CN116292731A - 一种前馈式主动减振装置及主动减振系统 - Google Patents

一种前馈式主动减振装置及主动减振系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种前馈式主动减振装置及主动减振系统，该装置包括被动减振单元以及前馈式主动减振单元，所述前馈式主动减振单元包括直线执行器，所述直线执行器被配置为与所述负载运动平台的直线电机位于同一水平面，且与所述负载连接，所述直线执行器用于对所述负载施加与所述直线电机反向的主动力，以抵消所述运动部件运动所导致负载的振动。本发明可以保证负载运动平台的运动不会导致减振系统存在转动模式，保证负载不会出现倾角、倾覆等情况，保证了减振系统的减振效果以及设备的稳定运行；且能够实现实时前馈式控制，不再需要做各种检测，无需设置传感器来测量负载振动的情况，大大降低了设备的成本，大大降低控制算法和系统的复杂性。

Description

一种前馈式主动减振装置及主动减振系统
技术领域
本发明涉及一种前馈式主动减振装置及主动减振系统，属于主动减振技术领域。
背景技术
主动减振技术是集成电路制造、精密测量、医疗检测等设备的关键技术。主动减振器一般采用主动元件和低刚度被动隔振元件并联而成。目前主流的商用主动减振器基本采用主动元件和被动隔振元件集成模块化。通过位移传感器和加速度传感器测量负载的振动状况，主动控制器获取负载的运动参数并计算出执行器的输出力，进而反向施加到负载上以抵消负载振动，从而大大减少由运动工作台运动而引起的负载振动。
每次负载运动平台运动的同时，控制器将其位置和加速度数据发送给主动控制器分析并计算，然后才能将执行器的反向输出力施加到负载上来抵消负载振动。由于信号传输和主动控制器分析计算导致的延时，使这种反馈系统无法实时地响应负载振动；此种反馈方式需要额外设置诸多传感器进行多次测量，极大增加了设备成本，并且大大增加控制算法和系统的复杂性。其次，摆放在负载重心同一平面的减振器，大都低于运动工作台直线电机的平面，从而导致减振器存在转动模式，使得负载容易出现倾角、倾覆等情况，将会大大影响设备的稳定运行。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种前馈式主动减振装置及主动减振系统。
本发明的第一个目的在于提供一种前馈式主动减振装置，包括：
负载；
被动减振单元，安装于所述负载的下方，包括通过隔膜密封的气室，所述气室内填充有气体以承载所述负载；
负载运动平台，包括运动部件以及与所述运动部件连接的直线电机，所述运动部件与所述负载连接，所述直线电机用于驱动所述运动部件直线运动导致负载振动；以及
前馈式主动减振单元，包括直线执行器，所述直线执行器被配置为与所述负载运动平台的直线电机位于同一水平面，且与所述负载连接，所述直线执行器用于对所述负载施加与所述直线电机反向的主动力，以抵消所述运动部件运动所导致负载的振动；
其中，所述隔膜与所述负载的重心置于同一平面。
本发明的一种实施方式中，所述直线电机包括X轴直线电机和/或Y轴直线电机，所述X轴直线电机用于驱动所述运动部件沿X轴直线运动，所述Y轴直线电机用于驱动所述运动部件沿Y轴直线运动。
本发明的一种实施方式中，所述直线执行器包括水平向X轴直线执行器和/或水平向Y轴直线执行器，所述水平向X轴直线执行器被配置为与所述负载运动平台的X轴直线电机位于同一水平面，且与所述负载连接，水平向X轴直线执行器用于对所述负载施加与所述X轴直线电机反向的主动力，以抵消所述运动部件沿X轴运动所导致负载的振动；所述水平向Y轴直线执行器被配置为与所述负载运动平台的Y轴直线电机位于同一水平面，且与所述负载连接，水平向Y轴直线执行器用于对所述负载施加与所述Y轴直线电机反向的主动力，以抵消所述运动部件沿Y轴运动所导致负载的振动。
本发明的一种实施方式中，所述被动减振单元安装在安装基础的上方，所述Y直线执行器以及X轴直线执行器均包括定子和动子，所述定子和安装基础固定连接，所述动子和负载固定连接，所述动子能够相对于所述定子直线运动，以使所述负载能够相对于所述安装基础沿直线运动。
本发明的一种实施方式中，所述被动减振单元还包括底座，所述底座上设置有中心柱和气室外壁，所述中心柱上设置有T型块，所述T型块的上方连接有安装平台，所述隔膜夹持于T型块与安装平台之间，隔膜通过压簧连接于所述气室外壁的顶部，隔膜和气室外壁之间形成有气室；所述负载安装于安装平台的上方，所述安装基础设置于底座的下方。
本发明的一种实施方式中，所述中心柱的顶部开设有凹槽，所述凹槽与所述T型块相适配，凹槽的两端设置有阻尼橡胶。
本发明的一种实施方式中，所述直线执行器为直线电机、音圈电机或洛伦兹电机。
本发明的第二个目的在于提供一种前馈式主动减振系统，包括所述的前馈式主动减振装置。
本发明的一种实施方式中，还包括控制器，所述控制器与所述前馈式主动减振单元的直线执行器以及所述负载运动平台的直线电机数据连接；多个所述直线执行器，与所述直线电机同时接收所述控制器的控制指令，抵消所述运动部件运动所导致的负载振动，以实现实时前馈式控制。
本发明的一种实施方式中，多个所述被动减振单元与多个所述前馈式主动减振单元并联，以实现对负载五自由度振动的主动控制。
有益效果
(1)本发明多个前馈式主动减振单元的水平向X轴直线执行器与负载运动平台的X轴直线电机放置于同一水平面，多个水平向Y轴直线执行器与负载运动平台的Y轴直线电机放置于同一水平面，此种摆放方式可以保证负载运动平台的运动不会导致减振系统存在转动模式，继而保证负载不会出现倾角、倾覆等情况，保证了减振系统的减振效果以及设备的稳定运行。
(2)本发明负载的重心与被动减振单元的隔膜置于同一平面，此种摆放方式可以保证被动减振单元只会有水平或垂直方向上的平动模式。
(3)本发明控制器与所述前馈式主动减振单元的直线执行器以及所述负载运动平台的直线电机数据连接；多个所述直线执行器，与所述直线电机同时接收所述控制器的控制指令，负载运动平台的运动部件运动的同时，前馈式主动减振单元的直线执行器同步对负载施加反向的主动力，抵消运动部件运动所导致的负载振动，以实现实时前馈式控制。此种实时前馈式的控制方式不再需要做各种检测，不但大大降低了算法的难度，而且无需设置位移传感器、加速度传感器等来测量负载振动的情况，大大降低了设备的成本，大大降低控制算法和系统的复杂性。
附图说明
图1为本发明的被动减振单元结构示意图。
图2为本发明的前馈式主动减振系统的结构示意图。
图3为本发明的被动减振单元第一种支撑形式的布局示意图。
图4为本发明的被动减振单元第二种支撑形式的布局示意图。
图5为本发明的被动减振单元第三种支撑形式的布局示意图。
图6为本发明的前馈式主动减振单元第一种布局形式的示意图。
图7为本发明的前馈式主动减振单元第一种布局形式的示意图。
其中：1、压簧；2、安装平台；3、隔膜；4、气室外壁；5、中心柱；6、底座；7、T型块；8、阻尼橡胶；9、被动减振单元；10、负载运动平台；11、X轴直线电机；12、Y轴直线电机；13、水平向Y轴直线执行器；14、水平向X轴直线执行器；15、气室；16、负载。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1和2所示，本实施例提供了一种前馈式主动减振装置，包括被动减振单元9和前馈式主动减振单元。
所述被动减振单元9的上方安装有负载16，所述负载16连接有负载运动平台，所述负载运动平台包括运动部件10以及与所述运动部件10连接的X轴直线电机11和Y轴直线电机12，所述X轴直线电机11用于驱动运动部件10沿X轴直线运动，所述Y轴直线电机12用于驱动运动部件10沿Y轴直线运动，所述运动部件10与负载16连接，通过X轴直线电机11和Y轴直线电机12实现运动部件10的运动，运动部件10在负载16上运动，进而导致负载16振动。
所述前馈式主动减振单元包括水平向X轴直线执行器14和水平向Y轴直线执行器13，所述水平向X轴直线执行器14被配置为与所述负载运动平台的X轴直线电机11位于同一水平面，且与所述负载16连接，水平向X轴直线执行器14用于对所述负载16施加与所述X轴直线电机11反向的主动力，以抵消所述运动部件10沿X轴运动所导致负载16的振动；所述水平向Y轴直线执行器13被配置为与所述负载运动平台的Y轴直线电机12位于同一水平面，且与所述负载16连接，水平向Y轴直线执行器13用于对所述负载16施加与所述Y轴直线电机12反向的主动力，以抵消所述运动部件10沿Y轴运动所导致负载16的振动。本实施例将前馈式主动减振单元的X轴直线执行器14和水平向Y轴直线执行器13分别置于负载运动平台的X轴直线电机11和Y轴直线电机12同一水平面，并且直线执行器对负载16施加与直线电机反向的主动力，同一水平面的摆放形式使得直线执行器施加在负载16上的主动力与直线电机推动负载运动平台运动的力位于同一水平面上相互抵消，进而使得负载运动平台的运动不会导致减振装置出现倾角、倾覆、转动等情况，保证了减振装置的减振效果以及稳定性。
进一步地，所述被动减振单元9安装在安装基础(图中未示出)的上方，所述Y直线执行器13以及X轴直线执行器14均包括定子和动子，所述定子和安装基础固定连接，所述动子和负载16固定连接，所述动子能够相对于所述定子直线运动，以使所述负载16能够相对于所述安装基础沿直线运动。具体地，在本实施例中，定子为U型结构，动子为T型结构，U型定子和安装基础固定连接，T型动子和负载16固定连接，T型动子能够相对于U型定子直线运动。
进一步地，所述被动减振单元9包括底座6，所述底座6上设置有中心柱5和气室外壁4，所述中心柱5上设置有T型块7，所述T型块7的上方连接有安装平台2，T型块7与安装平台2之间设置有隔膜3，所述隔膜3通过压簧1连接于所述气室外壁4的顶部，所述隔膜3和气室外壁4之间形成有气室15；所述中心柱5的顶部开设有凹槽，所述凹槽与所述T型块7相适配，凹槽的两端设置有阻尼橡胶8。本实施例的隔膜3夹持在安装平台2和T型块7之间，并通过8个压簧1将隔膜3的外边缘固定在气室外壁4的顶部，形成密闭的气室15。气室15充气时，气室15内的气体通过T型块7和安装平台2支撑负载16；其中，负载16安装于安装平台2的上方，安装基础设置于底座6的下方。为了避免供气意外中断，负载16快速降下，可能导致损坏，在气室15中增加中心柱5和放置其上的阻尼橡胶8，如果供气突然中断或者放气时，负载16通过T型块7支撑在阻尼橡胶8和中心柱5上面，缓冲负载16下降的速度。
进一步地，所述负载16的重心与被动减振单元9的隔膜3置于同一平面，此种摆放方式可以保证被动减振单元9只会有水平或垂直方向上的平动模式。
可选地，所述水平向Y轴直线执行器13与水平向X轴直线执行器14为直线电机、音圈电机，或者其它洛伦兹电机。
可选地，所述隔膜6为加强型隔膜，通过加强型隔膜密封气室15时，结构更加牢固。
本发明还公开了一种前馈式主动减振系统，包括多个被动减振单元9、多个前馈式主动减振单元以及控制器，多个所述被动减振单元9与多个所述前馈式主动减振单元并联，以实现对负载五自由度振动的主动控制。其中，负载16放置于多个被动减振单元9上，负载16的重心与被动减振单元9的隔膜3置于同一平面；多个前馈式主动减振单元的水平向X轴直线执行器14与负载运动平台的X轴直线电机11放置于同一水平面，多个水平向Y轴直线执行器13与负载运动平台的Y轴直线电机12放置于同一水平面，此种摆放方式可以保证负载运动平台的运动不会导致减振系统存在转动模式，继而保证负载不会出现倾角、倾覆等情况，保证了减振系统的减振效果以及稳定运行。
进一步地，所述控制器与所述前馈式主动减振单元的直线执行器以及所述负载运动平台的直线电机数据连接；多个所述直线执行器，与所述直线电机同时接收所述控制器的控制指令，负载运动平台的运动部件10运动的同时，前馈式主动减振单元的直线执行器同步对负载16施加反向的主动力，抵消运动部件10运动所导致的负载振动，以实现实时前馈式控制。此种实时前馈式的控制方式不再需要做各种检测，不但大大降低了算法的难度，而且无需设置位移传感器、加速度传感器等来测量负载振动的情况，大大降低了设备的成本，大大降低控制算法和系统的复杂性。
图3为本发明的被动减振单元第一种支撑形式的布局示意图。如图3所示，3个被动减振单元支撑负载。
图4为本发明的被动减振单元第二种支撑形式的布局示意图。如图4所示，4个被动减振单元对称布置支撑负载。
图5为本发明的被动减振单元第三种支撑形式的布局示意图。如图5所示，6个被动减振单元对称布置支撑负载。
8个及更多个被动减振单元支撑的布置方式同理。
图6为本发明的前馈式主动减振单元第一种布局形式的示意图。如图6所示，2个水平向X轴直线执行器相向对角线放置，并与负载运动平台的X轴直线电机放置于同一平面。2个水平向Y轴直线执行器相向对角线放置，并与运动平台的Y轴直线电机放置于同一水平面。
图7为本发明的前馈式主动减振单元第一种布局形式的示意图。如图7所示，4个水平向X轴直线执行器相向四角放置，并与负载运动平台的X轴直线电机放置于同一平面。4个水平向Y轴直线执行器相向四角放置，并与负载运动平台的Y轴直线电机放置于同一平面。
以上所述的几种被动减振单元的支撑形式(图3，4，5)和前馈式主动减振单元的布局形式(图6，7)可以组合使用。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种前馈式主动减振装置，其特征在于，包括：
负载；
被动减振单元，安装于所述负载的下方，包括通过隔膜密封的气室，所述气室内填充有气体以承载所述负载；
负载运动平台，包括运动部件以及与所述运动部件连接的直线电机，所述运动部件与所述负载连接，所述直线电机用于驱动所述运动部件直线运动导致负载振动；以及
前馈式主动减振单元，包括直线执行器，所述直线执行器被配置为与所述负载运动平台的直线电机位于同一水平面，且与所述负载连接，所述直线执行器用于对所述负载施加与所述直线电机反向的主动力，以抵消所述运动部件运动所导致负载的振动；
其中，所述隔膜与所述负载的重心置于同一平面。
2.根据权利要求1所述的前馈式主动减振装置，其特征在于，所述直线电机包括X轴直线电机和/或Y轴直线电机，所述X轴直线电机用于驱动所述运动部件沿X轴直线运动，所述Y轴直线电机用于驱动所述运动部件沿Y轴直线运动。
3.根据权利要求2所述的前馈式主动减振装置，其特征在于，所述直线执行器包括水平向X轴直线执行器和/或水平向Y轴直线执行器，所述水平向X轴直线执行器被配置为与所述负载运动平台的X轴直线电机位于同一水平面，且与所述负载连接，水平向X轴直线执行器用于对所述负载施加与所述X轴直线电机反向的主动力，以抵消所述运动部件沿X轴运动所导致负载的振动；所述水平向Y轴直线执行器被配置为与所述负载运动平台的Y轴直线电机位于同一水平面，且与所述负载连接，水平向Y轴直线执行器用于对所述负载施加与所述Y轴直线电机反向的主动力，以抵消所述运动部件沿Y轴运动所导致负载的振动。
4.根据权利要求3所述的前馈式主动减振装置，其特征在于，所述被动减振单元安装在安装基础的上方，所述Y直线执行器以及X轴直线执行器均包括定子和动子，所述定子和安装基础固定连接，所述动子和负载固定连接，所述动子能够相对于所述定子直线运动，以使所述负载能够相对于所述安装基础沿直线运动。
5.根据权利要求4所述的前馈式主动减振装置，其特征在于，所述被动减振单元还包括底座，所述底座上设置有中心柱和气室外壁，所述中心柱上设置有T型块，所述T型块的上方连接有安装平台，所述隔膜夹持于T型块与安装平台之间，隔膜通过压簧连接于所述气室外壁的顶部，隔膜和气室外壁之间形成有气室；所述负载安装于安装平台的上方，所述安装基础设置于底座的下方。
6.根据权利要求5所述的前馈式主动减振装置，其特征在于，所述中心柱的顶部开设有凹槽，所述凹槽与所述T型块相适配，凹槽的两端设置有阻尼橡胶。
7.根据权利要求1所述的前馈式主动减振装置，其特征在于，所述直线执行器为直线电机、音圈电机或洛伦兹电机。
8.一种前馈式主动减振系统，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的前馈式主动减振装置。
9.根据权利要求8所述的前馈式主动减振系统，其特征在于，还包括控制器，所述控制器与所述前馈式主动减振单元的直线执行器以及所述负载运动平台的直线电机数据连接；多个所述直线执行器，与所述直线电机同时接收所述控制器的控制指令，抵消所述运动部件运动所导致的负载振动，以实现实时前馈式控制。
10.根据权利要求9所述的前馈式主动减振系统，其特征在于，多个所述被动减振单元与多个所述前馈式主动减振单元并联，以实现对负载五自由度振动的主动控制。
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