CN102808883B - 一种磁负刚度机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种结构紧凑的磁负刚度机构，属于超精密减振领域。该磁负刚度机构包括机架部分、负刚度调整部件、柔性导向部件和运动部件。该负刚度机构是利用磁铁反向布置的排斥作用形成负的刚度特性，且负刚度大小可通过负刚度调整部件调节。该磁负刚度机构与正刚度弹簧并联组成的超低频减振器具有极低的动态刚度，大幅度地降低了其固有频率，使得减振器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
技术领域
本发明属于超精密减振领域，具体涉及一种磁负刚度机构。本发明所涉及的磁负刚度机构结构紧凑，具有负的刚度特性，与正刚度弹簧并联组成超精密减振器可实现超低频减振。该正负刚度并联减振器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，适用于对低频振动敏感的超精密加工与测量设备。
背景技术
当前，在高端IC芯片制造领域与超精密检测领域，对环境微振动隔离的要求越来越严格。而一般的超精密减振器，由于其体型的限制，往往很难隔离超低频的振动，因此迫切需要一些新技术、新方法来改善这一现状。气浮轴承减振、磁浮减振、负刚度技术等一些手段可极大地提高这类精密减振器的超低频减振能力。
气浮轴承减振技术能使得减振器具有极低的固有频率，但是气浮元件的加工精度要求非常高，对安装的要求也非常严格，提高了成本，制约了气浮轴承减振在超精密减振中的广泛应用。磁浮减振是一种新型的减振技术，目前还未大规模应用，主要是由于磁浮控制技术难，承载力小，难以小型化。负刚度技术是一种利用某一类机构在特殊配置下来实现负的刚度特性，包括机械式负刚度和磁负刚度。负刚度机构由于其不稳定性，不能单独使用，须与正刚度弹簧并联用于超精密减振领域。负刚度弹簧与正刚度弹簧并联组成的减振器，能保证减振器具有大的承载力的同时，有效地隔离超低频振动。
世界知识产权组织出版的专利文献WO95/20113提供的超低频减振器包含机械式负刚度机构，该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。
永磁体在超精密减振领域具有广泛的应用前景，通过对永磁体进行特殊的配置，可实现磁负刚度。美国专利文献US7290642B2提供了一种负刚度磁弹簧，该磁弹簧利用磁铁磁极同向布置产生的吸引作用形成负刚度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁负刚度机构，该磁负刚度机构结构紧凑，具有负的刚度特性，该磁负刚度机构可用于超精密减振领域，与正刚度弹簧并联组成正负刚度并联超精密减振器，可极大地降低超精密减振器的固有频率，使得超精密减振器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。
本发明提供的一种磁负刚度机构，其特征在于，它利用磁铁磁极反向布置产生的排斥力作用而形成负的刚度特性。
作为上述技术方案的改进，磁负刚度机构具体包括机架、负刚度调整部件、柔性导向部件和运动部件；机架为整个负刚度机构的安装框架，用于安装负刚度调整部件、柔性导向部件和运动部件；负刚度调整部件用于调节磁负刚度机构的刚度大小，柔性导向部件用于提供运动部件的导向，运动部件用于与外部负载平台的连接。
本发明提供的磁负刚度机构应用于超精密减振领域，克服了一般减振器无法实现或难以实现超低频减振的缺点，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)利用磁铁反向布置的排斥作用，构成特殊的结构形式实现磁负刚度特性；
(2)磁负刚度机构刚度大小可调，通过调整外部磁铁间距可实现磁负刚度机构刚度大小的调整；
(3)采用柔性铰链导向机构实现中间磁铁的导向，约束其在其他方向上的运动，使得其自由度数为1；
(4)磁负刚度机构与正刚度弹簧并联组成的减振器可实现超低频减振，正负刚度并联减振器不仅对高频振动干扰具有良好的抑制效果，还能有效隔离超低频振动；
附图说明
图1为本发明中两相互作用磁铁在所示方向的作用力图；
图2为图1中两相互作用磁铁的力-位移曲线；
图3为本发明所提供磁负刚度机构的原理图；
图4为图3中磁负刚度机构的刚度曲线；
图5为本发明磁负刚度机构磁极部分的三维示意图；
图6为本发明所提供磁负刚度机构的剖视图；
图7为本发明所提供磁负刚度机构的三维结构图；
图8为本发明所提供磁负刚度机构的三维结构图；
图9为本发明所提供磁负刚度机构(移除部分组件)的三维结构图；
图10为本发明磁负刚度机构与正刚度弹簧并联的原理图。
具体实施方式
本发明所提供磁负刚度机构的磁极部分采用多组磁铁并行布置，两组相邻磁铁磁化方向相反，这样一种磁路的布置通过磁轭约束磁力线，减小漏磁，可提高磁负刚度机构的刚度。
本发明所提供的磁负刚度机构，其负刚度大小可通过负刚度调整部件调节，用于匹配与之并联的正刚度弹簧的刚度，从而调整减振器的刚度大小。负刚度的调整通过调节外部磁铁间距来实现。
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。
图1为本发明中相互作用的磁铁在所示x方向的作用力图。x方向为运动部件的运动方向，图中两磁铁磁化方向相互平行且方向相反，具有相互排斥的作用。本发明磁负刚度机构的负刚度原理主要利用磁铁受到与之相互作用的另一块磁铁的在x方向的排斥作用力来实现的。
图2为本发明图1中相互作用磁铁的力-位移曲线。从图中可以看出，两磁铁在x方向的排斥作用力随着相对位移的增大先增大后减小。当相对位移x为零时，由于对称性，排斥作用力为零；当相对位移x为无穷大的时候，两磁铁相距很远，其排斥作用力几乎为零。由于本发明磁负刚度机构主要用于超精密减振领域，负载平台的振动通常在微米级，因此主要考虑相对位移在微米级的力-位移关系。
图3表明本发明磁负刚度机构负刚度的形成原理。图中中间磁铁9和第一、第二外部磁铁10a、10b的几何中心在同一直线上且在任何平面内具有相同形状的投影，中间磁铁9与第一、第二外部磁铁10a、10b之间的相互作用力为斥力。第一、第二外部磁铁10a、10b分别安装在第一、第二磁轭11a、11b上，并与基座20a、20b固连。第一、第二磁轭11a、11b用导磁材料制成。
当中间磁铁9在x方向位移为零(即图示初始平衡位置)时中间磁铁9在x方向所受合力为零；当在x方向位移不为零时，由于对称性中间磁铁9仅受x方向排斥磁力的作用。这表明中间磁铁9在初始位置处于不稳定的平衡状态，一旦中间磁铁9受到外界扰动，就会偏离平衡位置而无法回到初始平衡位置，从而形成负刚度特性。
图4为图3中磁负刚度结构在不同磁铁间距下的刚度曲线。其中，中间磁铁和第一、第二外部磁铁三维尺寸长×宽×高为25mm×10mm×5mm，磁铁剩余磁感应强度Br为1.25T。从图中可以看出，磁负刚度机构的刚度呈现非线性，随着中间磁铁和外部磁铁间距的增加，磁负刚度机构的刚度减小，但线性特性增强。因此在磁铁间距h的选择上需要综合考虑刚度大小和非线性，在保证负刚度大小满足要求的同时尽可能减小刚度非线性特性。本发明实施例中选取磁铁间距h为10mm。
图5为本发明磁负刚度机构磁极部分的三维示意图。根据图3中的磁负刚度原理，中间磁铁9和第一、第二外部磁铁10a、10b组成一组磁负刚度结构，将多组磁负刚度结构在y方向并行阵列布置，且两组相邻磁铁磁化方向相反，这样一种磁路的布置通过磁轭来约束磁力线，减小漏磁，可提高磁负刚度机构的刚度。另一方面，由于磁负刚度机构不稳定，须并联正刚度弹簧用于超精密减振，因此通过合适选择磁铁数量，使得磁负刚度机构的刚度大小与所并联正刚度弹簧刚度匹配，可以进一步降低减振系统固有频率，实现超低频减振。如图5所示，多个中间磁铁9并行阵列安置在中间磁铁盒8中，形成磁负刚度机构的运动部件。中间磁铁盒8用非导磁材料制成，如铝合金、陶瓷、高强度塑料等。第一、第二柔性铰链导向机构30a、30b固连在基座20c上，用于提供磁负刚度机构运动部件中间磁铁盒8导向作用，使得中间磁铁盒8仅能在x方向平动，而在其他方向的运动被约束。
图6为本发明所提供磁负刚度机构的剖视图。图7和图8为本发明所提供磁负刚度机构的三维结构图。图9为本发明所提供磁负刚度机构移除部分组件后的三维结构图。
如图5、图6、图7、图8、图9所示，本发明所提供磁负刚度机构包括机架、负刚度调整部件、柔性导向部件和运动部件。
机架1是一种整体框架结构，用于安装负刚度调整部件、柔性导向部件和运动部件。机架1通过螺钉安装在外部基座上。
负刚度调整部件用于调整磁负刚度的刚度大小。负刚度调整部件包括第一、第二螺杆2a、2b，第一、第二外部磁铁10a、10b，第一、第二磁轭11a、11b，第一、第二、第三、第四导向块3a、3b、3c、3d，第一、第二、第三、第四轴承12a、12b、12c、12d，第一、第二轴承座13a、13b，以及第三、第四轴承座14a、14b。第一、第二螺杆2a、2b两端螺纹具有不同的旋向。第一、第二螺杆2a、2b分别通过第一、第三轴承12a、12c和第二、第四轴承12b、12d安装在第一轴承座13a、第三轴承座14a和第二轴承座13b、第四轴承座14b上。第一、第二轴承座13a、13b和第三、第四轴承座14a、14b通过螺钉安装在机架1上。第一、第二外部磁铁10a、10b分别安装在第一、第二磁轭11a、11b上，形成磁负刚度机构第一、第二外部磁极部分。第一磁轭11a分别通过两个螺钉与第三、第四导向块3c、3d相连，第二磁轭11b分别通过两个螺钉与第一、第二导向块3a、3b相连。第一、第三导向块3a、3c通过螺纹连接安装在第一螺杆2a的两端。第二、第四导向块3b、3d通过螺纹连接安装在第二螺杆2b的两端。第一、第二导向块3a、3b与第一、第二螺杆2a、2b的连接螺纹为左旋，第三、第四导向块3c、3d与第一、第二螺杆2a、2b的连接螺纹为右旋。通过同步同向旋转第一、第二螺杆2a、2b，可以使得第一、第二外部磁极部分同步相对或者相向运动，从而实现外部磁极与中间磁极间距的调整，进而实现磁负刚度机构刚度的调节。为实现第一、第二螺杆2a、2b的同步同向运动，可通过同步带传动或者等传动比同向的齿轮传动实现。
运动部件包括负载连接底座6、负载连接杆7、中间磁铁盒8、中间磁铁9，以及第一、第二夹紧块15a、15b和第三、第四夹紧块16a、16b。中间磁铁9安置在中间磁铁盒8中，形成磁负刚度机构的中间磁极部分。第一夹紧块15a和第三夹紧块16a夹紧中间磁铁盒8后通过螺钉相连，第二夹紧块15b和第四夹紧块16b夹紧中间磁铁盒8后通过螺钉相连。负载连接底座6通过螺钉分别与第一夹紧块15a和第三夹紧块16a相连。负载连接杆7通过紧定螺钉与负载连接底座6相连。负载连接杆7为柔性细杆，起柔性连接作用，磁负刚度机构通过负载连接杆7与负载平台相连。
柔性导向部件起到运动部件的导向作用，由第一、第二柔性铰链导向机构30a、30b组成，包括第一、第二导向片安装座4a、4b，第一、第二、第三、第四导向片5a、5b、5c、5d。第一、第三导向片5a、5c的一端分别通过螺钉与第一导向片安装座4a相连，第一、第三导向片5a、5c的另一端分别与第三夹紧块16a、第一夹紧块15a通过螺钉相连；第二、第四导向片5b、5d的一端分别通过螺钉与第二导向片安装座4b相连，第二、第四导向片5b、5d的另一端分别与第四夹紧块16b、第二夹紧块15b通过螺钉相连。第一导向片安装座4a，第一、第三导向片5a、5c组成第一柔性铰链导向机构30a；第二导向片安装座4b，第二、第四导向片5b、5d组成第二柔性铰链导向机构30b。
为了减小对磁负刚度机构磁场的影响，磁负刚度机构各结构的材质除了特殊说明的之外均为铝、不锈钢等非导磁材料。
图10为本发明磁负刚度机构与正刚度弹簧并联的原理图。磁负刚度机构在平衡位置具有不稳定性，因此不能单独使用。磁负刚度机构与正刚度弹簧并联组成的减振器可用于降低减振器的固有频率，实现超低频减振。如图10所示，正刚度弹簧40安装在基座20d上，磁负刚度机构与正刚度弹簧40并联，支承负载50，在实现对大的负载50支承的同时实现负载50的超低频减振。正刚度弹簧40可以是螺旋钢弹簧、橡胶弹簧、空气弹簧等减振弹簧。
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 (4)
1.一种磁负刚度机构，其特征在于，它利用磁铁磁极反向布置产生的排斥力作用而形成负的刚度特性；该机构包括机架、负刚度调整部件、柔性导向部件和运动部件；机架为整个负刚度机构的安装框架，用于安装负刚度调整部件、柔性导向部件和运动部件；负刚度调整部件用于调节磁负刚度机构的刚度大小，柔性导向部件用于提供运动部件的导向，运动部件用于与外部负载平台的连接；
所述负刚度调整部件包括第一、第二螺杆(2a、2b)，第一、第二磁轭(11a、11b)，第一、第二轴承座(13a、13b)，第三、第四轴承座(14a、14b)，第一、第二、第三、第四导向块(3a、3b、3c、3d)，以及至少一个外部磁铁组，外部磁铁组包括第一、第二外部磁铁(10a、10b)；
第一螺杆(2a)的两端分别通过轴承安装在第一轴承座(13a)、第三轴承座(14a)上；第二螺杆(2b)的两端分别通过轴承安装在第二轴承座(13b)、第四轴承座(14b)上；第一、第二轴承座(13a、13b)和第三、第四轴承座(14a、14b)安装在机架(1)上；
当负刚度调整部件包括一个外部磁铁组时，第一外部磁铁(10a)安装在第一磁轭(11a)上，形成磁负刚度机构第一外部磁极部分，第二外部磁铁(10b)安装在第二磁轭(11b)上，形成磁负刚度机构第二外部磁极部分；当负刚度调整部件包括二个或二个以上外部磁铁组时，各第一外部磁铁(10a)并行安装在第一磁轭(11a)上，形成磁负刚度机构第一外部磁极部分，各第二外部磁铁(10b)并行安装在第二磁轭(11b)上，形成磁负刚度机构第二外部磁极部分；
第一磁轭(11a)的两端分别与第三、第四导向块(3c、3d)相连，第二磁轭(11b)分别与第一、第二导向块(3a、3b)相连；第一、第三导向块(3a、3c)通过螺纹连接安装在第一螺杆(2a)的两端，第二、第四导向块(3b、3d)通过螺纹连接安装在第二螺杆(2b)的两端，第一、第二螺杆(2a、2b)的螺纹具有不同的旋向。
2.根据权利要求1所述的磁负刚度机构，其特征在于，所述运动部件包括负载连接底座(6)、负载连接杆(7)、中间磁铁盒(8)，以及中间磁铁(9)，中间磁铁(9)的数量与外部磁铁组的数量相等，任意相邻磁铁的磁化方向相反；
中间磁铁(9)安置在中间磁铁盒(8)中，形成磁负刚度机构的中间磁极部分，第一夹紧块(15a)和第三夹紧块(16a)夹紧中间磁铁盒(8)并相连，第二夹紧块(15b)和第四夹紧块(16b)夹紧中间磁铁盒(8)并相连，负载连接底座(6)分别与第一夹紧块(15a)和第三夹紧块(16a)相连，负载连接杆(7)与负载连接底座(6)固定连接，负载连接杆(7)为柔性杆，用于与外部的负载平台相连；
中间磁铁(9)和第一、第二外部磁铁(10a、10b)的几何中心在同一直线上，且在任何平面内具有相同形状的投影。
3.根据权利要求1或2所述的磁负刚度机构，其特征在于，所述柔性导向部件包括第一、第二柔性铰链导向机构(30a、30b)，第一、第二柔性铰链导向机构(30a、30b)与夹紧块连接，提供运动部件的导向作用。
4.根据权利要求3所述的磁负刚度机构，其特征在于，第一柔性铰链导向机构(30a)包括第一导向片安装座(4a)，第一、第三导向片(5a、5c)，第二柔性铰链导向机构(30b)包括第二导向片安装座(4b)，第二、第四导向片(5b、5d)；
第一、第三导向片(5a、5c)的一端分别与第一导向片安装座(4a)相连，第一、第三导向片(5a、5c)的另一端分别与第三夹紧块(16a)、第一夹紧块(15a)相连；第二、第四导向片(5b、5d)的一端分别与第二导向片安装座(4b)相连，第二、第四导向片(5b、5d)的另一端分别与第四夹紧块(16b)、第二夹紧块(15b)相连。
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