一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器制造技术

本发明专利技术公开了一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器，其包括：基础平台(10)和负载平台(30)；被动隔振单元，沿其第一方向设有正刚度的空气弹簧(20)和负刚度可调的磁负刚度机构(28)，从而降低第一方向的固有频率，第二方向设有刚度可调的正刚度片弹簧和负刚度的倒立摆，从而降低第二方向的固有频率；以及主动隔振单元，其布置在所述被动隔振单元的外侧，上端与所述负载平台(30)链接，下端与所述基础平台(10)链接，所述主动隔振单元包括位移传感器、速度传感器、比例压力阀和音圈电机，所述音圈电机用于对负载平台进行微调，实现振动的进一步隔离。本发明专利技术的隔振器具有较大承载能力，同时实现两个自由度的主被动隔振。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于超精密减振领域，具体涉及一种采用正负刚度并联的两自由度主被动复合隔振器。
技术介绍
随着作为IC制造产业发展标志的特征线宽不断向更新的工艺节点推进，超精密电子制造和测量装备的精度也越来越接近极限，对关键运动机构的结构和其稳定性的要求越来越高，对环境的平稳性要求也越来越严格，在传统的制造领域不需要关注的微弱扰动和测量的非线性误差以及动态特性对整个系统精度的影响日益凸显，因此对振动隔离与抑制技术提出了更迫切的需求。从结构上来说，气浮轴承减振，磁浮减振，负刚度技术等一些手段可以提高这类精密减振的超低频减振能力。为了拥有超低频的减振能力，我们通常从两个方面来解决这种问题：1.降低结构本身的动态刚度，使其本身的固有频率就很低，同时保证结构本身的静态刚度，以保证其负载支撑能力，实现中高频的高衰减特性；2.采用主动控制策略，将由于被动结构特性无法衰减的频段，辅以主动控制方法，进一步降低系统的频率和共振峰幅值，实现超精密的低频隔振。气浮轴承减振技术使得减振器具有极低的固有频率，但是这方面对气浮元件的加工精度和设备的安装精度要求十分严格，使得成本大大提升，其制约了气浮轴承在超精密减振中的广泛应用；磁浮减振是一种还处于研究阶段的技术，由于磁浮控制技术难，承载力小，适用范围有限，故未能大规模应用；负刚度技术可以实现与正刚度相反的作用效果，但是由于稳定性方面考虑，其不能单独使用，需要与正刚度机构复合使用，既能使整个结构的固有频率降低，又可以保证稳定性的要求。专利文献CN102619916A公开了一种基于正负刚度弹簧并联的超低频隔振器，可以根据被隔振质量调整隔振器的刚度，采用滚珠减小摩擦，还可作为配件使用适用于承受振动激励的环境，尤其是低频振动激励的环境。但其无法实现大负载的静态承载能力，同时其设计为单自由度方向，对于承载力需求较大、自由度要求较多的场合仍存在一定的不足。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种采用正负刚度并联的两自由度主被动复合隔振器，该复合隔振器由具有正刚度的空气弹簧、片弹簧和具有负刚度的倒立摆结构、磁负刚度机构组成，正刚度和负刚度机构由并联方式连接组成的超精密隔振机构可以获得高静态刚度-低动态刚度的特性，使系统固有频率降低同时不改变系统的大承载能力，再配合主动执行器以主动控制，可以实现超低频的主动隔振和高频的高衰减率，既可以保证拥有较大的承载力，同时对超低频振动进行了有效的隔离。为实现上述目的，本专利技术提供了一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器，该隔振器包括基础平台和负载平台，其中，所述基础平台下端与外部平台连接，所述负载平台上端与需要隔振的设备连接，所述负载平台通过支撑杆与所述基础平台连接，其特征在于：该隔振器还包括被动隔振单元，其上端与所述负载平台连接，下端与所述基础平台连接，该被动隔振单元沿第一方向设有正刚度的空气弹簧和负刚度可调的磁负刚度机构，其形成第一方向的正负刚度并联机构，从而降低所述第一方向的固有频率，所述动隔振单元在第二方向设有刚度可调的正刚度片弹簧和负刚度的倒立摆，形成第二方向的正负刚度并联机构，从而降低所述第二方向的固有频率；以及主动隔振单元，其布置在所述被动隔振单元的外侧，上端与所述负载平台链接，下端与所述基础平台链接，该主动隔振单元包括位移传感器、速度传感器、比例压力阀和音圈电机，其中，所述移传感器、速度传感器用于监测所述负载平台的位移和速度，所述比例压力阀用于根据所述位移和速度控制所述空气弹簧的刚度，所述音圈电机用于根据所述位移和速度对负载平台进行微调，实现振动的进一步隔离。进一步地，所述第一方向为所述基础平台和负载平台的中心轴线方向，所述第二方向为与所述中心轴线垂直的方向。进一步地，所述被动隔振机构还包括第一片弹簧和第二片弹簧，所述第一片弹簧和第二片弹簧分别通过第一柔性铰链和第二柔性铰链与所述空气弹簧连接，所述第一片弹簧和第二片弹簧在第二方向成90°组成并联机构，从而降低所述第二方向的固有频率。进一步地，所述第一片弹簧和第二片弹簧还包括第一金属弹片、第二金属弹片、刚度调节机构及弹片固定装置，其中，所述第一金属弹片与第二金属弹片安装在弹片固定装置上，刚度调节机构用于通过上下滑动来改变所述第一金属弹片和第二金属弹片的有效工作弯曲长度，从而改变第一金属弹片、第二金属弹片的有效工作刚度，进而改变第一片弹簧和第二片弹簧的刚度。进一步地，所述位移传感器包括两个，分别是第一位移传感器和第二位移传感器；所述速度传感器为两个，分别是第一速度传感器和第二速度传感器；所述音圈电机为两个，分别是第一音圈电机和第二音圈电机；所述第一位移传感器用于监测所述负载平台第一方向的位姿，所述第二位移传感器用于监测所述负载平台第二方向的位姿，所述比例压力阀用于根据所述负载平台第一方向的位姿控制所述空气弹簧的刚度以适应不同的负载，所述第一速度传感器用于监测所述负载平台第一方向的振动信号，所述第二速度传感器用于监测所述负载平台第二方向的振动信号，第一音圈电机根据所述负载平台第一方向的振动信号调整其施力大小，第二音圈电机根据所述负载平台第二方向的振动信号调整其施力大小，从而实现第一方向和第二方向振动的进一步隔离。进一步地，所述空气弹簧由金属腔体、密封膜、底板和气室组成，其中，底板固定在所述基础平台上，所述底板与金属腔体通过密封膜连接，以形成气腔。进一步地，所述空气弹簧上端的圆心部位通过紧固螺钉分别与第一柔性铰链和第二柔性铰链的一端相连，所述第一柔性铰链和第二柔性铰链的另外一端分别通过螺钉与所述第一片弹簧和第二片弹簧相连，所述第一柔性铰链和第二柔性铰链可以衰减剪切和扭转刚度，保证轴向刚度，从而保证片弹簧第二方向的刚度。进一步地，所述磁负刚度单元包括三块磁铁，其中，上部磁铁固定在所述负载平台上，下部磁铁固定在所述基础平台上，中间磁铁与上部磁铁、下部磁铁呈吸引力布置。进一步地，所述中间磁铁上施加有柔性铰链，用于约束其他五个方向自由度的运动，使其仅能在竖直方向做平移运动。进一步地，所述倒立摆为倒立式的空气弹簧。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术的技术方案中，同时实现两个自由度的主被动隔振，其中垂直和水平方向均采用正负刚度并联式主被动结构，通过一个去耦合的柔性铰链将竖直方向的元件与水平方向的元件连接。(2)利用空气弹簧的低刚度特性和大承载特性，采用一定的结构实现竖直方向正刚度特性；(3)利用磁铁反向布置的排斥作用，实现特殊形式的磁负刚度特性，通过调整外部磁铁间距可以实现磁负刚度的刚度大小调整，采用柔性铰链导向机构约束其自由度；(4)利用片弹簧的正刚度特性，采用一定的布置方式和片弹簧机构上的调整装置，实现水平向正刚度的调整；(5)利用倒立摆和欧拉压杆原理实现水平向负刚度特性，根据端部不同的连接方式，实现不同的负刚度特性，本专利技术中采用的是一端固定铰接另一端自由的铰接方式；(6)采用正负刚度并联的形式，实现高静态刚度-低动态刚度的特性，从而实现系统较低的固有频率和高负载的特性。(7)采用主被动复合隔振控制的策略，在被动隔振结构保证高频衰减不受影响的情况下可以较好的实现超低频的隔振，同时建立了主动控制的信号采集和输出装置，配以相应的控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器，该隔振器包括基础平台(10)和负载平台(30)，其中，所述基础平台下端与外部平台连接，所述负载平台上端与需要隔振的设备连接，所述负载平台(30)通过支撑杆与所述基础平台(10)连接，其特征在于：该隔振器还包括被动隔振单元，其上端与所述负载平台(30)连接，下端与所述基础平台(10)连接，该被动隔振单元沿第一方向设有正刚度的空气弹簧(20)和负刚度可调的磁负刚度机构(28)，其形成第一方向的正负刚度并联机构，从而降低所述第一方向的固有频率，所述动隔振单元在第二方向设有刚度可调的正刚度片弹簧和负刚度的倒立摆，形成第二方向的正负刚度并联机构，从而降低所述第二方向的固有频率；以及主动隔振单元，其布置在所述被动隔振单元的外侧，上端与所述负载平台(30)链接，下端与所述基础平台(10)链接，该主动隔振单元包括位移传感器、速度传感器、比例压力阀和音圈电机，其中，所述移传感器、速度传感器用于监测所述负载平台(30)的位移和速度，所述比例压力阀用于根据所述位移和速度控制所述空气弹簧(20)的刚度，所述音圈电机用于根据所述位移和速度对负载平台进行微调，实现振动的进一步隔离。...

【技术特征摘要】
1.一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器，该隔振器包括基础平台(10)和负载平台(30)，其中，所述基础平台下端与外部平台连接，所述负载平台上端与需要隔振的设备连接，所述负载平台(30)通过支撑杆与所述基础平台(10)连接，其特征在于：该隔振器还包括被动隔振单元，其上端与所述负载平台(30)连接，下端与所述基础平台(10)连接，该被动隔振单元沿第一方向设有正刚度的空气弹簧(20)和负刚度可调的磁负刚度机构(28)，其形成第一方向的正负刚度并联机构，从而降低所述第一方向的固有频率，所述动隔振单元在第二方向设有刚度可调的正刚度片弹簧和负刚度的倒立摆，形成第二方向的正负刚度并联机构，从而降低所述第二方向的固有频率；以及主动隔振单元，其布置在所述被动隔振单元的外侧，上端与所述负载平台(30)链接，下端与所述基础平台(10)链接，该主动隔振单元包括位移传感器、速度传感器、比例压力阀和音圈电机，其中，所述移传感器、速度传感器用于监测所述负载平台(30)的位移和速度，所述比例压力阀用于根据所述位移和速度控制所述空气弹簧(20)的刚度，所述音圈电机用于根据所述位移和速度对负载平台进行微调，实现振动的进一步隔离。2.根据权利要求1所述的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器，其特征在于：所述第一方向为所述基础平台(10)和负载平台(30)的中心轴线方向，所述第二方向为与所述中心轴线垂直的方向。3.根据权利要求1或2所述的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器，其特征在于：所述被动隔振机构还包括第一片弹簧(21a)和第二片弹簧(21b)，所述第一片弹簧(21a)和第二片弹簧(21b)分别通过第一柔性铰链(23a)和第二柔性铰链(23b)与所述空气弹簧(20)连接，所述第一片弹簧(21a)和第二片弹簧(21b)在第二方向成90°组成并联机构，从而降低所述第二方向的固有频率。4.根据权利要求3所述的一种采用正负刚度并联的主被动复合隔振器，其特征在于：所述第一片弹簧(21a)和第二片弹簧(21b)还包括第一金属弹片(2111)、第二金属弹片(2113)、刚度调节机构(2112)及弹片固定装置(2114)，其中，所述第一金属弹片(2111)与第二金属弹片(2113)安装在弹片固定装置(2114)上，刚度调节机构(2112)用于通过上下滑动来改变所述第一金属弹片(2111)和第二金属弹片(2113)的有效工作弯曲长度，从而改变第一金属弹片(2111)、第二金属弹片(2113)的有效工作刚度，进而改变第一片弹簧(21a)和第二片弹簧(21b)的刚度。5.根据权利要求1或2所...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈学东，王敏，李小清，李明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42