CN111810581B - 一种基于空气弹簧的大型精密隔振平台 - Google Patents

Abstract

一种基于空气弹簧的大型精密隔振平台，包括隔振实验室空间、负载平台1、垂直空气弹簧隔振器2、水平空气弹簧隔振器3、高速电磁伺服阀6、气动系统和控制系统。所述的负载平台下面板由垂直空气弹簧隔振器和水平空气弹簧隔振支撑；所述的垂直空气弹簧隔振器负责平台的正刚度静态负载和局部被动隔振；所述的水平空气弹簧隔振器负责平台的负刚度调节和主动隔振；通过正负刚度调节降低隔振系统的固有频率，同时垂直空气弹簧与水平空气弹簧隔振器结合构成主被动复合控制；所述的空气弹簧隔振器上分别设有反馈传感器，用于检测空气弹簧气腔压力和负载平台对应位置的加速度；所述的控制系统包括控制器、动力单元和伺服阀。

Description

一种基于空气弹簧的大型精密隔振平台

技术领域

本发明涉及精密隔振技术领域，尤其是涉及一种基于空气弹簧的大型精密隔振平台。

背景技术

随着纳米技术带动先进科学技术的发展，精密检测和微纳制造加工设备在航空航天、光学电子、精密机械制造及无损检测领域得以广泛运用。电子束光刻、聚焦离子束和扫描探针显微镜等精密设备，其精密度、抗振性和动态稳定性等性能突出，要求在低振动噪声的超静音实验室环境下工作，因此需要对设备基础进行精密振动隔离。

实验室的干扰振动主要包括地基振动、环境振动和设备内部激励，涵括了高中低频带，针对精密实验室的隔振带宽和隔振性能要求，常见的解决方法是设计隔振平台去隔离或抑制这些振动干扰。

隔振平台类型的选择在很大程度上影响整个隔振系统的性能，压电陶瓷、磁致伸缩隔振结构复杂，对高频的隔离非常有效，但是需要其他类型的隔振辅助，并且极易引入电磁干扰。液压隔振的精度较低，并且液压作动器的油液润滑剂极易污染环境，不适合对环境洁净度有严格要求的无尘精密设备实验室。空气弹簧具有刚度低、负载能力强、洁净度高，寿命长，且刚度和阻尼可调节等优点，广泛运用于隔振行业。

振动控制部分是隔振平台的核心，针对中高频振动，多采用被动隔振，被动隔振结构简单、工作可靠、不依赖电源，可以有效地隔绝中高频振动干扰。针对低频甚至或超低频振动，多采用主动隔振，气动主动隔振自适应性好，通过作动器输出反向力抵消低频振动，具有优越的低频或超低频隔振性能。

专利公开号CN106763465A，名称为“一种六自由度主被动减振平台” 的专利，采用液压伺服油缸系统的减振平台，但是不适合对环境洁净度有要求的无尘精密设备实验室。

专利公开号CN105204541A，名称为“一种高精度的Stewart 主动隔振平台”的专利，采用压电系统的减振平台，负载能力小，主要解决低频微幅的高精度减振。

发明内容

本发明的目的是针对国内外现有隔振技术存在的不足，以及精密实验室对苛刻的环境标准的需求，提出了一种基于空气弹簧的大型精密隔振平台，能够满足高精度实验室的整体隔振要求。

空气弹簧本身具有阻尼特性，能有效地隔离地基振动、环境振动、设备内部激励等中高频振动；对空气弹簧进行垂直和水平方向结构组合设计，可以调节系统刚度，使隔振平台具有大静态负载能力，同时降低系统的固有频率，拓宽被动隔振的频带范围。

另外，通过传感器实时采集隔振平台的振动信号，由主动控制器输出反向控制信号驱动空气弹簧作动，对隔振平台的振动噪声进行补偿，从而在低频段实现主动隔振。最终通过主被动隔振系统的复合作用，实现大型隔振平台在六自由度全频段的精密隔振要求。

本发明采用如下技术方案：

一种基于空气弹簧的大型精密隔振平台，包括隔振实验室空间、负载平台1、垂直空气弹簧隔振器2、水平空气弹簧隔振器3、高速电磁伺服阀6、气动系统和控制系统。所述的负载平台下面板由垂直空气弹簧隔振器和水平空气弹簧隔振支撑；所述的垂直空气弹簧隔振器负责平台的正刚度静态负载和局部被动隔振；所述的水平空气弹簧隔振器负责平台的负刚度调节和主动隔振；通过正负刚度调节降低隔振系统的固有频率，同时垂直空气弹簧与水平空气弹簧隔振器结合构成主被动复合控制；所述的空气弹簧隔振器上分别设有反馈传感器，用于检测空气弹簧气腔压力和负载平台对应位置的加速度；所述的控制系统包括控制器、动力单元和伺服阀。

进一步，所述的负载平台通过垂直空气弹簧隔振器支撑将其与地面分离。

进一步，所述的垂直空气弹簧隔振器根据负载平台的承重载荷大小可选择，按严格的轴对称均匀地成两列排布。

进一步，所述的水平空气弹簧隔振器有3个，成等腰直角三角形排布于两列垂直空气弹簧隔振器中间。

进一步，所述的垂直空气弹簧隔振器和水平空气弹簧隔振器具有充气口和排气口，可独立进行充放气操作，并分为三个协同工作组进行动态平衡隔振控制。

进一步，控制器基于传感器的反馈信息控制三个协同工作组，带伺服阀提供实施有效的反向动态控制，抵消环境干扰振动。

作为优选，选用三位五通高速电磁伺服阀：一方面，其具有动作响应快速，可靠性强；另一方面，其具有低功耗，低热量生成等优点。

进一步，所述的气动系统负责空气供给，包括储气罐、超精细过滤阀、过滤减压阀、水分分离器等。

因此，本发明具有的优点和积极效果是：

1.采用空气弹簧作为大型隔振系统的元件，系统的刚度和阻尼可调节，能有极低的固有频率,能有效地隔除中、高频振动,对局部低频振动也有较好的隔振作用。

2.由于空气体积大并且可压缩，具有大载荷负载能力，适合大型隔振平台。

3.空气弹簧的气体供给的净化处理满足精密实验室与特殊设备对环境洁净度的要求。

4.空气弹簧精度高，可以实现高精度隔振，可大大地减少各个频带环境振动对精密测量仪器测量精度的影响,满足了精密机械与仪器仪表科学对基础隔振性能的要求。

5.采用主被动复合控制方案，扩大隔振带宽，控制效果好,适应性强，具有强可靠性、扩展性、实时性、操作灵活等特点。

6.实现六自由度隔振，可通过对干扰振动进行六自由度模态解耦后通过隔振器控制输出反向力进行抵消，大大提高隔振效果。

7.实现隔振控制系统的高度集成，同时具有姿态稳定性故障分析、压差测量反馈故障分析、位移测量反馈故障分析、执行单元及紧急故障分析。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是本发明的左视图；

图3是本发明的俯视图；

图4图5是本发明六自由度示意图；

图6是本发明的隔振控制实施示意图；

图中：1-负载平台；2-垂直空气弹簧隔振器；3-水平空气弹簧隔振器；4-反馈信息传感器；5-控制器；6-高速电磁阀；7-空气弹簧充放气口；8-空气管道；9-消音器；10-底座；11-悬浮板；12-槽钢；13-混凝土地基；14-垂直空气弹簧被动部分；15-垂直空气弹簧主动部分。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1图2所示，本发明是一种基于空气弹簧的高精度大型隔振平台系统，主要组成结构包括负载平台1、垂直空气弹簧隔振器2、水平空气弹簧隔振器3、气动系统和控制系统。所述的负载平台1通过两列均匀排布的若干垂直空气弹簧隔振器2支撑；水平空气弹簧隔振器3置于两行垂直空气弹簧隔振器中间；每个空气弹簧隔振器上装有反馈传感器4，检测空气弹簧气腔压力和负载平台1对应位置的加速度信息；所述的控制系统包括控制器5、动力单元和伺服阀，控制器分别与反馈传感器和伺服阀相连，控制器根据反馈信息调节伺服阀进而控制空气弹簧的充放气量，提供实施有效的反向动态控制，抵消振动干扰。

如图1图2所示，科学合理地将负载平台1质心设计在一种最佳的位置，在振动调整过程中避免产生不必要的扭矩。悬浮板11利用槽钢12嵌在侧壁，与负载平台分离，可以避免工作人员操作时的振动干扰。

如图3所示，在工作平台上建立XYZ三维坐标系，X轴由平台上表面中心向右水平延伸，Y轴由平台上表面中心向后水平延伸，Z轴由平台上表面中心向上垂直延伸。将垂直空气弹簧隔振器划分为三组：Fz1、Fz2、Fz3，垂直空气弹簧内部阴影14是被动控制部分，外环15是主动控制部分。水平空气弹簧隔振器3成等腰直角三角形排布于两行垂直空气弹簧隔振器中间；A与X轴平行，B、C与Y轴成对称关系、与X轴的夹角为45°；水平空气弹簧隔振器实现主动控制，振动方向与所标箭头方向一致。

垂直空气弹簧充放气调节系统的正刚度，水平空气弹簧充放气调节系统的负刚度，通过正负刚度调节降低系统的固有频率，扩宽被动隔振的低频范围。中高频的干扰振动被空气弹簧有效隔离，低频的干扰振动需要主动控制提供施有效的反向动态控制抵消，由此设计主被动复合隔振控制系统实现全频带隔振。

所述的六自由度主被动复合隔振控制包括如下步骤：

如图6所示，当负载平台1工作时，控制器5根据系统给定的高度调节高速电磁伺服阀6的阀门开度，给垂直空气弹簧隔振器2充放气，使平台上升到设定的高度并保持稳定在高度不感带区，给水平空气弹簧3充放气调节系统的刚度。

进一步，由于空气弹簧隔振器自身的大体积、低阻尼和低刚度特性，在工作全过程能够自动有效地滤除中高频环境振动，实现全程被动隔振。 因此在工作阶段，针对被动隔振无法滤除的低频振动，系统采取主动隔振。根据对应的反馈传感器加速度信号，通过反向动力学进行模态六自由度解耦，各控制器采取不同策略分别运行。

如图4所示，对于Z轴上下方向的振动，根据垂直空气弹簧隔振器上的反馈传感器信号，控制器调节对应位置的垂直空气弹簧隔振器的高速电磁伺服阀开量，控制垂直空气弹簧的充放气量，提供实施有效的Z轴反向动态控制，抵消低频环境振动，实现Z轴方向稳定。

如图5所示，对于Z轴旋转的振动，根据水平空气弹簧隔振器上的反馈传感器的信号，控制器调节对应位置的水平空气弹簧隔振器的高速电磁伺服阀开量，控制空气弹簧的充放气量，提供实施有效的反向动态控制，抵消Z轴低频环境旋转振动，实现Z轴旋转方向稳定。

对于X轴方向的振动，根据水平空气弹簧隔振器A上的反馈传感器的信号，控制器调节水平空气弹簧隔振器A的高速电磁伺服阀开量，控制空气弹簧的充放气量，提供实施有效的反向动态控制，抵消X轴低频环境振动，实现X轴方向稳定。

对于X轴旋转的振动，根据Fz1组垂直空气弹簧隔振器上的反馈传感器的信号，控制器调节Fz1组垂直空气弹簧隔振器的高速电磁伺服阀开量，控制空气弹簧的充放气量，提供实施有效的反向动态控制，抵消X轴低频环境旋转振动，实现X轴旋转方向稳定。

对于Y轴方向的振动, 根据水平空气弹簧隔振器B、C上的反馈传感器的信号，控制器调节水平空气弹簧隔振器B、C的高速电磁伺服阀开量，控制空气弹簧的充放气量，提供实施有效的反向动态控制，抵消Y轴低频环境振动，实现Y轴方向稳定。

对于Y轴旋转的振动，根据Fz2组、Fz3组垂直空气弹簧隔振器上的反馈传感器的信号，控制器调节Fz2组、Fz3组垂直空气弹簧隔振器的高速电磁伺服阀开量，控制空气弹簧的充放气量，提供实施有效的反向动态控制，抵消Y轴低频环境旋转振动，实现Y轴旋转方向稳定。

Claims (7)

1.一种基于空气弹簧的大型精密隔振平台，包括隔振实验室空间、负载平台（1）、垂直空气弹簧隔振器（2）、水平空气弹簧隔振器（3）、高速电磁伺服阀（6）、气动系统和控制系统；所述的负载平台下面板由垂直空气弹簧隔振器和水平空气弹簧隔振支撑；所述的垂直空气弹簧隔振器负责平台的正刚度静态负载和局部被动隔振；所述的水平空气弹簧隔振器负责平台的负刚度调节和主动隔振；通过正负刚度调节降低隔振系统的固有频率，同时垂直空气弹簧与水平空气弹簧隔振器结合构成主被动复合控制；所述的空气弹簧隔振器上分别设有反馈传感器，用于检测空气弹簧气腔压力和负载平台对应位置的加速度；所述的控制系统包括控制器、动力单元和伺服阀；

所述的水平空气弹簧隔振器有3个，成等腰直角三角形排布于两列垂直空气弹簧隔振器中间。

2.根据权利要求1所述的基于空气弹簧的大型精密隔振平台，其特征在于，所述的负载平台通过垂直空气弹簧隔振器支撑将其与地面分离。

3.根据权利要求1所述的基于空气弹簧的大型精密隔振平台，其特征在于，所述的垂直空气弹簧隔振器根据负载平台的承重载荷大小可选择，按严格的轴对称均匀地成两列排布。

4.根据权利要求1所述的基于空气弹簧的大型精密隔振平台，其特征在于，所述的垂直空气弹簧隔振器和水平空气弹簧隔振器具有充气口和排气口，可独立进行充放气操作，并分为三个协同工作组进行动态平衡隔振控制。

5.根据权利要求4所述的基于空气弹簧的大型精密隔振平台，其特征在于，控制器基于传感器的反馈信息控制三个协同工作组，带伺服阀提供实施有效的反向动态控制，抵消环境干扰振动。

6.根据权利要求1所述的基于空气弹簧的大型精密隔振平台，其特征在于，选用三位五通高速电磁伺服阀。

7.根据权利要求1所述的基于空气弹簧的大型精密隔振平台，其特征在于，所述的气动系统负责空气供给，包括储气罐、超精细过滤阀、过滤减压阀、水分分离器。

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