CN103307195B - 一种三自由度超低频减振器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种结构紧凑的三自由度超低频减振器，属于精密减振领域。该减振器在空间三个自由度上分别利用正负刚度并联的原理实现超低频减振，在保证系统承载力的同时可以极大地降低系统的刚度，实现超低的固有频率。本发明所提供的三自由度超低频减振器在z向采用磁正刚度和磁负刚度并联的方式，x和y向采用片弹簧和磁负刚度并联的方式，整体结构更加紧凑，具有极低的固有频率，不仅对中高频振动干扰具有良好的减振效果，更可以有效地抑制低频和超低频振动，适用于对振动敏感的精密加工与测量设备。

Description

一种三自由度超低频减振器

技术领域

本发明属于精密减振领域，具体涉及一种三自由度超低频减振器。本发明所涉及的三自由度超低频减振器具有极低的固有频率，不仅可以隔离中高频振动，还可以有效地隔离低频和超低频振动，适用于对低频振动敏感的精密加工和测量设备。

背景技术

伴随着以光刻机，扫描探针显微镜(SPM)，扫描隧道显微镜(STM)，原子力显微镜(AFM)为代表的一系列精密加工和测量技术的不断发展，其加工和测量精度也越来越接近物理极限。而此时，振动已成为阻碍其精度提高的主要因素。因此，如何最大限度地减小加工和测量设备的微振动已成为精密加工和测量领域亟需解决的问题。

影响减振系统减振性能的主要指标是系统的固有频率和阻尼比，其中固有频率起重要作用，降低系统的固有频率可显著提高系统的减振能力。传统的减振系统一般采用圆柱螺旋弹簧或橡胶结构，但其固有频率很难低于2Hz，无法有效隔离超低频振动。空气弹簧结构可以实现较大的承载力和对较低频振动的抑制，但是要实现超低频的振动抑制，必须采用增大腔室体积的方法，增加制造和使用的困难。在实际使用中，空气弹簧一般难以实现1Hz以下的超低频减振。

发明内容

本发明的目的是提供一种三自由度超低频减振器。该减振器体积小，结构紧凑，采用正负刚度并联的原理，具有低的固有频率，不仅能够有效地隔离中高频振动，同时对低频和超低频振动也有良好的抑制效果。

本发明提供的一种三自由度超低频减振器，其特征在于，该减振器在空间三自由度方向均采用正负刚度并联的结构以减小系统的固有频率；其中在z向采用磁正刚度与磁负刚度并联的减振方式，并能够通过调节第三磁铁的位置调整正负刚度的大小；x，y向分别采用片弹簧提供正刚度并与磁负刚度并联的减振方式。

作为上述技术方案的改进，所述z向所采用的磁正刚度机构包括安装在第二安装板中央位置的第三磁铁，以及安装在第四安装板中央位置的第四磁铁，第四磁铁在第三磁铁的磁场里沿z方向振动，利用磁铁间的斥力形成z向的正刚度；

作为上述技术方案的一种进一步改进，z向磁负刚度机构包括安装在底座中央位置的第一磁铁，安装在第三安装板中央位置的第二磁铁，及所述的第三磁铁；第二磁铁在第一磁铁和第三磁铁形成的磁场里沿z方向振动，利用磁铁间吸引力形成Z向的负刚度；

第四安装板和第三安装板通过至少二个第二柔性铰链连接，实现z向正负刚度并联，并由套筒限制第三安装板沿x，y方向的运动，以此隔断第四安装板对第三安装板沿x或y方向的运动影响；负载支承平台通过支柱与第四安装板固连以支承负载；紧钉螺钉用来调节第二安装板及其上第三磁铁的高度，以调节z方向磁正刚度和磁负刚度的大小；第一安装板通过立柱与底座固连，支柱贯通第一安装板将负载支承平台与第四安装板固连。

作为上述技术方案的另一种进一步改进，x，y向正刚度机构包括二个片弹簧；二个片弹簧的夹角为90度，每个片弹簧通过一个连接件与底座固连，通过一个第一柔性铰链与负载支承平台固连，并隔断负载支承平台z向运动对其的影响；负载支承平台沿x或y向振动时，二个片弹簧发生变形形成正刚度；x和y向负刚度机构包括所述第四磁铁和所述第三磁铁，所述第四磁铁在所述第三磁铁形成的磁场中沿x，y向振动时受到的磁铁斥力提供负刚度。

作为上述技术方案的更进一步改进，x，y向正刚度机构包括至少三个片弹簧；各片弹簧在同一个圆周上均匀分布，每个片弹簧通过一个连接件与底座固连，通过一个第一柔性铰链与负载支承平台固连，并隔断负载支承平台z向运动对其的影响；负载支承平台沿x或y向振动时，三个片弹簧发生变形形成正刚度；x和y向负刚度机构包括所述第四磁铁和所述第三磁铁，所述第四磁铁在所述第三磁铁形成的磁场中沿x，y向振动时受到的磁铁斥力提供负刚度。

本发明还可以在所述第一安装板中央位置安装第五磁铁，以增大x，y向的磁负刚度。

本发明中减振器所使用的负刚度机构，可以通过改变中间磁铁在z方向的高度来调节磁负刚度的大小，以实现在不同负载下良好的减振效果。

本发明提供的三自由度超低频减振器通过正负刚度并联，可以在空间三个自由度方向实现超低频减振，获得比正刚度弹簧更大的承载力，同时又具有极低的固有频率，在保证稳定性的同时，获得良好的减振效果，满足现代工业生产中精密加工和测量的需求。具体而言，本发明具有如下的技术效果：

(1)采用正负刚度并联的结构可以达到极低的系统固有频率，不仅对中高频干扰具有良好的抑制效果，更可以抑制低频或超低频的振动。

(2)通过并列的磁铁实现三个自由度方向上的负刚度，并可通过改变中间磁铁在z方向上的高度来调节磁正刚度和磁负刚度的大小。

(3)三自由度方向的减振可以为加工和测量提供更优质的工作环境。

(4)采用磁铁加片弹簧的结构使得整体系统更加小巧紧凑。

附图说明

图1为本发明所提供三自由度超低频减振器的结构示意图。

图2为本发明所提供减振器正负刚度并联减振的原理图。

图3为本发明z向磁正刚度机构的原理图。

图4为本发明z向磁负刚度机构的原理图。

图5为本发明x，y向磁负刚度机构的原理图。

图6为本发明所提供三自由度超低频减振器的另一种结构形式。

图中，1、底座，2、连接件，3、片弹簧，4、第一柔性铰链，5、负载支承平台，6、支柱，7、第一安装板，8、立柱，9、第二柔性铰链，10、第二安装板，11、第三安装板，12、第一磁铁，13、第二磁铁，14、套筒，15、调节螺钉，16、第三磁铁，17、第四安装板，18、第四磁铁，19、第五磁铁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

三自由度超低频减振器在空间三自由度方向均采用正负刚度并联的结构来减小系统的固有频率，以达到超低频减振的目的；其中在z向采用磁正刚度与磁负刚度并联的减振方式，并可通过调节第三磁铁16的位置调整正负刚度的大小；x，y向分别采用片弹簧3提供正刚度与磁负刚度并联的减振方式。

如图1所示，本发明实例所提供的三自由度超低频减振器的结构为：底座1通过螺栓向下与外部平台相连，负载支承平台5向上连接用于需要进行减振的设备。片弹簧3共有三个，两两120°放置，通过第一柔性铰链4与负载支承平台5连接，并通过连接件2与底座1相连，用来提供x，y方向的正刚度。第一柔性铰链4可以隔离负载支承平台5在x，y向与z向上的相互运动。负载支承平台5与底座1之间依次安装有第一至第四安装板7、10、11、17。支柱6贯通第一安装板7将负载支承平台5与第四安装板17固连。第三安装板11与第四安装板17通过第二柔性铰链9固连，同时第三安装板11又连接有三个套筒14，套筒14分别安装在三根立柱8上，以此限制第三安装板11沿x，y方向的运动和实现其沿z方向的运动，进而隔离第四安装板17沿x，y方向运动时对第三安装板11的影响。第一安装板7与底座1通过立柱8固连。第二安装板10位于第四安装板17与第三安装板11之间，可以通过螺钉15调节其在z方向的高度。

底座1、第三安装板11，第二安装板10，第四安装板17的中央位置均开有安装孔，分别用于安装第一至第四磁铁12，13，16，18，其磁极的排列方式分别为如图2所示的NS，NS，NS，SN或者按照从第一到第四磁铁12，13，16，18依次排列为SN，SN，SN，NS的形式。

图2为本发明减振器的正负刚度并联减振原理图。当正簧和负簧并联时，其并联后系统的总刚度为k＝k_正+k_负，由于负簧的刚度k_负＜0，所以并联后系统总的刚度k要小于正簧刚度k_正，从而可以降低系统的固有频率。由于负簧的刚度值为负时，其仍具有一定的负载能力，所以系统总的承载力可以大于正簧的承载力。

本发明减振器中，第四磁铁18在第三磁铁16的磁场里沿z方向振动，形成z向的正刚度，相当于一个正刚度弹簧；第二磁铁13在第一磁铁12和第三磁铁16形成的磁场里沿z方向振动，形成z向的负刚度，相当于一个负刚度弹簧；正、负刚度弹簧并联，完成z方向的减振。在x，y方向上，片弹簧3具有正刚度，等效于钢螺旋弹簧。当负载支承平台5沿x或y向振动时，由于第四安装板17与负载支承平台5固连，第四磁铁18也会在第三磁铁16的磁场里沿x和y方向振动，形成负刚度，与具有正刚度的片弹簧3并联减振。第四磁铁18根据其振动方向，提供z向的正刚度，或者x或y向的负刚度，第二磁铁13只提供z向的负刚度。

图3所示为z向磁正刚度的原理图。刚度k定义为弹性元件所承受的载荷P对它引起的变形δ的变化率，即当载荷随变形增加而增加时，刚度为正；当载荷随变形增加而减少时，刚度为负。由于磁铁之间的作用力与两磁铁间的距离成反比，即两磁铁间距离越小时，作用力越大，所以当第四磁铁18在第三磁铁16的磁场中沿z向运动时，可以形成磁正刚度。

图4所示为z向磁负刚度的原理图。负刚度对应于弹性元件的静力不稳定性。当第二磁铁13位于第三磁铁16和第一磁铁12中间时，其受到的两个吸引力F₁＝F₂，此时第二磁铁13稳定在中间位置。当第二磁铁13向上或向下振动时，会有F₁＞F₂或F₁＜F₂，并随着偏移量的增大第二磁铁13受到更大的合力，迫使第二磁铁13更大地偏离平衡位置，从而形成负刚度。

图5所示为利用磁铁间斥力形成的x，y方向的磁负刚度。第四磁铁18放置于第四安装板17中间并通过支柱6与负载支承平台5相连。当负载支承平台5沿x或y方向振动时，第四磁铁18也会沿x或y方向振动。此时原本在x，y方向上受力为零的第四磁铁18会偏离平衡位置，并受到沿x或y方向的力F₃，并随着偏移量的增大，力F₃在平衡位置(沿x或y向)附近的一定距离内逐渐增大，迫使其更大地偏离平衡位置，从而形成负刚度。

本发明减振器的结构并不局限于图1所示的结构形式。其他形式例如可以使用四个片弹簧3，或者使用更多的数量，在同一个圆周上均匀分布。第二柔性铰链9也可以使用二个或者更多的数量，最好呈对称或均匀分布。或者使用如图6所示的结构形式，即在第一安装板7上再增加一块磁铁(即第五磁铁19)，此结构仍能实现z向的磁正刚度，并且x，y向的磁负刚度较之原来的结构会更大。

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)

1.一种三自由度超低频减振器，其特征在于，该减振器在空间三自由度方向均采用正负刚度并联的结构以减小系统的固有频率；其中在z向采用磁正刚度与磁负刚度并联的减振方式，并能够通过调节第三磁铁(16)的位置调整正负刚度的大小；x，y向分别采用片弹簧(3)提供正刚度并与磁负刚度并联的减振方式；

所述z向所采用的磁正刚度机构包括安装在第二安装板(10)中央位置的第三磁铁(16)，以及安装在第四安装板(17)中央位置的第四磁铁(18)，第四磁铁(18)在第三磁铁(16)的磁场里沿z方向振动，利用磁铁间的斥力形成z向的正刚度；

z向磁负刚度机构包括安装在底座(1)中央位置的第一磁铁(12)，安装在第三安装板(11)中央位置的第二磁铁(13)，及所述的第三磁铁(16)；第二磁铁(13)在第一磁铁(12)和第三磁铁(16)形成的磁场里沿z方向振动，利用磁铁间吸引力形成Z向的负刚度；

第四安装板(17)和第三安装板(11)通过至少二个第二柔性铰链(9)连接，实现z向正负刚度并联，并由套筒(14)限制第三安装板(11)沿x，y方向的运动，以此隔断第四安装板(17)对第三安装板(11)沿x或y方向的运动影响；负载支承平台(5)通过支柱(6)与第四安装板(17)固连以支承负载；紧钉螺钉(15)用来调节第二安装板(10)及其上第三磁铁(16)的高度，以调节z方向磁正刚度和磁负刚度的大小；第一安装板(7)通过立柱(8)与底座(1)固连，支柱(6)贯通第一安装板(7)将负载支承平台(5)与第四安装板(17)固连。

2.根据权利要求1所述的三自由度超低频减振器，其特征在于，x，y向正刚度机构包括二个片弹簧(3)；二个片弹簧(3)的夹角为90度，每个片弹簧(3)通过一个连接件(2)与底座(1)固连，通过一个第一柔性铰链(4)与负载支承平台(5)固连，并隔断负载支承平台(5)z向运动对其的影响；负载支承平台(5)沿x或y向振动时，二个片弹簧(3)发生变形形成正刚度；x和y向负刚度机构包括所述第四磁铁(18)和所述第三磁铁(16)，所述第四磁铁(18)在所述第三磁铁(16)形成的磁场中沿x，y向振动时受到的磁铁斥力提供负刚度。

3.根据权利要求1所述的三自由度超低频减振器，其特征在于，x，y向正刚度机构包括至少三个片弹簧(3)；各片弹簧(3)在同一个圆周上均匀分布，每个片弹簧(3)通过一个连接件(2)与底座(1)固连，通过一个第一柔性铰链(4)与负载支承平台(5)固连，并隔断负载支承平台(5)z向运动对其的影响；负载支承平台(5)沿x或y向振动时，所述至少三个片弹簧(3)发生变形形成正刚度；x和y向负刚度机构包括所述第四磁铁(18)和所述第三磁铁(16)，所述第四磁铁(18)在所述第三磁铁(16)形成的磁场中沿x，y向振动时受到的磁铁斥力提供负刚度。

4.根据权利要求1所述的三自由度超低频减振器，其特征在于，所述第一安装板(7)中央位置安装有第五磁铁(19)，以增大x，y向的磁负刚度。