CN102927183A - 一种低频两自由度水平隔振机构 - Google Patents

Abstract

一种低频两自由度水平隔振机构，包括上支撑板、刚性球和下支撑板三个部分，在上支撑板设有上支撑板圆弧，在下支撑板设有下支撑板圆弧，刚性球位于两个圆弧中间，上支撑板圆弧与刚性球点接触，下支撑板圆弧与刚性球点接触。当下支撑板受到来自基底的外力产生水平方向位移，刚性球会相对于下支撑板圆弧做纯滚动，从而引起上支撑板圆弧相对于球做纯滚动，整个机构会相对于原平衡位置产生偏移，在机构和负载重力作用下，机构会恢复到原平衡位置。该水平隔振机构具有结构简单紧凑、空间利用率高、固有频率和负载无关等特性。

Description

一种低频两自由度水平隔振机构

技术领域

本发明涉及一种低频隔振机构,主要用于光学、声学、半导体制造、精密测量和超精密领域中小型仪器设备的超低频隔振。

背景技术

半导体制造装置、精密仪器、三维或六维测试设备等相关领域，为了达到较好的使用效果，必须安装在能隔离微小基底扰动的平台上。通常情况下，与精密仪器相关的设备安装在空气弹簧振动隔离平台上。为了提高振动隔离系统隔振性能，必须减小固有频率。为了减小空气弹簧固有频率，空气弹簧上下腔室空间比例必须足够小。然而同样的理论并不能使水平方向的固有频率减小。通常，为了减小振动隔离设备水平方向固有频率，我们可以在空气弹簧上面或者下面放置刚度较小的层叠橡胶。此外，层叠橡胶也被用于由于地基振动导致的设备振动的振动抑制设备，振动免疫设备，振动隔离系统中。但是，层叠橡胶具有一定的缺陷，当负载质量改变时，固有频率也随之改变；此外，由于剪切变形导致的负载放置区域减小，负载放置可能会表现出不稳定。

目前水平隔振机构有三线摆、倒摆与弹簧结合和正倒摆结合等结构形式，都是很优秀的水平隔振装置，但其空间利用率较低，且机构高度过大，系统稳定性较差。

发明内容

本发明的目的旨在提出一种低频两自由度水平隔振机构，并要求其固有频率不随负载质量变化而变化，同时在结构发生微小位移时能稳定支撑负载，并有效减小结构体积和高度。

本发明的技术方案如下：

一种低频两自由度水平隔振机构，其特征在于：两自由度水平隔振机构包括上支撑板、下支撑板和刚性球，上支撑板设有上支撑板圆弧，下支撑板设有下支撑板圆弧，刚性球设置在上支撑板圆弧和下支撑板圆弧之间，且上支撑板圆弧的圆心、刚性球的球心和下支撑板圆弧的圆心三点位于同一竖直线上；上支撑板圆弧和下支撑板圆弧的半径均大于刚性球的半径。

上述技术方案中，所述的上支撑板圆弧和下支撑板圆弧的半径相同或不同；上支撑板圆弧深度h1和下支撑板圆弧深度h2相同或不同，且两圆弧深度之和小于刚性球的直径。

本发明的另一技术特征是：上支撑板圆弧和下支撑板圆弧两端延伸面为斜面、水平面或圆弧面。

为了增加负载承受能力，本发明还提供了一种低频两自由度水平隔振系统，其特征在于：该系统是由三个以上所述的低频两自由度水平隔振机构并联而成，且构成正多边形或矩形。

本发明与现有技术相比具有以下优点及突出性效果：该发明的水平方向固有频率与负载质量无关，并且由于支撑面为刚体，强度足够大，不会发生明显变形，因此支撑面很稳定；另外，该发明结构比较简单紧凑，可以通过增加上支撑板圆弧和下支撑板圆弧深度来降低结构的整体高度，并且很容易通过优化相关结构尺寸以减小水平固有频率。

附图说明

图1为本发明提供的低频两自由度水平隔振机构受到外部扰动发生偏移时的位置图。

图2为低频两自由度水平隔振机构处于平衡时的位置图。

图3为本发明提供的有四个低频两自由度水平隔振机构并联组成隔振系统的外观图。

图中：1-刚性球；2-下支撑板圆弧；3-上支撑板圆弧；4-下支撑板；5-上支撑板；h1-上支撑板圆弧深度；h2-下支撑板圆弧深度；C1-刚性球球心；C2-下支撑板圆弧圆心；C3-上支撑板圆弧圆心；R1-刚性球半径；R2-下支撑板圆弧半径；R3-上支撑板圆弧半径；A-平衡位置时刚性球与下支撑板圆弧接触点；B-平衡位置时刚性球与上支撑板圆弧接触点；A1-偏移位置时刚性球与下支撑板圆弧接触点；B1-偏移位置时刚性球与上支撑板圆弧接触点；α-下支撑板圆弧偏移角度；β-上支撑板圆弧偏移角度；θ-偏移位置时刚性球球心与上支撑板圆弧圆心连线和刚性球与下支撑板圆弧圆心连线的夹角。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式和结构原理做进一步的说明：

本发明提供的低频两自由度水平隔振机构包括3个部分：上支撑板5、刚性球1和下支撑板4，上支撑板5设有上支撑板圆弧3，下支撑板4设有下支撑板圆弧2，刚性球1放置于上支撑板圆弧3和下支撑板圆弧2之间，上支撑板圆弧的圆心C3、刚性球的球心C1和下支撑板圆弧的圆心C2三点位于同一竖直线上，上支撑板圆弧3和下支撑板圆弧2的半径均应大于刚性球1的半径；两个圆弧半径根据需要可以相同也可以不同。由于外界扰动，刚性球1能相对于两个圆弧做纯滚动运动，刚性球滚动过程中保持两个圆弧圆心C2和C3分别与刚性球的球心C1位于同一条直线上；两圆弧半径不同时，两条直线不重合，两圆弧半径相同时，两条直线重合。此时刚性球1受到来自重力作用下的恢复力矩，使刚性球恢复到原平衡位置，也可以认为上支撑板5或者下支撑板4受到恢复力作用恢复到原平衡位置，由于刚性球1与上、下圆弧做相对纯滚动运动，因此只要其中任何一个恢复到平衡位置，整个机构就会恢复到平衡位置。

为了达到较好的隔振效果，要求刚性球1、上支撑板圆弧3和下支撑板圆弧2的刚度很大，不能因为挤压发生太大形变；同时要求刚性球1与上支撑板圆弧3和下支撑板圆弧2接触面非常光滑；另外，安装时尽量保证上支撑板圆弧3、刚性球1和下支撑板圆弧2圆心三点位于同一竖直线上。

本发明的结构原理如下：

当机构处于平衡位置，上支撑板圆弧3的圆心、刚性球1的球心、下支撑板圆弧2的圆心位于同一竖直线上，刚性球1与上支撑板圆弧3和下支撑板圆弧2为点接触（R2>R1,R3>R1)；为了保证上支撑板5和下支撑板4不会接触，要求上支撑板圆弧深度h1和下支撑板圆弧深度h2之和应小于刚性球的直径（h1+h2<2*R1)，由于机构发生偏移时，垂直方向高度会小幅增加，故而可以保证上支撑板5和下支撑板4不接触。

如图1和图2所示，上支撑板圆弧3和下支撑板圆弧2分别与刚性球1的上下表面点接触，负载M放置于上支撑板5上面，下支撑板4放置于地板上，当机构受到外来扰动时，刚性球可相对于上支撑板圆弧3和下支撑板圆弧2做相对纯滚动，由于结构特性，上支撑板圆弧的圆心C3、刚性球球心C1以及上支撑板圆弧与刚性球的接触点B1始终位于同一条直线上；下支撑板圆弧的圆心C2、刚性球球心C1以及下支撑板圆弧与刚性球的接触点A1也始终位于同一条直线上。

为了更具一般性，我们假设上支撑板圆弧3和下支撑板圆弧2半径不同，同时假设认为R3>R2。由图可知，A，B两点为处于平衡位置时刚性球1与下支撑板圆弧2和上支撑板圆弧3的接触点，A1、B1为机构受到扰动偏移后刚性球1与下支撑板圆弧2、上支撑板圆弧3的接触点，显然刚性球1的圆弧AA1与BB1不相等，则可以得到

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{R3-R1}{R2-R1}*\mathrm{\&beta;}---\left(1\right)$

其中，公式中所有参数均与附图说明中意义相同。

正是由于下支撑板4受到来自地基的扰动导致上支撑板5和负载M产生平移，但此处假设下支撑板4不动，以此来建立负载M的运动方程。此时，由于只考虑负载M受到来自水平方向的扰动，负载M不会旋转，实际只有三个以上机构并联相互约束时才不会旋转，单独一个机构会旋转。由于负载M和上支撑板5固定连接，负载M和上支撑板5具有相同运动。当上支撑板5上面负载M做水平方向运动，机构水平方向位移x关于α和β的方程如下式（2）所示。

x=（R3-R1）sinβ+（R2-R1）sinα                    （2）

当负载M由于扰动在水平方向发生位移x时，刚性球1上表面会相对于上支撑板圆弧3做纯滚动，同时下表面会相对于下支撑板圆弧2做纯滚动，刚性球的圆心会相对于平衡位置发生偏移，在负载M作用下，刚性球会受到一个相对于点B1的恢复力矩，这样可以通过拉格朗日方程得到机构水平方向固有频率：

$f=\frac{1}{4\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{g(R2+R3-2*R1)}{(R2-R1)(R3-R1)}}---\left(3\right)$

如果R2与R3相等，则固有频率有如下形式：

$f=\frac{\sqrt{2}}{4\mathrm{\&pi;}}\sqrt{\frac{g}{R2-R1}}---\left(4\right)$

从方程（3）可以很明显的看出，该机构水平方向的固有频率由下支撑板圆弧的半径R2和上支撑板圆弧的半径R3及刚性球的半径R1决定，和负载质量M无关。因此，可以通过优化相关参数，进而使机构的水平方向的固有频率足够小。

Claims (5)

1.一种低频两自由度水平隔振机构，其特征在于：该机构包括上支撑板（5）、刚性球（1）和下支撑板（4），上支撑板（5)设有上支撑板圆弧（3），下支撑板(4)设有下支撑板圆弧（2），刚性球（1）设置在上支撑板圆弧（3）和下支撑板圆弧（2）之间，且上支撑板圆弧的圆心、刚性球的球心和下支撑板圆弧的圆心三点位于同一竖直线上；上支撑板圆弧（3）和下支撑板圆弧（2）的半径均大于刚性球（1）的半径。

2.按照权利要求1所述的一种低频两自由度水平隔振机构，其特征在于：上支撑板圆弧（3）深度h1和下支撑板圆弧（2）深度h2相同或不同，且两圆弧深度之和小于刚性球（1）的直径。

3.按照权利要求1或2所述的一种低频两自由度水平隔振机构，其特征在于：上支撑板圆弧（3）和下支撑板圆弧（2）的半径相同或不同。

4.按照权利要求1所述的一种低频两自由度水平隔振机构，其特征在于：上支撑板圆弧(3)和下支撑板圆弧（2）两端延伸面为斜面、水平面或圆弧面。

5.一种低频两自由度水平隔振系统，其特征在于：该系统由三个以上如权利要求1所述的低频两自由度水平隔振机构并联而成，且构成正多边形或矩形。

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