RU2404381C1 - Active support - Google Patents
Active support Download PDFInfo
- Publication number
- RU2404381C1 RU2404381C1 RU2009136160/11A RU2009136160A RU2404381C1 RU 2404381 C1 RU2404381 C1 RU 2404381C1 RU 2009136160/11 A RU2009136160/11 A RU 2009136160/11A RU 2009136160 A RU2009136160 A RU 2009136160A RU 2404381 C1 RU2404381 C1 RU 2404381C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- housing
- solenoid
- core
- support according
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Vibration Prevention Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения, а конкретно к активной опоре, которая может быть использована в автоматизированных системах для активного сверхточного позиционирования устройств различного назначения, в том числе установок ионной, электронной, рентгеновской и фотолитографии, координатно-измерительных машин, систем адаптивной оптики, зондовых микроскопов, а также оборудования для механообработки и тому подобное.The invention relates to the field of mechanical engineering, and in particular to an active support, which can be used in automated systems for active ultraprecise positioning of devices for various purposes, including ion, electronic, X-ray and photolithography installations, coordinate measuring machines, adaptive optics systems, probe microscopes as well as machining equipment and the like.
Известно управляемое опорное устройство, содержащее корпус, внутри которого установлен соленоид с расположенным внутри полости соленоида упругим элементом из магнитореологического упругого материала. В верхней части корпуса установлен шток, взаимодействующий с упругим элементом (CN 101251164 A, МПК F16F 9/30 (2006/01), 2008).A controllable support device is known comprising a housing, inside of which a solenoid is installed with an elastic element made of magnetorheological elastic material located inside the solenoid cavity. In the upper part of the body there is a rod interacting with an elastic element (CN 101251164 A, IPC F16F 9/30 (2006/01), 2008).
За счет подачи на соленоид напряжения различной силы тока изменяется жесткость упругого элемента, что позволяет при подключении известного устройства к системе управления обеспечить управляемое гашение колебаний. Однако известное устройство не обладает достаточной нагрузочной способностью из-за малой площади попеченного сечения упругого элемента, что обуславливает недостаточные по величине усилия воздействия для стабилизации положения объекта.Due to the supply of a voltage of different current strength to the solenoid, the stiffness of the elastic element changes, which allows connecting the known device to the control system to provide controlled damping. However, the known device does not have sufficient load capacity due to the small area of the baked section of the elastic element, which leads to insufficient magnitude of the impact force to stabilize the position of the object.
Технический результат, обеспечиваемый настоящим изобретением, заключается в решении управляемой опорой, построенной с использованием упругого элемента из магнитореологического материала и обладающей достаточной нагрузочной способностью и высоким быстродействием, задачи активного позиционирования с точностью 0,1-50 нм в автоматическом режиме в противофазе внешним возмущающим колебаниям с минимальным временем переходных процессов с обеспечением активного демпфирования, регулировки и стабилизации ускорения объекта, а также возможности перемещения объекта в заданном направлении с увеличенным диапазоном значений, которые могут достигать 10 и более миллиметров.The technical result provided by the present invention consists in solving a controlled support constructed using an elastic element of magnetorheological material and having sufficient load capacity and high speed, the problem of active positioning with an accuracy of 0.1-50 nm in automatic mode in antiphase to external disturbing vibrations with minimum transient times with active damping, adjustment and stabilization of the acceleration of the object, as well as possible ti moving object in a predetermined direction with a larger range of values that may reach 10 or more millimeters.
Достижение технического результата обеспечивает активная опора, содержащая полый корпус и основание, соленоид, расположенный в полости корпуса, сердечник, расположенный в полости соленоида с сопряжением с основанием, а также мембрану из упругого магнитореологического материала, закрепленную по периметру на корпусе с расположением внутренней поверхности с зазором относительно сердечника. Корпус, основание и сердечник изготавливаются из магнитного материала.The achievement of the technical result is ensured by an active support comprising a hollow body and a base, a solenoid located in the body cavity, a core located in the solenoid cavity with an interface with the base, and a membrane of elastic magnetorheological material fixed along the perimeter on the body with an internal surface with a gap relative to the core. The body, base and core are made of magnetic material.
В наилучшем варианте осуществления изобретения мембрана выполняется с жесткой частью, расположенной смежно зазору между мембраной и сердечником.In the best embodiment of the invention, the membrane is made with a rigid part located adjacent to the gap between the membrane and the core.
Предпочтительно, когда жесткая часть мембраны выполнена в виде опорной детали, расположенной на наружной поверхности мембраны, которую предпочтительно изготавливать из немагнитного материала. При этом жесткая часть мембраны может быть снабжена усиливающей деталью, расположенной на внутренней поверхности мембраны и связанной жестко с опорной деталью.Preferably, when the rigid part of the membrane is made in the form of a support part located on the outer surface of the membrane, which is preferably made of non-magnetic material. In this case, the rigid part of the membrane can be equipped with a reinforcing part located on the inner surface of the membrane and rigidly connected with the supporting part.
В наилучшем варианте выполнения активная опора выполняется с узлом угловой стабилизации жесткой части мембраны. Конструктивно этот вариант выполнения может быть реализован при выполнении жесткой части мембраны с усиливающей деталью, располагающейся на внутренней поверхности мембраны и связанной жестко с опорной деталью. При этом соленоид располагается в полости корпуса на расстоянии относительно внутренней боковой поверхности корпуса, а узел угловой стабилизации жесткой части мембраны выполняется в виде направляющего цилиндра, закрепленного на усиливающей детали, расположенного между соленоидом и внутренней боковой поверхностью корпуса, а также связанного с корпусом, по меньшей мере, одним кольцевым направляющим элементом, расположенным между наружной поверхностью направляющего цилиндра и внутренней поверхностью корпуса. Кольцевой направляющий элемент может быть выполнен в виде кольца из упругого материала прямоугольного поперечного сечения.In the best embodiment, the active support is performed with an angular stabilization unit of the rigid part of the membrane. Structurally, this embodiment can be implemented by performing the rigid part of the membrane with a reinforcing part located on the inner surface of the membrane and rigidly connected with the supporting part. In this case, the solenoid is located in the cavity of the housing at a distance relative to the inner side surface of the housing, and the node of angular stabilization of the rigid part of the membrane is made in the form of a guide cylinder mounted on a reinforcing part located between the solenoid and the inner side surface of the housing, as well as associated with the housing, at least at least one annular guide element located between the outer surface of the guide cylinder and the inner surface of the housing. The annular guide element may be made in the form of a ring of elastic material of rectangular cross-section.
Для увеличения величины перемещения усиливающая деталь жесткой части мембраны может быть выполнена с постоянной осевой намагниченностью.To increase the magnitude of the displacement, the reinforcing part of the rigid part of the membrane can be made with constant axial magnetization.
Возможность осуществления изобретения иллюстрируется примерами конкретного выполнения активной опоры.The possibility of carrying out the invention is illustrated by examples of specific performance of the active support.
На фиг.1 показана активная опора (продольный разрез), которая содержит полый цилиндрический корпус 1 и основание 2, соленоид 3, расположенный в полости 4 корпуса 1, сердечник 5, расположенный в полости соленоида 3 с сопряжением с основанием 2, а также мембрану 6 из упругого магнитореологического материала, закрепленную по периметру на корпусе 1 с расположением внутренней поверхности 7 с зазором 8 относительно сердечника 5. Мембрана 6 выполнена с расположенной смежно зазору 8 жесткой частью в виде опорной детали 9, расположенной на наружной поверхности 10 мембраны 6. Корпус 1, основание 2 и сердечник 5 изготовлены из магнитного материала и образуют с мембраной 6 замкнутый магнитопровод.Figure 1 shows the active support (longitudinal section), which contains a hollow
При подаче управляющего тока на соленоид 3 возникает замкнутое магнитное поле. В мембране 6 формируется радиальное магнитное поле с индукцией, величина которой имеет максимум вблизи сердечника 5. Под действием этой магнитной индукции мембрана 6 перемещается в осевом направлении в пределах зазора 8. За счет регулирования величины электрического тока происходит эффективное гашение колебаний от внешних возмущающих воздействий.When a control current is applied to the
Как правило, активная опора работает при помощи замкнутой системы управления (схемой не иллюстрируется), состоящей из датчика перемещения, управляющего компьютера и блока питания. Сигнал от датчика перемещения поступает в компьютер и обрабатывается по программе, определяющей параметры электрического тока, который подается на соленоид. При этом перемещение опорной детали 9 можно регулировать по определенному закону, обеспечивая эффективное гашение колебаний.As a rule, an active support works by means of a closed-loop control system (not illustrated in the diagram), consisting of a displacement sensor, a control computer, and a power supply. The signal from the displacement sensor enters the computer and is processed according to a program that determines the parameters of the electric current that is supplied to the solenoid. In this case, the movement of the
При подаче управляющего электрического тока на соленоид 3 мембрана 6 деформируется, принимая в центре сферическую форму, выдвигая по оси опорную деталь 9. При снятии сигнала мембрана 6 начинает восстанавливать свою плоскую форму.When applying a control electric current to the
Относительная деформация мембраны 6 может быть описана уравнением:The relative deformation of the membrane 6 can be described by the equation:
ε=ε0·e-t/θ,ε = ε 0 · e -t / θ ,
гдеWhere
ε0 - начальная относительная деформация;ε 0 is the initial relative deformation;
t - время;t is the time;
θ=η/E - временной параметр при восстановлении формы;θ = η / E is the time parameter during shape restoration;
E - модуль упругости материала;E is the modulus of elasticity of the material;
η - вязкость материала.η is the viscosity of the material.
Уравнение показывает, что при стремлении времени t к бесконечности деформация 8 стремится к 0, то есть форма мембраны 6 полностью восстанавливается. При времени t, намного меньшем θ, отношение t/τ стремится к 0, и тогда относительная деформация 8 стремится к начальной деформации ε0, то есть форма не успевает восстановиться, и начальная деформация сохраняется примерно на одном уровне в течение всего процесса.The equation shows that as time t tends to infinity,
Из уравнения видно, что быстродействие активной опоры определяется временем переходных процессов в мембране из магнитореологического материала. Время восстановления формы определяется отношением η/E. Эти параметры, а также значения времени могут регулироваться за счет изменения уровня индукции магнитного поля путем изменения силы тока в катушке.It can be seen from the equation that the speed of the active support is determined by the time of transients in the membrane of magnetorheological material. The recovery time of the form is determined by the ratio η / E. These parameters, as well as time values can be adjusted by changing the level of magnetic field induction by changing the current strength in the coil.
На фиг.2 представлены полученные экспериментально графики изменения жесткости упругих магнитореологических материалов при действии управляющего тока разной величины. При изменении тока также происходит изменение модуля упругости магнитореологического материала. На фиг.3 представлен график переходного процесса при перемещении опорной детали 9, иллюстрирующий время стабилизации мембраны 6 в новом положении после подачи управляющего импульса, где Δt - время переходного процесса. Таким образом, виброизолирующие системы на основе упругих элементов из магнитореологического материала могут в полной мере осуществлять адаптивное управление вязко-упругими свойствами для реализации активного демпфирования.Figure 2 presents the experimentally obtained graphs of changes in the stiffness of the elastic magnetorheological materials under the action of a control current of different sizes. When the current changes, the elastic modulus of the magnetorheological material also changes. Figure 3 presents a graph of the transition process when moving the
На фиг.4 показан продольный разрез варианта конструктивной реализации активной опоры, предусматривающего выполнение мембраны 11 с жесткой частью, включающей в дополнение к изготовленной из немагнитного материала опорной детали 12 увеличенной опорной площади усиливающую деталь 13, расположенную на внутренней поверхности 14 мембраны 11 и связанную жестко с опорной деталью 12 винтом 15, проходящим через мембрану 11.Figure 4 shows a longitudinal section of an embodiment of an active support, comprising the implementation of the
Этот вариант предусматривает наличие узла угловой стабилизации жесткой части мембраны 11, исключающий угловые отклонения опорной детали 12. Указанный узел угловой стабилизации жесткой части мембраны 11 включает направляющий цилиндр 16, расположенный между соленоидом 17 и внутренней боковой поверхностью 18 корпуса 19. Именно с целью расположения направляющего цилиндра 16 соленоид 17 располагается в полости 20 корпуса 19 на расстоянии относительно внутренней боковой поверхности 18 корпуса 19.This option provides for the presence of an angular stabilization unit for the rigid part of the
Направляющий цилиндр 16 связан с корпусом 19 двумя кольцевыми направляющими элементами 21 в виде колец из упругого материала прямоугольного поперечного сечения, расположенными в пазах 22 между наружной поверхностью 23 направляющего цилиндра 16 и внутренней поверхностью 18 корпуса 19.The
Активная опора в этом варианте выполнения изобретения работает аналогично описанной выше, но перемещение опорной детали 12 осуществляется без угловых отклонений, поскольку кольцевые направляющие элементы 21 в пределах упругих деформаций задают линейную траекторию движения мембраны 11 с опорной деталью 12.The active support in this embodiment of the invention works similarly to the one described above, but the support part 12 is moved without angular deviations, since the
Кроме того, в этом варианте осуществления изобретения с целью увеличения величины перемещения опорной детали 12 фактически в два раза усиливающая деталь 13 может быть выполнена с постоянной осевой намагниченностью, как это проиллюстрировано на фиг.5, где изображен увеличено обозначенный на фиг.4 фрагмент А усиливающей детали 13. При таком выполнении усиливающей детали 13 происходит взаимодействие магнитных полей соленоида 17 и постоянно намагниченной усиливающей детали 13. При изменении полярности управляющего тока мембрана 11 линейно перемещается в обратном направлении.In addition, in this embodiment of the invention, in order to increase the displacement of the support part 12, the actually reinforcing
Выполненная в соответствии с настоящим изобретением активная опора изготавливается по известным технологиям, которые выбираются с учетом конкретных материалов, используемых для изготовления деталей, их конфигурации. Конкретные магнитомягкие и полимерные материалы матрицы, с использованием которых получают упругие магнитореологические материалы, также хорошо известны специалистам, как и технологии их получения.The active support made in accordance with the present invention is manufactured using known technologies, which are selected taking into account the specific materials used for the manufacture of parts, their configuration. The specific soft magnetic and polymer matrix materials with which elastic magnetorheological materials are obtained are also well known to those skilled in the art, as are the technologies for their preparation.
Выполненная в соответствии с настоящим изобретением активная опора может быть использована в различном сверхпрецизионном технологическом и исследовательском оборудовании, к которому предъявляются очень жесткие требования к системам перемещения и виброизоляции. К такому оборудованию можно отнести сканирующие зондовые микроскопы с погрешностью позиционирования зонда относительно образца на атомарном уровне (менее 0,1 нм), оборудование для микролитографии, в частности для рентгенолитографии, в которой точность совмещения подложки с рентгеношаблоном составляет около 20 нм, установки для юстировки оптоволоконных устройств, где требуется обеспечить юстировочное перемещение оптоволокна относительно источника излучения, например линзового лазера, по трем координатам с точностью порядка 20 нм. К оборудованию, в котором используются системы микро-, наноперемещений и виброизоляции, можно отнести сверхбольшие адаптивные телескопы. Кроме высокой точности юстировки и виброизоляции перечисленные объекты требуют от управляемых опор высокой нагрузочной способности до 1000 H и быстродействия на уровне 20-200 мс, что способна обеспечить выполненная в соответствии с изобретением управляемая опора.The active support made in accordance with the present invention can be used in various ultra-precision technological and research equipment, which has very stringent requirements for moving and vibration isolation systems. Such equipment includes scanning probe microscopes with an error in the positioning of the probe relative to the sample at the atomic level (less than 0.1 nm), equipment for microlithography, in particular for X-ray lithography, in which the accuracy of combining the substrate with the X-ray template is about 20 nm, and installations for aligning optical fiber devices where it is required to provide alignment movement of the optical fiber relative to the radiation source, for example a lens laser, in three coordinates with an accuracy of about 20 nm. Ultra-large adaptive telescopes can be attributed to equipment that uses systems of micro-, nano-movements and vibration isolation. In addition to the high accuracy of alignment and vibration isolation, the listed objects require controlled supports with high load capacity of up to 1000 N and a speed of 20-200 ms, which can be achieved by the controlled support made in accordance with the invention.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009136160/11A RU2404381C1 (en) | 2009-09-30 | 2009-09-30 | Active support |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009136160/11A RU2404381C1 (en) | 2009-09-30 | 2009-09-30 | Active support |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2404381C1 true RU2404381C1 (en) | 2010-11-20 |
Family
ID=44058490
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009136160/11A RU2404381C1 (en) | 2009-09-30 | 2009-09-30 | Active support |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2404381C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013155171A1 (en) * | 2012-04-10 | 2013-10-17 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Electrically variable suspension |
| CN104879431A (en) * | 2015-03-31 | 2015-09-02 | 大连理工大学 | Combined intelligent isolation bearing of magnetorheological elastomer |
| RU2611691C1 (en) * | 2015-11-18 | 2017-02-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Active antivibration platform based on magnetorheological elastomers |
| RU172016U1 (en) * | 2016-10-12 | 2017-06-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Multi-axis active anti-vibration platform |
-
2009
- 2009-09-30 RU RU2009136160/11A patent/RU2404381C1/en active IP Right Revival
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013155171A1 (en) * | 2012-04-10 | 2013-10-17 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Electrically variable suspension |
| US9765837B2 (en) | 2012-04-10 | 2017-09-19 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Electrically variable suspension |
| CN104879431A (en) * | 2015-03-31 | 2015-09-02 | 大连理工大学 | Combined intelligent isolation bearing of magnetorheological elastomer |
| RU2611691C1 (en) * | 2015-11-18 | 2017-02-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Active antivibration platform based on magnetorheological elastomers |
| RU172016U1 (en) * | 2016-10-12 | 2017-06-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | Multi-axis active anti-vibration platform |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101900955B1 (en) | Vertical actuator drive having gravity compensation | |
| US8902031B2 (en) | Guide having passive gravity compensation and a vertically movably mounted platform | |
| RU2404381C1 (en) | Active support | |
| CN105041961A (en) | Six-degree-of-freedom quasi-zero-rigidity vibration isolation system based on Stewart platform | |
| JP2017505889A (en) | One degree of freedom magnetic vibration isolator | |
| WO2013017558A1 (en) | Damping arrangement | |
| Sun et al. | Modeling electromagnetic force and axial-stiffness for an electromagnetic negative-stiffness spring toward vibration isolation | |
| RU172016U1 (en) | Multi-axis active anti-vibration platform | |
| CN103226295A (en) | Lithography machine silicon wafer bench micro-motion workbench | |
| CN104074916B (en) | Magnetic control isolation mounting | |
| JP2016161526A (en) | Contact type probe | |
| KR101788898B1 (en) | Position measuring apparatus and pattern forming apparatus | |
| JP6293136B2 (en) | Magnetic device and lithographic apparatus | |
| KR101064732B1 (en) | Multi axis controllable hybrid active mount | |
| JP2019204673A (en) | Stage device, charged particle beam device, and vacuum device | |
| RU2404380C1 (en) | Controlled support | |
| JP4421130B2 (en) | Vibration isolation method and apparatus | |
| Zhang et al. | A 5-DOF controlled maglev local actuator and its application to electrical discharge machining | |
| Mikhailov et al. | Active vibration isolation of high-vacuum nanotechnology equipment | |
| WO2018114210A1 (en) | Plunger coil actuator | |
| JP7378765B2 (en) | Machine tool vibration damping device | |
| JP4223714B2 (en) | Stage equipment | |
| Fukada et al. | Nanometric positioning over a one-millimeter stroke using a flexure guide and electromagnetic linear motor | |
| US20060158707A1 (en) | Mount for an optical element, method for fitting an optical element on a mount and method for manipulating an optical device | |
| RU2611691C1 (en) | Active antivibration platform based on magnetorheological elastomers |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20140701 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20141001 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20160627 |