CN1333181C - 通用空气伺服动力消振器 - Google Patents

Abstract

通用空气伺服动力消振器，属于超精密加工及测量领域。为了解决现有动力消振器存在的刚度和阻尼参数调节困难，难以实现通用化的缺点，本发明提供了一种通用空气伺服动力消振器，包括上端开口下端密封的圆柱形外壳，通过环状橡胶薄膜密封连接在所述外壳上端口处的活塞，以及设在所述活塞和外壳形成的腔室中部的隔板，其特征在于：所述隔板通过环状橡胶薄膜连接在外壳内壁腔室中部，使消振器内部形成相互密封的上、下腔室，所述隔板在上、下腔室空气压力变化时上下活动，所述上、下腔室的外壳壁上分别开有小孔，所述小孔分别连接用以注入压力空气的气管。本发明简单可靠、成本低廉和环境适应性强。

Description

通用空气伺服动力消振器

技术领域

本发明涉及一种通用化空气伺服调节刚度的动力消振器，它通过空气压力的变化达到改变等效弹簧刚度的目的。本发明主要针对超精密试验台、超精密机床和光学平台的隔振要求开发，属于超精密加工及测量领域。

背景技术

动力消振器与隔振器都用于消除有害振动，但是方式不同，前者主要用于降低振动的共振幅值，后者是将隔振器固有频率设计得远低于需要隔振设备第一阶固有频率的0.707以下，使设备各阶固有频率的振动都得到抑制。

动力消振器是需要根据特定的负载和振动环境进行设计相关的刚度、阻尼和辅助质量参数的，所以目前很少有商业通用化的动力消振器。隔振器则不同，很多商业通用隔振器的固有频率不会因为负载的改变而改变，所以一个通用隔振器就能满足一类负载(主要是质量和形状上的限制)的隔振要求。动力消振器之所以不能像隔振器那样实现商业通用化，是因为为了保证主质量(负载M₁)的振幅最小，通过调节辅助质量M₂、刚度(K₁，K₂)和阻尼(C₁，C₂)，使负载M1的振幅为最小，如果更换主质量(负载M1)，就必须改变相关参数(辅助质量M2、刚度(K₁，K₂)和阻尼(C₁，C₂))，这些参数的改变或通过调节达到，或通过更换元器件达到。目前实际设计和使用中的动力消振器中的刚度元件通常为机械弹簧，阻尼元件为橡胶等，它们的刚度阻尼特性是由其本身材料和结构决定的，想要调节刚度(K₁，K₂)和阻尼(C₁，C₂)就需要更换相应的元件，基于此就很难实现动力消振器的商业通用化。

动力消振器如果实现通用化，其中质量(辅助质量M₂)很难做到可以调节，因此有必要研发含有能方便调节的刚度参数或阻尼参数的动力消振器，另一方面也必须实现低成本化。为此也出现了一些解决方案，叙述如下：

中国专利(申请号：88107926.X，申请日：89.4.14)采用电磁弹簧代替了机械弹簧，实现了刚度参数的方便调节，但是电磁弹簧刚度受限于导磁材料的磁饱和特性和消振器的机械结构，所以它适用于振幅较小，振动频率变化范围不大的场合。

中国专利(申请号：89102179.5，申请日：89.4.14)设计了一种消振器，包含了一个油缸通过活塞分为上下油缸，每个油缸内各包含一个空气室，工作时通过液压让活塞上下移动改变空气腔室的有效高度，即改变了油缸中空气室中空气压力，从而改变了空气腔室内等效弹簧刚度的目的，达到了动态调节动力消振器中弹簧刚度的目的。

上述的前一个专利在适用对象范围较小，不够理想。后一个专利结构复杂，采用了两个油缸和两个气缸的结构，其制造加工难度增加同时造成成本的增加，另外一方面油缸的使用势必会引起油料泄漏的问题，那怕是十分微小的泄漏都可能对使用环境造成一定污染，比如超精密净化间中泄漏的油料会降低净化间内的洁净度，从而影响超精密净化间内设备的使用性能。这也可以从另一面加以证明，在世界上很多半导体制造工厂中，对净化间内设备外壳上涂覆的油漆都有十分严格的规定，就是为了防止油漆的挥发造成净化间内颗粒杂质的增多影响半导体的最终加工精度。

发明内容

综上所述，现有动力消振器存在刚度和阻尼参数调节困难，难以实现通用化的缺点。本发明目的在于解决动力消振器的上述缺点，采用空气弹簧构建一种通用动力消振器，通过调节空气压力达到调节动力消振器中等效弹簧刚度的目的，使得消振器的刚度调节更为容易，从而实现产品设计的通用化目标，即一个动力消振器满足一类设备的消振要求。

本发明的技术方案如下：

通用空气伺服动力消振器，包括上端开口下端密封的圆柱形外壳，通过环状橡胶薄膜密封连接在所述外壳上端口处的活塞，以及设在所述活塞和外壳形成的腔室中部的隔板，其特征在于：所述隔板通过环状橡胶薄膜连接在外壳内壁腔室中部，使消振器内部形成相互密封的上、下腔室，所述隔板在上、下腔室空气压力变化时上下活动，所述上、下腔室的外壳壁上分别开有小孔，所述小孔分别连接用以注入压力空气的气管。

活塞和负载总质量M₁，隔板的质量M₂，上下腔室内空满压力空气后可以等效为两个弹簧K₁和K₂，根据经典动力消振器的理论知道，只要适当调整K₁和K₂的数值，就可以达到M₁振幅最小的目的。

本发明的消振器调节弹簧参数K₁和K₂，是通过直接调节上下腔室内空气压力实现的，因为其等效弹簧刚度定义为：

$K=\frac{{\mathrm{\γPA}}^2}{V};$ 常数γ＝Cp/Cv＝1.4(空气)；P＝压力；A＝腔室有效截面积；V＝容积

由上式可以看出其等效弹簧刚度在消振器内部腔室容积V和截面积A一定的情况下只与空气压力P有关系，所以直接调节空气压力就能达到调节等效弹簧刚度的目的。这样相对于普通消振器中机械弹簧，本发明中的刚度参数调节就显得非常简单直接、稳定可靠。

本发明与中国专利(申请号：89102179.5，申请日：89.4.14)结构上的不同之处在于，它通过控制活塞移动的方式，改变上下两个空气室的有效高度，达到改变压力和刚度的目的。本发明中的隔板(相当于它中间的活塞)是不受外界控制的，改变上下腔室内压力是通过空气软管接到外部调压阀调节腔室内部的压力，即腔室内等效弹簧刚度的目的。由于没有油缸，结构简单同时能够在净化间中使用。

本发明相比已有的技术具有如下的优点：

第一，本发明通过空气压力改变达到等效弹簧刚度的改变，比普通机械弹簧更容易调节。

第二，本发明使用空气弹簧作为其弹簧元件，简单可靠、成本低廉和环境适应性强，可以在净化间中使用。

第三，本发明所述动力消振器由于其调节方便和其简单低成本，达到了实现商业化通用的基本要求，经过不断的完善和发展，可以广泛适用于其他诸如超精密机床、光学平台等领域。

附图说明

图1为本发明所述空气伺服动力消振器的剖视示意图。

图2为本发明所述空气伺服动力消振器的理论模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来具体说明本发明。

如图1所示，本发明所述的动力消振器包括圆柱形的外壳2，其中间挖空、上端开口，下端使用底板1密封。外壳2上端开口处通过第一环状橡胶薄膜5与用来支撑负载的柱状活塞7连接，第一圆环状橡胶薄膜5外侧被上密封板6压死固定在外壳2的顶部台面上，环状橡胶薄膜5内侧通过紧固环12与活塞7压死固定，实现上部结构的密封。外壳2内部通过隔板4分割为上腔室10和下腔室11，上腔室中部外壳上开孔连接上气管8，下腔室中部外壳上开孔连接下气管9。上气管和下气管分别通过各自调压阀门与压缩机连接，实现供给不同压力空气的目的。隔板4可以是圆盘形的，其外侧通过紧固环12连接了第二环状橡胶薄膜3的内侧，第二环状橡胶薄膜3外侧通过压圈13固定在腔室中部台阶上，从而实现上腔室10和下腔室11的完全分割密封。在本发明的上述实施例中，所述隔板不是固定的而是活动的，且隔板上没有阻尼小孔，其上下腔室之间空气完全不流动，与现有结构不同。

图2显示了本发明所述的动力消振器的理论模型，其中，活塞和负载简化为质量M₁，隔板简化为中间质量M₂，上腔室等效为弹簧K₁，下腔室等效为弹簧K₂。当负载振动F或地面传来振动x₀时，会引起上/下腔室内空气压力发生变化，从而引起隔板M₂发生振动(振幅x₁)，同时保证活塞上的负载M₁振动幅值x₁为最小甚至为零，达到通过辅助质量将有害振动能量消耗掉而保全主质量不振动的目的。

系统的运动方程：

$M\stackrel{..}{x}\left(t\right)+\mathrm{Kx}\left(t\right)=f\left(t\right);$

其中质量矩阵 $M=\left[\begin{array}{cc}{m}_1& \\ & m_2\end{array}\right],$ 刚度矩阵 $K=\left[\begin{array}{cc}{k}_1& -k_1\\ -k_1& (k_2+k_1)\end{array}\right],$

响应向量x(t)＝{x₁(t)，x₂(t)}^T和激励力向量f(t)＝{f₁(t)，f₂(t)}^T。

系统的频率响应函数矩阵：

$\left[H\left(W\right)\right]=\frac{\left[\begin{array}{cc}{k}_1+k_2-{\mathrm{\ω}}^2{m}_2& k_1\\ k_1& k_1-{\mathrm{\ω}}^2{m}_1\end{array}\right]}{(k_1+k_2-{\mathrm{\ω}}^2{m}_2)(k_1-{\mathrm{\ω}}^2{m}_1)-k_1^2}=\left[\begin{array}{cc}{H}_{11}\left(\mathrm{\ω}\right)& H_{12}\left(\mathrm{\ω}\right)\\ H_{21}\left(\mathrm{\ω}\right)& H_{22}\left(\mathrm{\ω}\right)\end{array}\right]$

其中ω为振动频率，为H_ij(ω)频率响应函数的各个分量。

如果振动来自于负载的振动，那么M₁上的响应与激励力的传递函数为

$H_{11}\left(W\right)=\frac{k_1+k_2-{\mathrm{\ω}}^2{m}_2}{(k_1+k_2-{\mathrm{\ω}}^2{m}_2)(k_1-{\mathrm{\ω}}^2{m}_1)-k_1^2}$

当频率满足k₁+k₂＝ω²m₂时为系统处于反共振状态，此时的频率称为反共振频率，系统中M₁振幅为零，M₂振幅最大。就是说针对一定的振动ω，只需将等效弹簧刚度数值k₁、k₂调节到满足k₁+k₂＝ω²m₂，就可以保证负载响应为零。从上式还可以看出该传递函数与负载本身质量M₁无关，由于隔板质量M₂是一定的，上式也说明该动力消振器工作时针对一定的扰动频率，系统参数(K₁/K₂)与负载质量无关，具有通用性。

如果振动来自于地面传递的振动，那么M₁上的响应与激励力的传递函数为：

$H_{12}\left(W\right)=\frac{k_1}{(k_1+k_2-{\mathrm{\ω}}^2{m}_2)(k_1-{\mathrm{\ω}}^2{m}_1)-k_1^2}$ 其中ω为振动频率

当ω＝ω₀，系统处于共振状态，ω₀为共振频率；

当ω≠ω₀时，为使负载的相应最小即H₁₂(W)的值最小。针对一定的有害振动频率ω，只要适当选择k₁、k₂，就可以是上式的值最小。

因为其等效弹簧刚度定义为：

$K=\frac{{\mathrm{\γPA}}^2}{V};$ 常数γ＝Cp/Cv＝1.4(空气)：P＝压力；A＝腔室有效截面积；V＝容积所以只要适当调节压力P值就可以合适的K值，达到消振的目的。

Claims (1)

1.通用空气伺服动力消振器，包括上端开口下端密封的圆柱形外壳，通过第一环状橡胶薄膜密封连接在所述外壳上端口处的活塞，以及设在所述活塞和外壳形成的腔室中部的隔板，其特征在于：所述隔板通过第二环状橡胶薄膜连接在外壳内壁腔室中部，使消振器内部形成相互密封的上、下腔室，所述隔板在上、下腔室空气压力变化时上下活动，所述上、下腔室的外壳壁上分别开有小孔，所述小孔分别连接用以注入压力空气的气管。