CN102410337A - 一种基于负刚度原理的永磁低频多自由度隔振度机构 - Google Patents

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Abstract

一种基于负刚度原理的永磁低频多自由度隔振度机构，包括下永磁体、上永磁体、橡胶片、下永磁体固定板、橡胶固定座、上永磁体固定板、橡胶压块和橡胶片外缘固定压环；其中永磁体垂直方向磁化，且同极相对。该对永磁体在斥力的作用下形成一个正刚度系统，橡胶片在永磁体斥力的作用下被拉伸构成负刚度系统，二者联合使用构成一个低频隔振机构，单个隔振机构可实现三自由度的低频隔振，三个或四个并联使用可实现六自由度的低频隔振。不需要外界能量输入，更具有在真空中使用的前景。本发明具有结构简单，成本相当低廉，且易于加工制造的特点，可用于光学、声学、生物学、先进制造装备、半导体制造和精密测量等领域。

Description

一种基于负刚度原理的永磁低频多自由度隔振度机构
技术领域
本发明主要用于光学、声学、先进制造装备、半导体制造，精密测量和超精密领域中小型仪器设备的低频隔振，在真空中对仪器设备的隔振具有广泛的应用前景。
背景技术
在超精密领域，精密和超精密加工对环境的要求越来越严格，由于机械设备内部和外部的振动干扰是降低加工精度和表面质量的重要因素之一。超精密加工的质量不仅与振动干扰的振幅有关，而且与振动干扰的频率有关，对超精密加工产生不良影响的振动频率是在0.5-70Hz范围内的微幅振动，对振动的控制方法常用消振、隔振和吸振，在超精密领域中应用最广泛的当属隔振。目前，国内外的隔振机构主要有几种形式：橡胶、三线摆、倒摆、X摆、摇摆球等。其中橡胶结构简单，不易达到较低的固有频率。倒摆和X摆只能在水平一个方向隔振。在垂直方向目前隔振效果最好的是空气弹簧，需要外界气源，不能在真空中使用。由减振理论可知，传统被动隔振系统对外界界干扰频率大于隔振系统固有频率的
Figure BDA0000101772240000011
倍起减振作用，可较好地隔离中、高频振动，但隔离低频振动尤其是低频振动的能力较差。为了提高系统隔离低频振动的能力，通常有两种方法：一是减小隔振系统的刚度；二是增加承载质量。对于线性隔振器在相同负载下变形较大及降低隔振系统的稳定性，而承载能力也受到限制。因此，传统被动隔振系统已无法满足超精密加工及测量等领域对隔离低频宽频带振动的需要，则需要开展新型非线性隔振器的研究。若采用主动控制，可降低固有频率，提高隔振性能，但成本太高。自Platus提出了负刚度原理后，近年来，国内外应用了负刚度原理研究出各种隔振器，虽然隔振性能有所提高，但其承载能力较小，为了克服其缺陷。本发明采用橡胶和永磁体相结合，永磁体之间产生正刚度，橡胶产生负刚度，二者并联使用构成负刚度的磁浮隔振器。其最大的优点是在永磁体之间的磁场力最大时，其刚度接近于零，故可实现低频隔振，与现有的负刚度系统的隔振器相比，本发明最显著的优点是既有高的承载能力，又有较低的固有频率，具有良好的隔振性能。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于负刚度原理的永磁低频多自由度隔振度机构，该机构采用橡胶和永磁体相结合，既有较高的承载能力，又有较低的固有频率，既可实现三自由度的低频隔振，也可组合实现六自由度的低频隔振，具有良好的隔振性能。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种基于负刚度原理的永磁低频三自由度隔振机构，其特征在于：所述的低频三自由度隔振机构包括下永磁体、上永磁体、橡胶片、下永磁体固定板、橡胶固定座、上永磁体固定板、橡胶压块和橡胶片外缘固定压环；所述的上永磁体和下永磁体垂直方向磁化，且同极相对；所述的橡胶片的外缘通过橡胶外缘固定压环固定在橡胶固定座上，橡胶片的中间部分通过橡胶片压块与上永磁体固定板固定；所述的上永磁体固定上永磁体固定板上；所述的下永磁体固定在下永磁体固定板上；所述橡胶固定支座固定在下永磁体固定板上。
本发明所述的上永磁体和下永磁体采用圆柱或矩形永磁体。所述的橡胶片为一般的工业橡胶或天然橡胶。
本发明所述的上永磁体粘接或嵌入在上永磁体固定板上；所述的下永磁体粘接或嵌入在下永磁体固定板上。
本发明还提供了一种基于负刚度原理的永磁低频六自由度隔振机构，其特征在于：该机构是由三个或四个如权利要求1所述的低频三自由度隔振机构组成，所述的三个低频三自由度隔振机构均匀分布在同一圆周上，或将所述的四个低频三自由度隔振机构组成方形结构，实现六自由度隔振。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性的效果：
①该机构采用橡胶和永磁体相结合，既可实现三自由度的低频隔振，也可实现六自由度的低频隔振，具有良好的隔振性能。②不需要外界能量输入，更具有在真空中使用的前景。③本发明的低频隔振机构由永磁体，其结构简单，成本相当低廉，且易于加工制造。
附图说明
图1为本发明提供的基于负刚度原理的永磁低频三自由度隔振机构实施例的结构示意图。
图2为图1的俯视图。
图3为本发明提供基于负刚度原理的永磁低频三自由度低频隔振机构的原理图。
图4为本发明提供的由四个低频三自由度低频隔振机构成方形分布实现六自由度隔振的外观图。
图5为本发明提供的由三个低频三自由度低频隔振机构成圆周均匀分布实现六自由度隔振的外观图。
图6为四个基于负刚度原理的矩形或圆柱形永磁三自由度低频隔振机构并联使用可实现六自由度的隔振器原理图。
图7是三个负刚度原理的矩形或圆柱形永磁三自由度低频隔振机构并联可实现六自由度的隔振器的外观图。
图中：1-下永磁体固定板；2-橡胶固定支座；3-橡胶片外缘固定压环；4-上永磁体固定板；5-橡胶片压块；6-橡胶片；7-上永磁体；8-下永磁体；9-下支撑板；10-上支撑板；11-负载；12-负刚度隔振器组件。
具体实施方式
图1、图2为本发明提供的基于负刚度原理的永磁低频三自由度隔振机构实施例的结构示意图。该低频三自由度隔振机构包括下永磁体8、上永磁体7、橡胶片6、下永磁体固定板1、橡胶固定座2、上永磁体固定板4、橡胶压块5和橡胶片外缘固定压环3；所述的上永磁体7和下永磁体8垂直方向磁化，且同极相对，上永磁体和下永磁体采用圆柱或矩形永磁体。所述的橡胶片采用一般的工业橡胶或天然橡胶，橡胶片6的外缘通过橡胶外缘固定压环3固定在橡胶固定座2上，橡胶片的中间部分通过橡胶片压块5与上永磁体固定板4固定；所述的上永磁体7固定上永磁体固定板4上，固定方式可以采用粘接或嵌入的方式进行固定。永磁体8固定在下永磁体固定板1上，固定方式同样可以采用粘接或嵌入方式进行固定。所述橡胶固定支座2固定在下永磁体固定板1上。
图3为本发明提供基于负刚度原理的永磁低频三自由度低频隔振机构的垂直方向的隔振原理图。所述的基于负刚度原理的一对矩形(或圆柱形)永磁体三自由度低频隔振机构中的一对矩形(或圆柱形)永磁体相当于一个磁弹簧，设其刚度为Kv，其中橡胶在磁力的作用下也产生刚度，设其为KL，6现低频隔振。
图4为本发明提供基于负刚度原理的永磁低频三自由度低频隔振机构的水平方向(x方向或y方向)的隔振原理图。假设橡胶的刚度为KL，在水平方向的刚度分量为KLcosθ。所述的基于负刚度原理的一对矩形(或圆柱形)永磁体三自由度低频隔振机构在水平方向相当于永磁体的水平刚度Kp与橡胶水平方向刚度的分量KLcosθ串联，水平方向上的总刚度可表示为：
Figure BDA0000101772240000031
其中θ为橡胶与水平线的夹角，从隔振机构水平方向的总刚度表达式可知，其总刚度小于橡胶和永磁体的水平分量，由于永磁体在水平方向的刚度很小，故和橡胶串联使用，刚度会变的更小，因此也可在水平方向实现低频隔振。
图5为四个基于负刚度原理的矩形或圆柱形永磁三自由度低频隔振机构并联使用可实现六自由度的隔振机构的外观图。图6为四个基于负刚度原理的矩形或圆柱形永磁三自由度低频隔振机构并联使用可实现六自由度的隔振器原理图，将四个三自由度低频隔振机构在垂直方向等效为四个弹簧(A、B、C、D)阻尼系统；在水平方向等效为八个弹簧(I-VIII)阻尼系统，其隔振原理为：
所述的六自由度隔振机构在x方向移动的隔振原理：若负载受到沿x正方向有一个扰动，弹簧VII和VIII和磁力增加，相对应的弹簧III和IV的磁力减小，负载在四个弹簧系统的作用下不断的回复到平衡位置，实现振动的隔离。反之，若负载受到x负方向的一个扰动时，同理也能实现隔振。
所述的六自由度隔振机构在y方向移动的隔振原理与沿x方向隔振原理相同，在此不赘述。
所述的六自由度隔振机构在z方向移动的隔振原理：所述的沿z轴负方向受到向下的外界干扰作用在负载上时，永磁体之间的轴向位移减小，其磁场力增加，橡胶的拉力减小，负载会在磁力和橡胶的作用下会恢复到平衡位置，实现隔振；反之，若沿z轴正方向受到外界干扰时，同理也可实现隔振。
所述的六自由度隔振机构在x方向转动的隔振原理：若负载受到绕x方向逆时针方向有转动干扰时，弹簧A和弹簧B被拉伸，磁力减小，同时，弹簧C和弹簧D被压缩，磁力增加，负载在其磁力的作用下不断地回复到平衡位置。反之，若负载受到绕x方向逆时针方向有转动干扰时，同样也能实现隔振。
所述的六自由度隔振机构在y方向转动的隔振原理与绕x方向隔振原理相同，在此不赘述。
所述的六自由度隔振机构在z方向转动的隔振原理：如负载受到逆时针的扰动时，弹簧III和VII被压缩，磁力增大；同时，弹簧IV和弹簧VIII拉伸，磁力减小。负载在这四组弹簧的作用可回复到平衡位置，实现隔振。反之，若负载受到绕z方向逆时针方向有转动干扰时，同理也能实现隔振。
图7是三个负刚度原理的矩形或圆柱形永磁三自由度低频隔振机构并联可实现六自由度的隔振器的外观图。其隔振原理与图5相同，在此不赘述。

Claims (5)

1.一种基于负刚度原理的永磁低频三自由度隔振机构，其特征在于：所述的低频三自由度隔振机构包括下永磁体(8)、上永磁体(7)、橡胶片(6)、下永磁体固定板(1)、橡胶固定座(2)、上永磁体固定板(4)、橡胶压块(5)和橡胶片外缘固定压环(3)；所述的上永磁体(7)和下永磁体(8)垂直方向磁化，且同极相对；所述的橡胶片(6)的外缘通过橡胶外缘固定压环(3)固定在橡胶固定座(2)上，橡胶片(6)的中间部分通过橡胶片压块(5)与上永磁体固定板(4)固定；所述的上永磁体(7)固定上永磁体固定板(4)上；所述的下永磁体(8)固定在下永磁体固定板(1)上；所述橡胶固定支座(2)固定在下永磁体固定板(1)上；所述的三自由度是指沿x方向、y方向和z方向的移动。
2.按照权利要求1所述的一种基于负刚度原理的永磁低频三自由度隔振机构，其特征在于：所述的上永磁体和下永磁体采用圆柱或矩形永磁体。
3.按照权利要求1所述的一种基于负刚度原理的永磁低频三自由度隔振机构，其特征在于：所述的橡胶片为一般的工业橡胶或天然橡胶。
4.按照权利要求1所述的所述的一种基于负刚度原理的永磁低频三自由度隔振机构，其特征在于：所述的上永磁体(7)粘接或嵌入在上永磁体固定板(4)上；所述的下永磁体(8)粘接或嵌入在下永磁体固定板(1)上。
5.一种基于负刚度原理的永磁低频六自由度隔振机构，其特征在于：该机构是由三个或四个如权利要求1所述的低频三自由度隔振机构组成，所述的三个低频三自由度隔振机构均匀分布在同一圆周上，或将所述的四个低频三自由度隔振机构组成方形结构，实现六自由度隔振。
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