CN106321719A - 一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器，其包括：基础平台(10)和负载平台(30)；被动隔振单元，沿其第一方向设有正刚度的空气弹簧(20)和负刚度可调的磁负刚度机构(28)，从而降低第一方向的固有频率，第二方向设有刚度可调的正刚度片弹簧和负刚度的倒立摆，从而降低第二方向的固有频率；以及主动隔振单元，其布置在所述被动隔振单元的外侧，上端与所述负载平台(30)链接，下端与所述基础平台(10)链接，所述主动隔振单元包括位移传感器、速度传感器、比例压力阀和音圈电机，所述音圈电机用于对负载平台进行微调，实现振动的进一步隔离。本发明的隔振器具有较大承载能力，同时实现两个自由度的主被动隔振。

Description

一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器

技术领域

本发明属于超精密减振领域，具体涉及一种采用正负刚度并联的两自由度主被动复合隔振器。

背景技术

随着作为IC制造产业发展标志的特征线宽不断向更新的工艺节点推进，超精密电子制造和测量装备的精度也越来越接近极限，对关键运动机构的结构和其稳定性的要求越来越高，对环境的平稳性要求也越来越严格，在传统的制造领域不需要关注的微弱扰动和测量的非线性误差以及动态特性对整个系统精度的影响日益凸显，因此对振动隔离与抑制技术提出了更迫切的需求。

从结构上来说，气浮轴承减振，磁浮减振，负刚度技术等一些手段可以提高这类精密减振的超低频减振能力。为了拥有超低频的减振能力，我们通常从两个方面来解决这种问题：1.降低结构本身的动态刚度，使其本身的固有频率就很低，同时保证结构本身的静态刚度，以保证其负载支撑能力，实现中高频的高衰减特性；2.采用主动控制策略，将由于被动结构特性无法衰减的频段，辅以主动控制方法，进一步降低系统的频率和共振峰幅值，实现超精密的低频隔振。

气浮轴承减振技术使得减振器具有极低的固有频率，但是这方面对气浮元件的加工精度和设备的安装精度要求十分严格，使得成本大大提升，其制约了气浮轴承在超精密减振中的广泛应用；磁浮减振是一种还处于研究阶段的技术，由于磁浮控制技术难，承载力小，适用范围有限，故未能大规模应用；负刚度技术可以实现与正刚度相反的作用效果，但是由于稳定性方面考虑，其不能单独使用，需要与正刚度机构复合使用，既能使整个结构的固有频率降低，又可以保证稳定性的要求。

专利文献CN102619916A公开了一种基于正负刚度弹簧并联的超低频隔振器，可以根据被隔振质量调整隔振器的刚度，采用滚珠减小摩擦，还可作为配件使用适用于承受振动激励的环境，尤其是低频振动激励的环境。但其无法实现大负载的静态承载能力，同时其设计为单自由度方向，对于承载力需求较大、自由度要求较多的场合仍存在一定的不足。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种采用正负刚度并联的两自由度主被动复合隔振器，该复合隔振器由具有正刚度的空气弹簧、片弹簧和具有负刚度的倒立摆结构、磁负刚度机构组成，正刚度和负刚度机构由并联方式连接组成的超精密隔振机构可以获得高静态刚度-低动态刚度的特性，使系统固有频率降低同时不改变系统的大承载能力，再配合主动执行器以主动控制，可以实现超低频的主动隔振和高频的高衰减率，既可以保证拥有较大的承载力，同时对超低频振动进行了有效的隔离。

为实现上述目的，本发明提供了一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器，该隔振器包括基础平台和负载平台，其中，所述基础平台下端与外部平台连接，所述负载平台上端与需要隔振的设备连接，所述负载平台通过支撑杆与所述基础平台连接，其特征在于：

该隔振器还包括被动隔振单元，其上端与所述负载平台连接，下端与所述基础平台连接，该被动隔振单元沿第一方向设有正刚度的空气弹簧和负刚度可调的磁负刚度机构，其形成第一方向的正负刚度并联机构，从而降低所述第一方向的固有频率，所述动隔振单元在第二方向设有刚度可调的正刚度片弹簧和负刚度的倒立摆，形成第二方向的正负刚度并联机构，从而降低所述第二方向的固有频率；以及

主动隔振单元，其布置在所述被动隔振单元的外侧，上端与所述负载平台链接，下端与所述基础平台链接，该主动隔振单元包括位移传感器、速度传感器、比例压力阀和音圈电机，其中，所述移传感器、速度传感器用于监测所述负载平台的位移和速度，所述比例压力阀用于根据所述位移和速度控制所述空气弹簧的刚度，所述音圈电机用于根据所述位移和速度对负载平台进行微调，实现振动的进一步隔离。

进一步地，所述第一方向为所述基础平台和负载平台的中心轴线方向，所述第二方向为与所述中心轴线垂直的方向。

进一步地，所述被动隔振机构还包括第一片弹簧和第二片弹簧，所述第一片弹簧和第二片弹簧分别通过第一柔性铰链和第二柔性铰链与所述空气弹簧连接，所述第一片弹簧和第二片弹簧在第二方向成90°组成并联机构，从而降低所述第二方向的固有频率。

进一步地，所述第一片弹簧和第二片弹簧还包括第一金属弹片、第二金属弹片、刚度调节机构及弹片固定装置，其中，所述第一金属弹片与第二金属弹片安装在弹片固定装置上，刚度调节机构用于通过上下滑动来改变所述第一金属弹片和第二金属弹片的有效工作弯曲长度，从而改变第一金属弹片、第二金属弹片的有效工作刚度，进而改变第一片弹簧和第二片弹簧的刚度。

进一步地，所述位移传感器包括两个，分别是第一位移传感器和第二位移传感器；所述速度传感器为两个，分别是第一速度传感器和第二速度传感器；所述音圈电机为两个，分别是第一音圈电机和第二音圈电机；

所述第一位移传感器用于监测所述负载平台第一方向的位姿，所述第二位移传感器用于监测所述负载平台第二方向的位姿，所述比例压力阀用于根据所述负载平台第一方向的位姿控制所述空气弹簧的刚度以适应不同的负载，所述第一速度传感器用于监测所述负载平台第一方向的振动信号，所述第二速度传感器用于监测所述负载平台第二方向的振动信号，第一音圈电机根据所述负载平台第一方向的振动信号调整其施力大小，第二音圈电机根据所述负载平台第二方向的振动信号调整其施力大小，从而实现第一方向和第二方向振动的进一步隔离。

进一步地，所述空气弹簧由金属腔体、密封膜、底板和气室组成，其中，底板固定在所述基础平台上，所述底板与金属腔体通过密封膜连接，以形成气腔。

进一步地，所述空气弹簧上端的圆心部位通过紧固螺钉分别与第一柔性铰链和第二柔性铰链的一端相连，所述第一柔性铰链和第二柔性铰链的另外一端分别通过螺钉与所述第一片弹簧和第二片弹簧相连，所述第一柔性铰链和第二柔性铰链可以衰减剪切和扭转刚度，保证轴向刚度，从而保证片弹簧第二方向的刚度。

进一步地，所述磁负刚度单元包括三块磁铁，其中，上部磁铁固定在所述负载平台上，下部磁铁固定在所述基础平台上，中间磁铁与上部磁铁、下部磁铁呈吸引力布置。

进一步地，所述中间磁铁上施加有柔性铰链，用于约束其他五个方向自由度的运动，使其仅能在竖直方向做平移运动。

进一步地，所述倒立摆为倒立式的空气弹簧。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的技术方案中，同时实现两个自由度的主被动隔振，其中垂直和水平方向均采用正负刚度并联式主被动结构，通过一个去耦合的柔性铰链将竖直方向的元件与水平方向的元件连接。

(2)利用空气弹簧的低刚度特性和大承载特性，采用一定的结构实现竖直方向正刚度特性；

(3)利用磁铁反向布置的排斥作用，实现特殊形式的磁负刚度特性，通过调整外部磁铁间距可以实现磁负刚度的刚度大小调整，采用柔性铰链导向机构约束其自由度；

(4)利用片弹簧的正刚度特性，采用一定的布置方式和片弹簧机构上的调整装置，实现水平向正刚度的调整；

(5)利用倒立摆和欧拉压杆原理实现水平向负刚度特性，根据端部不同的连接方式，实现不同的负刚度特性，本发明中采用的是一端固定铰接另一端自由的铰接方式；

(6)采用正负刚度并联的形式，实现高静态刚度-低动态刚度的特性，从而实现系统较低的固有频率和高负载的特性。

(7)采用主被动复合隔振控制的策略，在被动隔振结构保证高频衰减不受影响的情况下可以较好的实现超低频的隔振，同时建立了主动控制的信号采集和输出装置，配以相应的控制器可以对整个系统的特性进行进一步的调节，使得高频的干扰抑制和超低频的振动抑制性能更优越。

附图说明

图1为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器的原理图；

图2为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器的空气弹簧的结构简化原理图；

图3为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器的磁负刚度机构的简化原理图；

图4为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器的可调刚度片弹簧三维结构及正交安装原理图；

图5为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器的倒立摆简化原理图；

图6为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器的水平向负刚度倒立摆等效原理图；

图7为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器的去耦合柔性铰链自由度原理图；

图8为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器的三维结构图；

图9为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器隐藏负载平台后的三维结构图；

图10为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器的爆炸视图；

图11为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器的局部剖视图；

图12为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器的俯视布局图；

图13(a)为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器的精密主动隔振原理图；

图13(b)为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器的精密主动隔振原理图；

图13(c)为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器的精密主动隔振原理图；

图14为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器的精密主动隔振传递率效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。

图1为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器的原理图。如图1所示，一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器包括：被动结构部分和主动控制部分，被动结构部分由空气弹簧20、磁负刚度机构28和片弹簧21a、21b以及相应的连接和布置方式构成；主动控制部分由位移传感器27a、27b、速度传感器24a、24b、音圈电机执行器25a、25b、比例压力阀26以及相应的控制器40组成。被动结构部分、主动控制部分和负载平台30、基础平台10构成本发明中采用的完整的主被动复合隔振器。

图2为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器涉及的空气弹簧的三维结构简化原理图。空气弹簧20由金属腔体201、密封膜202、底板203和气室204组成；其底板203固定在基础平台10上，通过密封膜202将底板203与空气弹簧20的外金属腔体201连接，以形成气腔204。

假设气腔内的气体动态过程为理想气体的绝热过程，根据平衡方程式和受力关系可以推出气腔204的刚度表达式为：

$K=\frac{{\mathrm{\κA}}^2(P_{atm}+\frac{mg}{A})}{V_0}---\left(1\right)$

其中P_atm为大气电压，κ为绝热系数，其值约为1.402，A为气室的有效截面积，m为静平衡状态下负载的质量，V₀为静平衡下气室初始体积，g为重力加速度。从公式中可以看出，单腔空气弹簧的刚度与负载质量、气室截面积和气室体积相关。则实际使用中可通过气阀控制充入气体的气压大小和空气弹簧气腔204的体积大小，来调节不同的刚度以适应不同的负载及使用情况。

图3为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器涉及的磁负刚度机构的简化原理图，其负刚度的形成是基于磁引力的负刚度原理。磁引力负刚度原理是利用磁铁的相互吸引作用实现的，如图所示，上部磁铁和下部磁铁固定在基座上，中间磁铁与上、下部磁铁呈吸引力布置。中间磁铁的初始工作位置在上部磁铁和下部磁铁的对称中心位置，在初始工作位置下，由于对称性，中间磁铁在z方向处于不稳定的平衡状态。一旦有外界干扰作用在中间磁铁上，这种不稳定的平衡状态会被打波，并且在没有外力辅助的作用下这种平衡状态不会恢复，因此这种磁铁配置呈现负的刚度特性。而在x和y方向上，中间磁铁也受到上、下部磁铁的吸引作用，但是这种平衡是稳定的，呈现正的刚度特性，常用于磁浮隔振领域。为了充分利用这种磁负刚度特性，需要中间磁铁仅仅能在z方向做平移运动，而在其他方向的运动被约束。因此，可以通过施加柔性铰链的方式约束中间磁铁的其他五个自由度的运动，使其仅能在z方向做平移运动。

根据刚度的定义和相关的力学表达式，我们可以推出磁负刚度机构28表达式为：

其中

U_ij＝(-1)^ja′-(-1)ⁱa (4)

V_kl＝(-1)^lb′-(-1)^kb (5)

W_pq＝z+(-1)^qc′-(-1)^pc (6)

$r=\sqrt{{U_{ij}}^2+{V_{kl}}^2+{W_{pq}}^2}---\left(7\right)$

其中，a、b、c为上、下部磁铁的长宽高，a′、b′、c′为中间磁铁的长宽高，J和J’分别为磁铁的磁极化强度正负矢量。

磁负刚度机构28与垂向正刚度空气弹簧20并联后，垂向的刚度表达式为：

从公式(8)可知，垂向的刚度取决于空气弹簧20的正刚度与磁负刚度机构28的刚度之和,可根据实际需求调节系统的静刚度与动刚度，以适应不同的负载能力和隔振能力。

图4为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器涉及的片弹簧的三维结构及正交原理图。图4(a)中，金属弹片2111与金属弹片2113被安装在水平向可调刚度片弹簧21a、21b的弹片固定装置2114上，刚度调节机构2112通过上下滑动来改变金属弹片2111、2113的有效工作弯曲长度，从而改变金属弹片2111、2113的有效工作刚度，进一步改变可调刚度片弹簧21a、21b的刚度。同时为了能够解耦线性调节系统水平向刚度，两可调刚度片弹簧21a、21b成90度夹角正交配置，其工作原理如图4(b)所示，其数学模型推导过程如下所示：

两个互成90°布置的可调刚度片弹簧21a、21b机构可等效为图4(b)所示。图中A点为力的作用点，考虑一般性，当有任意方向(θ为任意值)的单位力F作用在A点，片弹簧机构21a、21b在作用力F的方向产生静变形Δx到B点。单位力F在弹簧k₁和k₂上的分力产生的静位移分别为

假定作用力很小，产生的静变形也非常小，因此∠CBD仍然近似为直角，因此总的变形量Δx为

$\mathrm{\Δ}x=\sqrt{{\mathrm{\Δx}}_1^2+{\mathrm{\Δx}}_2^2}---\left(10\right)$

弹簧刚度k₁和k₂相同，均为k，则机构在θ方向上的总刚度可表示为

当采用两个片弹簧21a、21b并联的时候，其刚度为一个片弹簧刚度21a、21b的两倍，即

k＝2k_s (12)

在精密隔振系统中，振动幅值通常在微米级，保证了上述假设的正确性。另外，由于θ的任意性，因此该机构在任意方向上的刚度均保持一致，为可调刚度片弹簧21a、21b的刚度k。

根据材料力学的知识，一端固定一端自由矩形截面的可调刚度片弹簧21a、21b的弯曲刚度可表示为

k_s＝3EI/L (13)

其中，E为片弹簧材料的弹性模量，I为抗弯截面惯性矩，L为片弹簧有效弯曲长度。由刚度公式可知，刚度大小与有效弯曲长度呈反比，因此通过调整片弹簧的金属弹片2111、2113的有效弯曲长度可以改变其刚度大小，从而实现水平向刚度的调节。

图5为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器涉及的倒立摆简化原理图，倒立摆负刚度是利用欧拉压杆原理实现负的刚度特性，其常用于水平向的负刚度隔振单元。当扰动作用在负载上时，负载会偏离原来的不稳定状态，产生水平向的位移x，此时需要施加反作用力是的其在位移x处保持平衡，其表达式为：

$f=-mg\frac{x}{\sqrt{l^2-x^2}}---\left(14\right)$

根据刚度的定义，倒立摆的水平向刚度的表达式为：

$k=\frac{df}{dx}=-mg(\frac{1}{\sqrt{l^2-x^2}}+\frac{x^2}{\sqrt{{(l^2-x^2)}^3}})---\left(15\right)$

由于是微扰动x<<l，进行简化处理后可以得出其刚度的表达式为：

k＝-mg/l (16)

从表达式可以看出，该约束的倒立摆始终呈现负的刚度特性，在实际使用中需要与正的刚度并联使用，且在制造安装过程中可以通过改变不同的倒立摆长度和负载质量来事项不同大小的负刚度特性。

图6为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器涉及的水平向负刚度倒立摆等效原理图，其为使用水平向的倒立式的空气弹簧20，当负载较大时，其结构可等效为图5中所示的水平方向上的倒立摆负刚度机构。其与水平向正刚度片弹簧20并联后，其刚度的表达式为：

$K^H=K_{po}^H+K_{ne}^H=6EI/L-mg/l---\left(17\right)$

从公式(17)可以看出，其刚度表达由正刚度片弹簧机构21a、21b和负刚度倒立摆组成，在在实际应用中，可以通过合理的选择摆杆参数和负载质量以及调节片弹簧金属弹片2111、2113的长度，来改变水平向的刚度值，实现水平向极低的固有频率。

图7为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器涉及的去耦合的柔性铰链。我们在柔性铰链23a、23b的中心设定参考坐标系{O-XYZ}，其中质心包含来自平动x、y、z及转动Rx、Ry、Rz的六个自由度。我们通过结构设计将柔性铰链23a、23b设计为在x、z、Rx、Rz方向具有低的弯曲刚度，从而去除掉来自这四个自由度的扰动力耦合；使得柔性铰链23a、23b的轴向刚度及轴向的旋转刚度较大，保留下设计所需的y、Ry方向，从而实现垂向与水平向的y向连接，而不受其他自由度的影响。

图8为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器的三维结构图。如图8所示，空气弹簧20的正刚度大小由气阀26的输入和腔室的大小来控制，空气弹簧20构成的负刚度特性则由其形成的倒立摆结构产生，垂直向的正负刚度由倒立摆的磁负刚度机构28并联产生，两者均与负载平台30和基础平台10连接，在竖直方向上形成并联的结构，使得竖直方向上产生较低的固有频率，可调刚度片弹簧21a、21b成90°布置通过柔性铰链23a、23b与倒立摆机构连接，形成水平向的正负刚度并联机构，使得水平向和垂直向的固有频率均较低，使得系统的固有频率较低，可以实现超低频的振动隔离。

主动部分组件由水平向位移传感器27a、垂向位移传感器27b、水平向速度传感器24a、垂向速度传感器24b、水平向音圈电机25a、垂向音圈电机25b、比例压力阀26以及相应的控制器40组成；其中位移传感器27a、27b用来监测负载平台30的位姿，以输出给比例压力阀26来控制空气弹簧20的刚度；其中速度传感器24a、24b作为反馈传感器，用来测量负载平台30的振动信号，采集信号输入给控制器40后进行主动算法控制，控制输出信号传递给音圈电机25a、25b进行主动隔振控制，施加主动控制后进一步降低系统的固有频率，衰减共振峰幅值。

图8～图12为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器的三维结构视图及剖视图，如图图8～图12所示，空气弹簧20的下端通过螺钉安装在基础平台10上，上端的圆心部位则通过紧固螺钉与解耦柔性铰链23a、23b的一端相连，解耦柔性铰链23a、23b的另外一端通过螺钉与可调刚度片弹簧21a、21b相连。片弹簧附着在将负载平台30与基础平台10连接支撑的锁紧螺钉结构22a、22b、22c上。其中，锁紧螺钉结构22a、22b成90°夹角正交安装，锁紧螺钉结构22c则在锁紧螺钉结构22a、22b的中垂线上且在空气弹簧20的另一端处安装。同时，比例压力阀26也被通过螺钉安装附着在锁紧螺钉结构22c的一个侧面上，通过气路实现控制空气弹簧的进出气控制。锁紧螺钉结构22c另一个侧面位置，通过一个机械结构将水平向位移传感器27a在其上安装。

靠近水平向位移传感器27a的地方，水平向音圈电机25a也被相应的安装在基础平台10与负载平台30上，其中水平向音圈电机25a的定子被固定在基础平台10上，水平向音圈电机25a的动子则被安装在负载平台30上。水平向速度传感器24a被安装在负载平台30上，其方向与水平向位移传感器27a及水平向音圈电机25a的方向平行。

垂向速度传感器24b被安装在负载平台30上，其安装方向保证与水平向位移传感器27a及水平向音圈电机25a的方向垂直。垂向音圈电机25b相应的安装在靠近垂向速度传感器24b的地方。其中，垂向音圈电机25b的定子也被安装固定在基础平台10上，垂向音圈电机25b的动子则被固定在负载平台30上。在垂向音圈电机25b的定子安装处，通过一个机械结构将垂向位移传感器27b安装在定子结构上。

垂向位移信号和水平向位移信号通过垂向位移传感器27b和水平向位移传感器27a采集后，输出给主动控制器40进行计算，计算得到的控制信号输出给垂向位移执行器比例压力阀26和水平向位移执行器水平向音圈电机25a。

垂向速度信号和水平向速度信号通过垂向速度传感器24b和水平向速度传感器24a采集后，输出给主动控制器40进行主动隔振算法计算，计算得到的控制信号输出给垂向主动执行器垂向音圈电机25b和水平向主动执行器水平向音圈电机25a，进行闭环主动隔振控制。

空气弹簧20由金属腔体201、密封膜202、底板203和气室204组成，，其剖视图如图11所示，通过螺栓连接使其稳定的安装在基础平台10上，并与负载平台30相连接，形成垂向的正刚度特性和水平向的负刚度特性，垂向的负刚度则由磁负刚度机构28产生。

片弹簧21a和21b采取如图4b的布置方式与空气弹簧20连接并且两者形成90°的夹角，这种布置方式并不唯一，主要是对片弹簧21的刚度进行调节时，便于计算，减少不必要的测量和计算过程。图4a是其结构的三维展示，目前选用的是用两个片弹簧进行连接，中间的调节装置调节其有效的弯曲刚度，经过图7所示的分析可知，其由柔性铰链23a、23b将成90°布置的两个片弹簧机构连接起来，采用的柔性铰链可以很好的衰减剪切和扭转刚度，只保证轴向刚度的不变，为由片弹簧决定的水平向刚度提供了很好的保障。其同时与空气弹簧20形成的倒立摆机构作为水平向的正负刚度并联，使得水平向的刚度也变得很低，实现多自由度的低频隔振。

基础平台10和负载平台30通过锁紧螺钉结构22a、22b、22c连接在一起。其中本发明中的锁紧装置，当其反向时，负载平台30和基础平台10是自由状态的，通过空气弹簧20将负载平台30浮起至工作状态时，形成低刚度特性，可以正常实现本发明所提的主被动复合隔振器功能；当锁紧装置正向安装时，负载平台30和基础平台10被锁紧机构锁止，以便于运输、非工作等状态时的结构破坏。

图12为本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器的垂向方向俯视图，其中，布置方式如图为：锁紧螺钉结构22a与锁紧螺钉结构22b成90度夹角正交安装，同时其中垂线定义为水平方向，锁紧螺钉结构22c则安装在在锁紧螺钉结构22a、22b的中垂线上及在空气弹簧20的另一端处。

以下对本发明采用的空气弹簧20、片弹簧21a、21b、磁负弹簧28、等效倒立摆组成的被动隔振机构与天棚阻尼主动隔振控制和传统隔振机构的隔振原理进行对比：

如图13(a)、(b)所示，传统被动隔振机构和本发明采用的被动隔振机构，都是通过弹簧-质量-阻尼单元构成，实现简单的被动隔振，其传递率曲线函数：

$G_0=\frac{x_1}{x_0}=\frac{C_{0}s+K_0}{{\mathrm{Ms}}^2+C_{0}s+K_0}---\left(18\right)$

$G=\frac{x_1}{x_0}=\frac{Cs+K}{{\mathrm{Ms}}^2+Cs+K}---\left(19\right)$

式中，x₁为负载平台的振动位移量，x₀是基础平台的振动位移量，C₀是传统被动机构的等效阻尼，C是本发明采用机构的等效阻尼，K₀是传统被动机构负载平台与基础平台间的等效刚度，K是本发明采用机构负载平台与基础平台间的等效刚度，M是负载平台的质量，s＝jω为拉氏变换的复变量，ω为频域系数。

与传统被动机构相比，本发明所采用的被动隔振元件垂向为空气弹簧+磁负刚度机构，水平向为片弹簧+倒立摆，其刚度值远低于传统被动机构，能够大大降低系统的固有频率。

如图13(c)所示，本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器在被动隔振机构的基础上，添加一个主动反馈控制回路，主动反馈控制回路中采用传感器反馈、控制器计算、致动器输出的模式运行，构成主被动复合隔振机构，

以负载平台上的振动信号为参考，对被动隔振单元进行主动控制，本实施例中采用天棚阻尼反馈控制算法，构成主被动复合隔振单元，其中控制力F：

F＝λx₁s (20)

上式中，λ为天棚阻尼的增益系数，s＝jω为拉氏变换的复变量，ω为频域系数。

则主被动复合隔振机构闭环情况下的传递率曲线函数G_c：

$G_c=\frac{x_1}{x_0}=\frac{Cs+K}{{\mathrm{Ms}}^2+(C+\mathrm{\&lambda;})s+K}---\left(21\right)$

图14为图13中传统被动隔振机构与本发明实施例的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器采用天棚阻尼算法闭环主动控制下的传递率曲线图。从图中实线可以看出采用传统被动机构隔振时，其固有频率较高，共振峰的幅值较大。而采用本结构后，从图中虚线可以看出，其被动传递率在低频共振峰处有部分衰减，固有频率前移。从图中点画线可以看出，采用本发明的主动隔振控制后，阻尼也得到进一步提升同时系统的共振峰也被主动控制的天棚阻尼补偿，从系统的传递率曲线，看以看出本发明使得振动抑制能力得到了进一步性能的提升。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器，该隔振器包括基础平台(10)和负载平台(30)，其中，所述基础平台下端与外部平台连接，所述负载平台上端与需要隔振的设备连接，所述负载平台(30)通过支撑杆与所述基础平台(10)连接，其特征在于：

该隔振器还包括被动隔振单元，其上端与所述负载平台(30)连接，下端与所述基础平台(10)连接，该被动隔振单元沿第一方向设有正刚度的空气弹簧(20)和负刚度可调的磁负刚度机构(28)，其形成第一方向的正负刚度并联机构，从而降低所述第一方向的固有频率，所述动隔振单元在第二方向设有刚度可调的正刚度片弹簧和负刚度的倒立摆，形成第二方向的正负刚度并联机构，从而降低所述第二方向的固有频率；以及

主动隔振单元，其布置在所述被动隔振单元的外侧，上端与所述负载平台(30)链接，下端与所述基础平台(10)链接，该主动隔振单元包括位移传感器、速度传感器、比例压力阀和音圈电机，其中，所述移传感器、速度传感器用于监测所述负载平台(30)的位移和速度，所述比例压力阀用于根据所述位移和速度控制所述空气弹簧(20)的刚度，所述音圈电机用于根据所述位移和速度对负载平台进行微调，实现振动的进一步隔离。

2.根据权利要求1所述的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器，其特征在于：所述第一方向为所述基础平台(10)和负载平台(30)的中心轴线方向，所述第二方向为与所述中心轴线垂直的方向。

3.根据权利要求1或2所述的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器，其特征在于：所述被动隔振机构还包括第一片弹簧(21a)和第二片弹簧(21b)，所述第一片弹簧(21a)和第二片弹簧(21b)分别通过第一柔性铰链(23a)和第二柔性铰链(23b)与所述空气弹簧(20)连接，所述第一片弹簧(21a)和第二片弹簧(21b)在第二方向成90°组成并联机构，从而降低所述第二方向的固有频率。

4.根据权利要求3所述的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器，其特征在于：所述第一片弹簧(21a)和第二片弹簧(21b)还包括第一金属弹片(2111)、第二金属弹片(2113)、刚度调节机构(2112)及弹片固定装置(2114)，其中，所述第一金属弹片(2111)与第二金属弹片(2113)安装在弹片固定装置(2114)上，刚度调节机构(2112)用于通过上下滑动来改变所述第一金属弹片(2111)和第二金属弹片(2113)的有效工作弯曲长度，从而改变第一金属弹片(2111)、第二金属弹片(2113)的有效工作刚度，进而改变第一片弹簧(21a)和第二片弹簧(21b)的刚度。

5.根据权利要求1或2所述的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器，其特征在于：所述位移传感器包括两个，分别是第一位移传感器(27a)和第二位移传感器(27b)；所述速度传感器为两个，分别是第一速度传感器(24a)和第二速度传感器(24b)；所述音圈电机为两个，分别是第一音圈电机(25a)和第二音圈电机(25b)；

所述第一位移传感器(27a)用于监测所述负载平台(30)第一方向的位姿，所述第二位移传感器(27b)用于监测所述负载平台(30)第二方向的位姿，所述比例压力阀(26)用于根据所述负载平台(30)第一方向的位姿控制所述空气弹簧(20)的刚度以适应不同的负载，所述第一速度传感器(24a)用于监测所述负载平台(30)第一方向的振动信号，所述第二速度传感器(24b)用于监测所述负载平台(30)第二方向的振动信号，第一音圈电机(25a)根据所述负载平台(30)第一方向的振动信号调整其施力大小，第二音圈电机(25b)根据所述负载平台(30)第二方向的振动信号调整其施力大小，从而实现第一方向和第二方向振动的进一步隔离。

6.根据权利要求1或3所述的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器，其特征在于：所述空气弹簧(20)由金属腔体(201)、密封膜(202)、底板(203)和气室(204)组成，其中，底板(203)固定在所述基础平台(10)上，所述底板(203)与金属腔体(201)通过密封膜(202)连接，以形成气腔(204)。

7.根据权利要求1、3或4所述的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器，其特征在于：所述空气弹簧(20)上端的圆心部位通过紧固螺钉分别与第一柔性铰链(23a)和第二柔性铰链(23b)的一端相连，所述第一柔性铰链(23a)和第二柔性铰链(23b)的另外一端分别通过螺钉与所述第一片弹簧(21a)和第二片弹簧(21b)相连，所述第一柔性铰链(23a)和第二柔性铰链(23b)可以衰减剪切和扭转刚度，保证轴向刚度，从而保证片弹簧第二方向的刚度。

8.根据权利要求1所述的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器，其特征在于：所述磁负刚度单元(28)包括三块磁铁，其中，上部磁铁固定在所述负载平台(30)上，下部磁铁固定在所述基础平台(10)上，中间磁铁与上部磁铁、下部磁铁呈吸引力布置。

9.根据权利要求8所述的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器，其特征在于：所述中间磁铁上施加有柔性铰链，用于约束其他五个方向自由度的运动，使其仅能在竖直方向做平移运动。

10.根据权利要求1、6或7所述的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器，其特征在：所述倒立摆为倒立式的空气弹簧(20)。