈控制，振动速度传感器(7)安装在负载支承板(5)上；电涡流位移传感器(13)安装在安装座(4)上。

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