CN110319144A - 一种基于磁流变技术的高稳定性零刚度微振动隔振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁流变技术的高稳定性零刚度微振动隔振装置，包括水平隔振支撑架，垂直隔振机构，垂直隔振机构固定于水平隔振支撑架的水平隔振台上，工作台放置于垂直隔振机构的正上方，通过螺杆联接。在水平隔振支撑架中的水平隔振台下方以及垂直隔振机构的中心、所述工作台的下方垂直隔振结构的中心圆环内浇注磁流变液，通过改变电流大小改变液体阻尼。具有超低的水平及垂直方向的固有频率，实现良好的隔振效果，很好的解决了高承载能力和低固有频率的矛盾，整个机构具有高稳定性零刚度的特点，具有极低的振动传递率，具有体积小、结构简单紧凑、性能稳定等优点。

Description

一种基于磁流变技术的高稳定性零刚度微振动隔振装置
技术领域
本发明涉及一种超精密隔振技术，尤其涉及一种基于磁流变技术的高稳定性零刚度微振动隔振装置。
背景技术
随着科学技术的发展，以光刻机、精密机床、原子力显微镜等为代表的超精密加工及测量设备达到的精度越来越高，应用越来越广泛，需要的测量、加工环境越来越苛刻，由此低频超精密的隔振设备或装置需求也越来越大。低频超精密高稳定性零刚度微振动隔振装置能很好地隔离周围环境的低频微振动，达到隔振的目的，为设备提供比较理想的工作环境。
常见的一般减振器采用螺旋钢弹簧、空气弹簧居多，螺旋钢弹簧有高承载能力和对抑制低频振动的要求的矛盾，而对于空气弹簧在满足承载能力的前提下若要实现低频振动的抑制要求需采取增大气室体积等方法，但这对工作空间的要求比较大。
中国专利(申请号：201110248147.9)一种超低频精密主动减振器，由负刚度结构与空气弹簧并联组成被动减振单元，由洛伦兹直线作动器构成主动减振单元，能够有效隔离超低频振动，但所需零件较多，结构相对复杂，对加工精度要求相对较高。
中国专利(申请号：201310343083.X)提供了一种六自由度主动隔振装置，利用上下平台和六条腿构成史都华并联机构，实现了对六自由度振动的有效衰减。但无法避免主动控制的高成本和传感器的维护等问题。
总之，上述公开文献虽能达到隔振目的但对空间的要求，使用寿命及维护方面都不够理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于磁流变技术的高稳定性零刚度微振动隔振装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的基于磁流变技术的高稳定性零刚度微振动隔振装置，包括水平隔振支撑架、垂直隔振结构，工作台位于所述垂直隔振结构之上，所述垂直隔振结构放置于水平隔振支撑架的水平隔振平台上；
所述水平隔振支撑架包括第一竖直桁架、第二竖直桁架、第三竖直桁架、第四竖直桁架、第一水平桁架、第二水平桁架、第三水平桁架、第四水平桁架、底座，所述第一竖直桁架、第二竖直桁架、第三竖直桁架、第四竖直桁架对称的置于底座的四个边角并与所述的第一水平桁架、第二水平桁架、第三水平桁架、第四水平桁架通过第一三角连接块、第二三角连接块、第三三角连接块、第四三角连接块、第五三角连接块、第六三角连接块、第七三角连接块、第八三角连接块用螺栓固定，所述的底座中心上放置中心圆筒，所述中心圆筒内放置线圈并浇筑磁流变液体，其上放置所述水平隔振平台，所述水平隔振平台通过同样长度的第一悬线、第二悬线、第三悬线、第四悬线悬挂并保持水平，所述第一悬线、第二悬线、第三悬线、第四悬线经第一夹线夹、第二夹线夹、第三夹线夹、第四夹线夹固定于所述第一竖直桁架、第二竖直桁架、第三竖直桁架、第四竖直桁架顶端，所述第一悬线、第二悬线、第三悬线、第四悬线为长短可调结构。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于磁流变技术的高稳定性零刚度微振动隔振装置，具有隔振功能，结构简单，具有较低的固有频率，实现了超稳定性零刚度的特性，能够适应不同的工作环境。可用于原子力显微镜等精密测量设备、光刻机、精密机床等高精度设备的隔振。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于磁流变技术的高稳定性零刚度微振动隔振装置的立体结构示意图；
图2为本发明实施例中水平隔振支撑架的结构示意图；
图3为本发明实施例中垂直隔振结构的示意图；
图4为本发明实施例中弹簧形状示意图；
图5为本发明实施例中垂直隔振结构的固定底座示意图。
图中：
1为底座，2a、2b、2c、2d为水平桁架，3a、3b、3c、3d为竖直桁架，4a、4b、4c、4d、4e、4f、4g、4h为三角连接块，5a、5b、5c、5d为夹线夹，6a、6b、6c、6d为竖直悬线，7为水平隔振平台，8为中心圆筒，9为固定底座，10a、10b、10c、10d、10e、10f为高度调整架，11a、11b、11c、11d、11e、11f为弹簧，12a、12b、12c、12d、12e、12f为弹簧夹，13为联接块，14为支撑盖，15为短螺柱，16为长螺柱，17为工作台，18为垫块。
具体实施方式
下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
本发明的基于磁流变技术的高稳定性零刚度微振动隔振装置，其较佳的具体实施方式是：
包括水平隔振支撑架、垂直隔振结构，工作台位于所述垂直隔振结构之上，所述垂直隔振结构放置于水平隔振支撑架的水平隔振平台上；
所述水平隔振支撑架包括第一竖直桁架、第二竖直桁架、第三竖直桁架、第四竖直桁架、第一水平桁架、第二水平桁架、第三水平桁架、第四水平桁架、底座，所述第一竖直桁架、第二竖直桁架、第三竖直桁架、第四竖直桁架对称的置于底座的四个边角并与所述的第一水平桁架、第二水平桁架、第三水平桁架、第四水平桁架通过第一三角连接块、第二三角连接块、第三三角连接块、第四三角连接块、第五三角连接块、第六三角连接块、第七三角连接块、第八三角连接块用螺栓固定，所述的底座中心上放置中心圆筒，所述中心圆筒内放置线圈并浇筑磁流变液体，其上放置所述水平隔振平台，所述水平隔振平台通过同样长度的第一悬线、第二悬线、第三悬线、第四悬线悬挂并保持水平，所述第一悬线、第二悬线、第三悬线、第四悬线经第一夹线夹、第二夹线夹、第三夹线夹、第四夹线夹固定于所述第一竖直桁架、第二竖直桁架、第三竖直桁架、第四竖直桁架顶端，所述第一悬线、第二悬线、第三悬线、第四悬线为长短可调结构。
所述水平隔振平台的下端设有比所述中心圆筒内径小的突台，该凸台恰好盖住装有磁流变液的中心圆筒。
所述垂直隔振结构包括固定底座、高度调整架、金属弹簧、弹簧夹、支撑盖、联接块；
所述固定底座的下表面中心掏空，上表面设有内圆筒和外圆筒，内圆筒和外圆筒的间隙置有线圈并浇筑磁流变液，所述支撑盖置于磁流变液之上，所述高度调整架共有结构材质相同的六个，均匀地用螺钉固接在所述固定底座的四周，所述金属弹簧共有结构材质相同六个，均匀地用弹簧夹由螺钉固定在所述高度调整架的顶端，所述联接块联接所述金属弹簧的末端、所述支撑盖的上部以及所述工作台并用螺柱及螺钉进行固定。
所述底座的中心置有永久磁铁。
所述高度调整架的高度采用不同高度的金属块调整高度并保证支撑盖不会触底。
在所述水平隔振平台与垂直隔振结构之间放置垫块调整高度，使所述工作台位于与所述夹线夹顶端同一平面。
对于水平隔振装置部分，当存在外界激励时，通过向线圈内通入电流，使磁流变液的周围产生磁场，改变磁流变液的粘度，使所述水平隔振平台具有较大的正刚度，保证了装置的稳定性；当不存在外界激励时，撤去磁流变周围的磁场，磁流变液体又变成牛顿流体，具有较低的粘度，使整个水平隔振平台又变为零刚度状态，保证其工作时具有零刚度，有外界激励时，具有较大的刚度，保证其稳定性。
对于垂直隔振结构部分，当存在外界激励时，通过向线圈内通入电流，使磁流变液的周围产生磁场，改变磁流变液的粘度，使所述工作台具有较大的正刚度，保证了装置的稳定性；当不存在外界激励时，撤去磁流变周围的磁场，磁流变液体又变成牛顿流体，具有较低的粘度，使整个工作台又变为零刚度状态，保证其工作时具有零刚度，需要外界激励时，具有较大的刚度，保证其稳定性。
通过对水平隔振部分和垂直隔振结构部分通入电流产生磁场，保证整个装置的高稳定性，将电流撤去，而使整个系统处于零刚度状态，达到较好的隔振效果，电流能同时通断，保证整体结构的稳定性，亦能根据需要对两部分电流的通断分开进行。
本发明的基于磁流变技术的高稳定性零刚度微振动隔振装置，该隔振装置结构简单，具有较低的固有频率，实现了超稳定性零刚度的特性，能够适应不同的工作环境。
本发明具有以下技术特点：
如图1至图5所示，采用水平隔振和竖直隔振相结合的方式实现三向隔振，水平方向隔振利用足够长的悬线6连接水平隔振平台7，使水平方向有较低的固有频率实现水平隔振的目的；垂直方向利用弹簧11的弯曲使得加载时处于较低刚度，通过永久磁铁的刚度补偿最终达到零刚度的目的；
采用磁流变技术，基于磁流变液在无电流时的低粘度低阻尼，通有电流时的高粘度高阻尼的特性，在加载或卸载前对位于水平隔振平台下方及垂直隔振结构底座上表面圆筒内的磁流变液进行通电实现装置的高阻尼及高静刚度，将负载顺利放至隔振平台上而不会出现失稳等现象；在使用测量或加工仪器时，将电流撤去是磁流变液呈现低粘度状态，整个装置实现零刚度，保证隔振的效果，实现高稳定零刚度的隔振效果；
垂直隔振装置置于水平隔振平台7上，不占用多余空间，结构更加紧凑；
采用的永磁体位于垂直隔振底座9上表面中心，通过垫块18等物体，实现磁体的高度可调，进而更加轻松的调整垂直隔振保证为零刚度；
所述的支撑盖14，在磁流变液通电时起支撑、固定作用，保证在放置负载时工作台平面保持稳定，防止倾覆；支撑盖浸入磁流变液的壁厚比装有磁流变液的内外圆筒的内外径差略小，保证磁流变液不会溢出；
所述水平隔振平台7，其下表面具有与底座中心圆筒内径接近的直径大小，同样保证通电流时水平隔振平台的稳定。
本发明的有益效果在于：
本发明在水平隔振支撑架和垂直隔振结构的内部浇筑磁流变液，在加载和卸载过程中防止结构的变化，提高了结构整体的稳定性，保证结构达到最佳隔振效果；本发明具有结构紧凑、使用寿命较长，便于调整，高稳定零刚度等优点。
具体实施例，如图1至图5所示：
本发明的整体结构如图1所示，基于磁流变技术的半主动隔振装置由水平隔振支撑架和垂直隔振结构所组成。垂直隔振结构通过垫块18，使工作台的上表面与四个夹线夹5顶端保持一个水平面。
如图2所示，水平隔振支撑架由水平桁架2、竖直桁架3、三角连接块4构成外部的框架，竖直桁架3顶端置有夹线夹5，夹线夹5接有悬线6，四条悬线6末端联接水平隔振平台7，在水平隔振平台7的下方中心放有装满磁流变液的中心圆筒8，圆筒8置于底座1的中心。当磁流变液中提供强磁场磁场(由内部的线圈通有电流提供)时，表现为高粘度的、低流动性的Bingham体特性，此时，水平隔振平台7具有较大阻尼，水平方向基本固定，可以在水平隔振平台7上进行放置或取下负载而不会影响负载或者装置的装配结构。由竖直悬线6联接的水平隔振平台7，在磁流变液中不通磁场时，在水平方向呈现极低的阻尼和刚度，甚至基本达到零刚度的状态。悬线6与夹线夹5提供了主要的承载的力，可以通过改变其材料改变其强度以达到对不同负载的要求。
如图3所示，垂直隔振结构由固定底座9作为垂直隔振结构的底部，起到固定及定位的作用。其中心由内外不同半径的圆筒组成，圆筒内部装有磁流变液，其作用与水平隔振支撑架中的磁流变液的作用基本相同，在圆筒间隙置有支撑盖14，支撑盖的下端浸在磁流变液中，当通有磁场时，磁流变液表现为高粘度的、低流动性的Bingham体特性，使支撑盖14固定，而不会受外部干扰情况下进行摇晃，以便在改变负载时，装置的整体结构和装配状态不会改变。在支撑盖14上端通过短螺柱联15接到联接块13，在固定底座9的四周均布六个通过螺钉固定的高度调整架10，弹簧夹12与高度调整架7的上端通过螺钉固接，中间固定有六个弹簧11，弹簧11的结构、材料完全相同保证承载时，其形变相同，不会出现倾覆等情况。弹簧11顶端通过螺钉联接在联接块13上，在高度调整架10固定的弹簧部分与水平方向呈四十五度角，在联接块固定的弹簧部分与水平方向呈三十度。在联接块13的上端通过长螺柱16联接工作台17，调整长螺柱16的长度，保证隔振结构工作时，工作台17下端不会碰触弹簧11而影响其隔振效果。
弹簧11在工作时为保证受到的内应力较小，采用的形状遵循函数如下：
c1＝-0.377,c2＝1.377,c3＝0.195,β＝1.361.
该函数确定的是弹簧两侧的形状，厚度的选取可根据负载的不同进行选取，以保证隔振达到理想效果。在固定底座9的中心置有永久磁铁，通过永久磁铁与弹簧的串联使垂直隔振结构处于零刚度状态。因为弹簧处于工作状态时，结构为零刚度，当需要改变负载时就需要磁流变液改变其阻尼大小实现结构的稳定性，提高结构的工作稳定性，具有较长的使用寿命。
本发明可以实现对三向的有效隔振，实现零刚度的工作状态，对于精加工、显微测量等高精度要求的领域均具有较为重要的意义，并起到了较为重要的作用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于磁流变技术的高稳定性零刚度微振动隔振装置，其特征在于，包括水平隔振支撑架、垂直隔振结构，工作台(17)位于所述垂直隔振结构之上，所述垂直隔振结构放置于水平隔振支撑架的水平隔振平台(7)上；
所述水平隔振支撑架包括第一竖直桁架(3a)、第二竖直桁架(3b)、第三竖直桁架(3c)、第四竖直桁架(3d)、第一水平桁架(2a)、第二水平桁架(2b)、第三水平桁架(2c)、第四水平桁架(2d)、底座(1)，所述第一竖直桁架(3a)、第二竖直桁架(3b)、第三竖直桁架(3c)、第四竖直桁架(3d)对称的置于底座(1)的四个边角并与所述的第一水平桁架(2a)、第二水平桁架(2b)、第三水平桁架(2c)、第四水平桁架(2d)通过第一三角连接块(4a)、第二三角连接块(4b)、第三三角连接块(4c)、第四三角连接块(4d)、第五三角连接块(4e)、第六三角连接块(4f)、第七三角连接块(4g)、第八三角连接块(4h)用螺栓固定，所述的底座(1)中心上放置中心圆筒(8)，所述中心圆筒(8)内放置线圈并浇筑磁流变液体，其上放置所述水平隔振平台(7)，所述水平隔振平台(7)通过同样长度的第一悬线(6a)、第二悬线(6b)、第三悬线(6c)、第四悬线(6d)悬挂并保持水平，所述第一悬线(6a)、第二悬线(6b)、第三悬线(6c)、第四悬线(6d)经第一夹线夹(5a)、第二夹线夹(5b)、第三夹线夹(5c)、第四夹线夹(5d)固定于所述第一竖直桁架(3a)、第二竖直桁架(3b)、第三竖直桁架(3c)、第四竖直桁架(3d)顶端，所述第一悬线(6a)、第二悬线(6b)、第三悬线(6c)、第四悬线(6d)为长短可调结构。
2.根据权利要求1所述的基于磁流变技术的高稳定性零刚度微振动隔振装置，其特征在于，所述水平隔振平台(7)的下端设有比所述中心圆筒(8)内径小的突台，该凸台恰好盖住装有磁流变液的中心圆筒(8)。
3.根据权利要求1所述的基于磁流变技术的高稳定性零刚度微振动隔振装置，其特征在于，所述垂直隔振结构包括固定底座(9)、高度调整架(10)、金属弹簧(11)、弹簧夹(12)、支撑盖(14)、联接块(13)；
所述固定底座(9)的下表面中心掏空，上表面设有内圆筒和外圆筒，内圆筒和外圆筒的间隙置有线圈并浇筑磁流变液，所述支撑盖(14)置于磁流变液之上，所述高度调整架(10)共有结构材质相同的六个，均匀地用螺钉固接在所述固定底座(9)的四周，所述金属弹簧(11)共有结构材质相同六个，均匀地用弹簧夹(12)由螺钉固定在所述高度调整架(10)的顶端，所述联接块(13)联接所述金属弹簧(11)的末端、所述支撑盖(14)的上部以及所述工作台(17)并用螺柱(15)及螺钉进行固定。
4.根据权利要求3所述的基于磁流变技术的高稳定性零刚度微振动隔振装置，其特征在于，所述底座(9)的中心置有永久磁铁。
5.根据权利要求4所述的基于磁流变技术的高稳定性零刚度微振动隔振装置，其特征在于，所述高度调整架(10)的高度采用不同高度的金属块调整高度并保证支撑盖(14)不会触底。
6.根据权利要求1所述的基于磁流变技术的高稳定性零刚度微振动隔振装置，其特征在于，在所述水平隔振平台(7)与垂直隔振结构之间放置垫块(18)调整高度，使所述工作台(17)位于与所述夹线夹(5a、5b、5c、5d)顶端同一平面。
7.根据权利要求1至6任一项所述的基于磁流变技术的高稳定性零刚度微振动隔振装置，其特征在于，对于水平隔振装置部分，当存在外界激励时，通过向线圈内通入电流，使磁流变液的周围产生磁场，改变磁流变液的粘度，使所述水平隔振平台(7)具有较大的正刚度，保证了装置的稳定性；当不存在外界激励时，撤去磁流变周围的磁场，磁流变液体又变成牛顿流体，具有较低的粘度，使整个水平隔振平台(7)又变为零刚度状态，保证其工作时具有零刚度，有外界激励时，具有较大的刚度，保证其稳定性。
8.根据权利要求1至6任一项所述的基于磁流变技术的高稳定性零刚度微振动隔振装置，其特征在于，对于垂直隔振结构部分，当存在外界激励时，通过向线圈内通入电流，使磁流变液的周围产生磁场，改变磁流变液的粘度，使所述工作台(17)具有较大的正刚度，保证了装置的稳定性；当不存在外界激励时，撤去磁流变周围的磁场，磁流变液体又变成牛顿流体，具有较低的粘度，使整个工作台(17)又变为零刚度状态，保证其工作时具有零刚度，需要外界激励时，具有较大的刚度，保证其稳定性。
9.根据权利要求1至6任一项所述的基于磁流变技术的高稳定性零刚度微振动隔振装置，其特征在于，通过对水平隔振部分和垂直隔振结构部分通入电流产生磁场，保证整个装置的高稳定性，将电流撤去，而使整个系统处于零刚度状态，达到较好的隔振效果，电流能同时通断，保证整体结构的稳定性，亦能根据需要对两部分电流的通断分开进行。
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CN114412954A (zh) * 2022-01-12 2022-04-29 华中科技大学 一种移动载体精密仪器隔振系统
CN114412954B (zh) * 2022-01-12 2022-10-04 华中科技大学 一种移动载体精密仪器隔振系统

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