CN116292740B - 一种准零刚度三自由度主动防微振平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种准零刚度三自由度主动防微振平台，包括底部气浮装置、波纹管、竖向压电驱动装置、支撑板和底座，所述底部气浮装置安装在底座顶部一侧，所述底部气浮装置顶部连接波纹管，所述波纹管顶部连接有主气浮装置，所述主气浮装置内部安装有活塞，所述底座顶部、底部气浮装置的左方和后方分别安装有竖向压电驱动装置，所述支撑块与顶板之间通过球铰B连接有横向压电驱动装置。本发明竖向和水平向主要通过气浮实现高频减振，通过压电驱动实现低频减振，隔振带宽，可以实现0.1Hz~200 Hz的振动控制，且定位精度高，承载力大，可满足1500kg精密仪器的承重要求，同时具备承载力和刚度的调整能力，可以适应于不同型号的精密仪器，适用范围广，通用性强。

Description

一种准零刚度三自由度主动防微振平台

技术领域

本发明涉及隔振装置技术领域，具体是一种准零刚度三自由度主动防微振平台。

背景技术

目前半导体行业飞速发展，半导体生产设备的精度要求越来越高，设备对微振动等环境的要求也越来越敏感，少许的微振动就会降低设备的产出良率，甚至使设备不能正常工作，因此对微振动的隔离变得越来越重要。

由外部环境振动及设备内部反作用力引起的微振动是制约超精密仪器测量精度与超精密加工装备制造精度的关键因素之一，高性能精密隔微振技术成为精密工程、超精密制造等领域的一项核心关键技术，对该技术的研究具有重要的实际意义与应用价值。超精密测量仪器和超精密加工制造装备产生干扰的振动频率主要在0. 8～100Hz内的低频振动。被动隔振器从原理上依靠降低其固有频率，滤掉来自外界的振动，隔振效果取决于其固有频率的大小。但是固有频率与隔振器刚度算术平方根成正比，即固有频率越小刚度越小。难以突破在不影响承载的同时实现低刚度的桎梏。主动控制的隔振系统对于解决超低频微幅隔振非常有效，同时选择合适的结构和控制策略可实现对负载带来的扰动进行抑制。但主动隔振器存在结构复杂，隔振带窄，适用范围小，通用性差等问题。

精密仪器所处的环境是复杂的，不仅仅是单一的低频振动或高频振动，往往是低频振动和高频振动同时存在，而传统的隔振装置很难满足这种复杂环境振动的隔振要求。对于复杂振动环境的隔振能力较弱，尤其很难满足大型精密仪器的载重要求，系统定位精度不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种准零刚度三自由度主动防微振平台，以解决上述背景技术中存在的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种准零刚度三自由度主动防微振平台，包括底部气浮装置、波纹管、竖向压电驱动装置、支撑板和底座，所述底部气浮装置安装在底座顶部一侧，所述底部气浮装置包括矩形腔壁，所述矩形腔壁内部为第一气室，所述矩形腔壁一侧开始有进气管A，所述矩形腔壁顶部开设有气孔A，所述底部气浮装置顶部连接波纹管，所述波纹管内部为第二气室，所述波纹管顶部连接有主气浮装置，所述主气浮装置包括底板和圆筒形腔壁，所述圆筒形腔壁安装在底板顶部边缘，所述底板一侧开设有进气管B，所述进气管B上开设有三个均距的气孔B，所述圆筒形腔壁内部开设有环形气腔，所述圆筒形腔壁左右两侧分别开设有与环形气腔联通的进气管C，所述圆筒形腔壁内侧上下部开设有与环形气腔连接的气孔C，所述圆筒形腔壁一侧下部开设有泄气孔，所述主气浮装置内部安装有活塞，所述活塞包括圆筒形滑动壁，所述圆筒形滑动壁内部中间靠上位置安装有横板，所述圆筒形滑动壁外侧前、后、左、右顶部位置分别安装有横向推杆，所述圆筒形滑动壁、横板、底板和圆筒形腔壁之间组成主气室，所述圆筒形腔壁与圆筒形滑动壁之间形成径向气膜，所述横向推杆连接有横向气浮装置，所述横向气浮装置包括横向放置的U型腔壁，所述U型腔壁的腔口处安装有活塞筒，所述活塞筒通过膜与U型腔壁连接，所述U型腔壁、膜、活塞筒之间组成横向气室，所述U型腔壁的腔底开设有进气管D，所述U型腔壁的顶部安装有顶板，所述横板的顶部中间垂直连接有穿过顶板的支撑杆，所述支撑杆顶部连接有支撑板，所述顶板与横板之间安装有负刚度装置，所述负刚度装置包括永磁体和电磁体，所述永磁体安装在顶板底部中间、支撑杆两侧，所述电磁体安装在横板顶部中间、支撑杆两侧，所述底座顶部、底部气浮装置的左方和后方分别安装有竖向压电驱动装置，所述竖向压电驱动装置包括堆叠式压电陶瓷和外壳，所述堆叠式压电陶瓷安装在外壳内部中间，所述叠式压电陶瓷底部安装有调整装置，所述外壳顶部垂直滑动连接有穿过外壳的竖向推杆，所述外壳顶部内侧与堆叠式压电陶瓷之间、竖向推杆外侧套装有预压弹簧，所述竖向推杆顶部通过球铰A与支撑板连接，所述外壳顶部靠近顶板一侧安装有支撑块，所述支撑块与顶板之间通过球铰B连接有横向压电驱动装置，所述外壳顶部还安装有位置传感器，所述支撑板底部还安装有速度传感器，所述底座顶部还安装有控制器，所述控制器通过电缆与位置传感器、速度传感器、电磁体、竖向压电驱动装置、横向压电驱动装置连接。

进一步地，所述活塞筒与横向推杆连接。

进一步地，所述进气管A上安装有气动阀A，所述进气管B上安装有气动阀B，所述进气管C上安装有气动阀C，所述进气管D上安装有气动阀D。

进一步地，所述外壳下部一侧开设有竖向的矩形开孔。

进一步地，所述调整装置包括菱形连杆，所述菱形连杆顶部和底部分别通过销钉安装有上支撑板和下支撑板，所述菱形连杆的左右连接处分别安装有螺栓和固定块，所述菱形连杆左右端均通过销钉连接，所述螺栓上连接有穿过外壳的矩形开孔的丝杆，所述丝杆顶端与固定块通过万向较连接。

进一步地，所述堆叠式压电陶瓷与调整装置之间还安装有垫板。

进一步地，所述支撑杆与支撑板之间还安装垫块A，球铰A与支撑板之间还安装有垫块B，所述球铰B与顶板之间安装有垫块C。

进一步地，所述横向气浮装置的U型腔壁与圆筒形腔壁之间连接有支撑架。

进一步地，所述横向压电驱动装置与竖向压电驱动装置结构相同。

本发明的有益效果为：

本发明在装置底部设置第一气室，通过气孔与第二气室串联，扩大了第二气室的体积降低了系统竖向固有频率，通过负刚度装置与主气室组合使得负载竖向呈悬浮状态；水平向通过横向气室与径向气膜并联降低了系统横向固有频率，且第一气室、主气室、横向气室、径向气膜均由单独的进气管控制进气量，进气量控制准确，不会出现气体紊乱现象。

本发明系统处于静平衡位置时，系统通过第一气室、第二气室串联结构支撑负载，主气室与负刚度装置组合使得负载竖向呈悬浮状态，且与其并联的横向气室和径向气膜在竖向上为负刚度不提供力，因此使得系统在静平衡下达到准零刚度。

本发明通过菱形连杆调整预压弹簧的预压力对堆叠式压电陶瓷进行加载预紧力，提高压电陶瓷驱动时定位精度。

本发明竖向和水平向主要通过气浮实现高频减振，通过压电驱动实现低频减振，隔振带宽，可以实现0.1Hz~200 Hz的振动控制，且定位精度高，承载力大，可满足1500kg精密仪器的承重要求，同时具备承载力和刚度的调整能力，可以适应于不同型号的精密仪器，适用范围广，通用性强。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中1-底部气浮装置，101-矩形腔壁，102-第一气室，103-进气管A，104-气动阀A，105-气孔A，2-波纹管，201-第二气室，3-主气浮装置，301-底板，302-圆筒形腔壁，303-进气管B，304-气孔B，305-环形气腔，306-进气管C， 307-气孔C，308-泄气孔，309-气动阀B，3010-气动阀C，4-活塞，401-圆筒形滑动壁，402-横板，403-横向推杆，5-主气室，6-径向气膜，7-支撑杆，8-顶板，9-负刚度装置，901-永磁体，902-电磁体，10-横向气浮装置，1001-U型腔壁，1002-活塞筒，1003-膜，1004-横向气室，1005-进气管D，1006-气动阀D，11-竖向压电驱动装置，1101-堆叠式压电陶瓷，1102-外壳，1103-调整装置，11031-菱形连杆，11032-上支撑板，11033-下支撑板，11034-螺栓，11035-丝杆，11036-固定块1104-竖向推杆，1105-预压弹簧，1106-垫板，1107-矩形开孔，12-球铰A，13-支撑块，14-横向压电驱动装置，15-球铰B，16-支撑板，17-底座，18-位置传感器，19-速度传感器，20-控制器，21-垫块A，22-垫块B，23-垫块C，24-支撑架。

实施方式

下面将结合实施例对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述地实施例仅仅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。

如图1所示，一种准零刚度三自由度主动防微振平台，包括底部气浮装置1、波纹管2、竖向压电驱动装置11、支撑板16和底座17，所述底部气浮装置1安装在底座17顶部一侧，所述底部气浮装置1包括矩形腔壁101，所述矩形腔壁101内部为第一气室102，所述矩形腔壁101一侧开始有进气管A103，所述矩形腔壁101顶部开设有气孔A105，所述底部气浮装置1顶部连接波纹管2，所述波纹管2内部为第二气室201，所述波纹管2顶部连接有主气浮装置3，所述主气浮装置3包括底板301和圆筒形腔壁302，所述圆筒形腔壁302安装在底板301顶部边缘，所述底板301一侧开设有进气管B303，所述进气管B303上开设有三个均距的气孔B304，所述圆筒形腔壁302内部开设有环形气腔305，所述圆筒形腔壁302左右两侧分别开设有与环形气腔302联通的进气管C306，所述圆筒形腔壁302内侧上下部开设有与环形气腔302连接的气孔C307，所述圆筒形腔壁302一侧下部开设有泄气孔308，所述主气浮装置3内部安装有活塞4，所述活塞4包括圆筒形滑动壁401，所述圆筒形滑动壁401内部中间靠上位置安装有横板402，所述圆筒形滑动壁401外侧前、后、左、右顶部位置分别安装有横向推杆403，所述圆筒形滑动壁401、横板402、底板301和圆筒形腔壁302之间组成主气室5，所述圆筒形腔壁302与圆筒形滑动壁401之间形成径向气膜6，所述横向推杆403连接有横向气浮装置10，所述横向气浮装置10包括横向放置的U型腔壁1001，所述U型腔壁1001的腔口处安装有活塞筒1002，所述活塞筒1002通过膜1003与U型腔壁1001连接，所述U型腔壁1001、膜1003、活塞筒1002之间组成横向气室1004，所述U型腔壁1001的腔底开设有进气管D1005，所述U型腔壁1001的顶部安装有顶板8，所述横板402的顶部中间垂直连接有穿过顶板8的支撑杆7，所述支撑杆7顶部连接有支撑板16，所述顶板8与横板402之间安装有负刚度装置9，所述负刚度装置9包括永磁体901和电磁体902，所述永磁体901安装在顶板8底部中间、支撑杆7两侧，所述电磁体902安装在横板402顶部中间、套支撑杆7两侧，所述底座17顶部、底部气浮装置1的左方和后方分别安装有竖向压电驱动装置11，所述竖向压电驱动装置11包括堆叠式压电陶瓷1101和外壳1102，所述堆叠式压电陶瓷1101安装在外壳1102内部中间，所述叠式压电陶瓷1101底部安装有调整装置1103，所述外壳1102顶部垂直滑动连接有穿过外壳1102的竖向推杆1104，所述外壳1102顶部内侧与堆叠式压电陶瓷1101之间、竖向推杆1104外侧套装有预压弹簧1105，所述竖向推杆1104顶部通过球铰A12与支撑板16连接，所述外壳1102顶部靠近顶板8一侧安装有支撑块13，所述支撑块13与顶板8之间通过球铰B15连接有横向压电驱动装置14，所述外壳1102顶部还安装有位置传感器18，所述支撑板16底部还安装有速度传感器19，所述底座17顶部还安装有控制器20，所述控制器20通过电缆与位置传感器18、速度传感器19、电磁体9、竖向压电驱动装置11、横向压电驱动装置14连接。

所述活塞筒1002与横向推杆403连接。

所述进气管A103上安装有气动阀A104，所述进气管B303上安装有气动阀B309，所述进气管C306上安装有气动阀C3010，所述进气管D1005上安装有气动阀D1006。

所述外壳1102下部一侧开设有竖向的矩形开孔1107。

所述调整装置1103包括菱形连杆11031，所述菱形连杆11031顶部和底部分别通过销钉安装有上支撑板11032和下支撑板11033，所述菱形连杆11031的左右连接处分别安装有螺栓11034和固定块11036，所述菱形连杆11031左右端均通过销钉连接，所述螺栓11034上连接有穿过外壳1102的矩形开孔1107的丝杆11035，所述丝杆11035顶端与固定块11036通过万向较连接。

所述堆叠式压电陶瓷1101与调整装置1103之间还安装有垫板1106。

所述支撑杆7与支撑板16之间还安装垫块A21，球铰A12与支撑板16之间还安装有垫块B22，所述球铰B15与顶板8之间安装有垫块C23。

所述横向气浮装置10的U型腔壁1001与圆筒形腔壁302之间连接有支撑架24。

所述横向压电驱动装置14与竖向压电驱动装置11结构相同。

安装时， 精密仪器放在支撑板16顶部，竖向上，通过气动阀A103调整第一气室102和第二气室201气体压力实现系统竖向承载力的调整，通过进气管B303向主气室5充气，通过控制器20控制电磁体902磁场强度从而调整与永磁体901之间的斥力，横向放置的U型腔壁1001、活塞筒1002与膜1003组合成横向摆杆结构，使得横向气浮装置10在竖向上刚度为零，系统在竖向上呈现悬浮状态，刚度接近为零；水平向上，通过调整气动阀D1006调整横向气室1004气体压力，实现系统横向刚度调整；安装竖向压电驱动装置11和横向压电驱动装置14时，通过调整装置1103与预压弹簧1105对叠式压电陶瓷1101加载预紧力，提高定位精度；另外，通过进气管C306进气使得圆筒形腔壁302与圆筒形滑动壁401之间形成径向气膜6减小活塞4滑动摩擦力。

工作时，精密仪器产生振动，通过位置传感器18和速度传感器19采集振动信号，并将振动信号传递给控制器20，竖向高频振源时，通过支撑杆7推动活塞4上下移动，此时第一气室102、第二气室201与主气室5串联，对支撑杆7反向作用力，同时并联负刚度装置9的永磁体901与电磁体902之间产生斥力变化，通过正负刚度并联作用共同实现竖向高频减振；竖向低频振源时，通过控制器20控制竖向压电驱动装置11的叠式压电陶瓷1101实现竖向低频减振；水平向高频振源时，横向推杆403推动活塞筒1002移动，通过横向气浮装置10的横向气室1004的气压对活塞筒1002反作用力实现高频减振，同时并联的径向气膜6对圆筒形滑动壁401也会产生反作用力，进一步实现高频减振；竖向低频振源时，通过控制器20控制横向压电驱动装置14驱动实现低频减振。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种准零刚度三自由度主动防微振平台，包括底部气浮装置、波纹管、竖向压电驱动装置、支撑板和底座，其特征在于，所述底部气浮装置安装在底座顶部一侧，所述底部气浮装置包括矩形腔壁，所述矩形腔壁内部为第一气室，所述矩形腔壁一侧开始有进气管A，所述矩形腔壁顶部开设有气孔A，所述底部气浮装置顶部连接波纹管，所述波纹管内部为第二气室，所述波纹管顶部连接有主气浮装置，所述主气浮装置包括底板和圆筒形腔壁，所述圆筒形腔壁安装在底板顶部边缘，所述底板一侧开设有进气管B，所述进气管B上开设有三个均距的气孔B，所述圆筒形腔壁内部开设有环形气腔，所述圆筒形腔壁左右两侧分别开设有与环形气腔联通的进气管C，所述圆筒形腔壁内侧上下部开设有与环形气腔连接的气孔C，所述圆筒形腔壁一侧下部开设有泄气孔，所述主气浮装置内部安装有活塞，所述活塞包括圆筒形滑动壁，所述圆筒形滑动壁内部中间靠上位置安装有横板，所述圆筒形滑动壁外侧前、后、左、右顶部位置分别安装有横向推杆，所述圆筒形滑动壁、横板、底板和圆筒形腔壁之间组成主气室，所述圆筒形腔壁与圆筒形滑动壁之间形成径向气膜，所述横向推杆连接有横向气浮装置，所述横向气浮装置包括横向放置的U型腔壁，所述U型腔壁的腔口处安装有活塞筒，所述活塞筒通过膜与U型腔壁连接，所述U型腔壁、膜、活塞筒之间组成横向气室，所述U型腔壁的腔底开设有进气管D，所述U型腔壁的顶部安装有顶板，所述横板的顶部中间垂直连接有穿过顶板的支撑杆，所述支撑杆顶部连接有支撑板，所述顶板与横板之间安装有负刚度装置，所述负刚度装置包括永磁体和电磁体，所述永磁体安装在顶板底部中间、支撑杆两侧，所述电磁体安装在横板顶部中间、支撑杆两侧，所述底座顶部、底部气浮装置的左方和后方分别安装有竖向压电驱动装置，所述竖向压电驱动装置包括堆叠式压电陶瓷和外壳，所述堆叠式压电陶瓷安装在外壳内部中间，所述叠式压电陶瓷底部安装有调整装置，所述外壳顶部垂直滑动连接有穿过外壳的竖向推杆，所述外壳顶部内侧与堆叠式压电陶瓷之间、竖向推杆外侧套装有预压弹簧，所述竖向推杆顶部通过球铰A与支撑板连接，所述外壳顶部靠近顶板一侧安装有支撑块，所述支撑块与顶板之间通过球铰B连接有横向压电驱动装置，所述外壳顶部还安装有位置传感器，所述支撑板底部还安装有速度传感器，所述底座顶部还安装有控制器，所述控制器通过电缆与位置传感器、速度传感器、电磁体、竖向压电驱动装置、横向压电驱动装置连接。

2.根据权利要求1所述的一种准零刚度三自由度主动防微振平台，其特征在于，所述活塞筒与横向推杆连接。

3.根据权利要求1所述的一种准零刚度三自由度主动防微振平台，其特征在于，所述进气管A上安装有气动阀A，所述进气管B上安装有气动阀B，所述进气管C上安装有气动阀C，所述进气管D上安装有气动阀D。

4.根据权利要求1所述的一种准零刚度三自由度主动防微振平台，其特征在于，所述外壳下部一侧开设有竖向的矩形开孔。

5.根据权利要求1所述的一种准零刚度三自由度主动防微振平台，其特征在于，所述调整装置包括菱形连杆，所述菱形连杆顶部和底部分别通过销钉安装有上支撑板和下支撑板，所述菱形连杆左右端均通过销钉连接，所述菱形连杆的左右连接处分别安装有螺栓和固定块，所述螺栓上连接有穿过外壳的矩形开孔的丝杆，所述丝杆顶端与固定块通过万向较连接。

6.根据权利要求1所述的一种准零刚度三自由度主动防微振平台，其特征在于，所述堆叠式压电陶瓷与调整装置之间还安装有垫板。

7.根据权利要求1所述的一种准零刚度三自由度主动防微振平台，其特征在于，所述支撑杆与支撑板之间还安装垫块A，球铰A与支撑板之间还安装有垫块B，所述球铰B与顶板之间安装有垫块C。

8.根据权利要求1所述的一种准零刚度三自由度主动防微振平台，其特征在于，所述横向气浮装置的U型腔壁与圆筒形腔壁之间连接有支撑架。

9.根据权利要求1所述的一种准零刚度三自由度主动防微振平台，其特征在于，所述横向压电驱动装置与竖向压电驱动装置结构相同。