专利名称：共面气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器的制作方法
技术领域：
本发明属于精密隔振技术领域，主要涉及一种共面气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器。
背景技术：
随着超精密加工与测量精度的不断提高，环境振动成为制约超精密加工装备与测量仪器精度和性能提高的重要因素。尤其是步进扫描光刻机为代表的超大规模集成电路加工装备，技术密集度与复杂度极高，关键技术指标均达到了现有技术的极限，代表了超精密加工装备的最高水平，超精密隔振成为此类装备中的核心关键技术；步进扫描光刻机的线宽已达到22nm及以下，硅片定位精度与套刻精度均达到几纳米，而工件台运动速度达到lm/s以上，工件台加速度达到重力加速度的几十倍，这对现有的隔振技术提出了新的挑战。首先，光刻机需要为计量系统与光刻物镜提供“超静”的工作环境，同时又需要驱动工件台以高速度与高加速度运动，这对隔振系统的隔振性能提出了极其苛刻的要求，其三个方向的固有频率均需要达到IHz以下；其次，光刻机各部件之间的相对位置，例如光刻物镜与硅片表面的距离，均具有非常严格的要求，且处于位置闭环反馈控制系统的控制之下，要求隔振器上、下安装板之间的相对位置精度达到10 μ m量级，传统隔振器的定位精度远远不能满足要求。根据隔振理论，被动式隔振器的固有频率与刚度成正比、与负载质量成反比，因此在负载质量一定的前提下，降低隔振器的刚度是降低固有频率、提高低频与超低频隔振性能的有效途径。传统空气弹簧等形式的隔振器存在静态承载能力与刚度的固有矛盾，同时受材料特性、结构刚度等因素制约，要进一步降低其刚度、尤其是水平向刚度十分困难。针对这一问题，研究人员将“摆”式结构引入到空气弹簧隔振器中，达到降低隔振器水平刚度的目的(1. Nikon Corporation. Vibration Isolator With Low Lateral Stiffness.美国专利公开号US20 040065517A1 ；2. U. S. Philips Corporation. Positioning Devicewith a Force Actuator Systemfor Compensating Center-of-gravity Displacements，and Lithographic Device Provided with Such APositioning Device.美国专利号US005844664A)。该方法能够在一定程度上降低空气弹簧隔振器的水平刚度，提升其低频隔振性能。该方法存在的问题在于1)受材料特性与结构刚度制约，隔振器垂向与水平向刚度降低的幅度有限；2)空气弹簧隔振器的垂向与水平向定位精度均很差，无法满足光刻工艺的要求；3)要达到较低的水平刚度需要较大的摆长，导致隔振器高度过大，容易发生弦膜共振，稳定性差。通过对现有空气弹簧隔振器技术方案的分析可见，现有空气弹簧隔振器难以满足光刻机对超低刚度与高定位精度的要求。德国IDE公司提出了一种摒弃传统橡胶空气弹簧的隔振器技术方案(1.1ntegrated Dynamics Engineering GmbH.1solatorgeometrieEinesSchwingungsisoIationssystem.欧洲专利号EP1803965A2 ;2·IntegratedDynamics EngineeringGmbH.Schwingungsisolationssystem Mit PneumatischemTiefpassfilter.欧洲专利号EP 1803970A2 ;3·Integrated Dynamics EngineeringGmbH. Air Bearing with Consideration of High-Frequency Resonances.美国专利公开号US20080193061A1)。该方案采用垂向与水平向气浮面对各方向的振动进行解耦与隔振，可以达到极低的刚度与固有频率。该方案存在的问题在于1)已公开技术方案中，隔振器无法实现精确定位；2)专利EP1803965A2中，上、下安装板之间不存在绕水平轴旋转的角运动自由度，该方向的角刚度与固有频率都很高；专利EP1803970A2与US20080193061A1采用橡胶块为上、下安装板提供绕水平轴旋转的角运动自由度，但由于橡胶块角刚度很大，无法有效地进行角运动自由度解耦，角运动自由度解耦机构部件之间存在摩擦力而引入附加刚度，制约隔振性能。荷兰ASML公司也提出了类似的隔振器技术方案(1. U. S. Philips Corp,ASM LithographyB. V. Pneumatic Support Device with A Controlled Gas Supply,and Lithographic Device Providedwith Such A Support Device.美国专利号US006144442A ;2·Koninklijke Philips ElectronicsN. V. , ASM LithographyB.V.Lithographic Pneumatic Support Device with Controlled Gas Supply.国际专利公开号W099/22272 ;3. ASML Netherlands B. V. Support Device,LithographicApparatus, and Device Manufacturing Method Employing A SupportingDevice, and A PositionControl System Arranged for Use in A Supporting Device.美国专利号USOO7O8^i95 6B2 ;4. ASML Netherlands B. V. Support Device, LithographicApparatus, and Device ManufacturingMethod Employing A Supporting Device and APosition Control System Arranged for Use in ASupporting Device.欧洲专利号EP1486825A1)。专利US006144442A与W099/22272中对气源压力进行闭环反馈控制，达到提高隔振器的稳定性与性能的目的；专利US007084956B2与EP1486825A1中在上安装板上设有振动传感器，同时引入参考振动系统，通过控制算法提升隔振器的隔振性能。但所提出技术方案仍然没有解决隔振器的精确定位与上、下安装板的角运动自由度解耦问题。
发明内容
本发明的目的是针对超精密测量仪器与加工装备、尤其是步进扫描光刻机等超大规模集成电路加工装备对隔振器低固有频率、高定位精度的迫切要求，提供一种共面气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器，隔振器在三维均具有近似零刚度与极低的固有频率，上、下安装板之间能够进行精确定位与三维直线运动自由度、角运动自由度解耦，从而有效解决超精密测量仪器与加工装备、尤其是步进扫描光刻机中的精密隔振问题。本发明的技术解决方案是一种共面气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器，由上安装板、下安装板、洁净压缩气源、气管和隔振器主体组成，隔振器主体安装在上安装板与下安装板之间，洁净压缩气源通过气管与隔振器主体连接，所述隔振器主体的结构中，套筒的下表面与下安装板通过轴向承载平面气浮面润滑与支撑，活塞筒倒扣安装在套筒内，并与套筒通过径向承载圆柱气浮面润滑与支撑，二维柔性铰链安装在活塞筒和上安装板之间，套筒与X向气浮导轨通过X向导轨气浮面润滑与导向，X向气浮导轨与下安装板通过Z向承载气浮面润滑与支撑，Y向气浮导轨与下安装板刚性连接，X向气浮导轨的两端与Y向气浮导轨通过Y向导轨气浮面润滑与导向；z向音圈电机、Z向位移传感器、Z向限位开关安装在活塞筒与套筒之间，X向音圈电机、X向位移传感器、X向限位开关与Y向音圈电机、Y向位移传感器、Y向限位开关安装在套筒与下安装板之间，Z向音圈电机的驱动力方向为竖直方向，X向音圈电机与Y向音圈电机的驱动力方向在水平面内且相互垂直，X、Y、Z向位移传感器和Χ、Υ、Ζ向限位开关的作用线方向与Χ、Υ、Ζ向音圈电机的驱动力方向一致；Χ、Υ、Ζ向位移传感器和X、Y、Z向限位开关分别与控制器的信号输入端连接，控制器的信号输出端与驱动器的信号输入端连接，驱动器的信号输出端分别与X、Y、Z向音圈电机连接；在下安装板上表面侧壁沿X向音圈电机驱动力方向安装X向永磁体构成X向电磁阻尼器，在下安装板上表面侧壁沿Y向音圈电机驱动力方向安装Y向永磁体构成Y向电磁阻尼器，在活塞筒外圆柱面侧壁沿Z向音圈电机驱动力方向安装Z向永磁体构成Z向电磁阻尼器，X、Y向永磁体的磁极方向垂直于下安装板的上表面，且N、s极交替布置,Z向永磁体的磁极方向垂直于活塞筒的外圆柱面，且N、S极交替布置，活塞筒与下安装板采用铁磁材料，套筒采用不导磁的良导体材料。所述活塞筒内设有气体压力传感器，活塞筒上设有进气口和电磁阀，气体压力传感器与控制器的信号输入端连接，控制器的信号输出端与驱动器的信号输入端连接，驱动器的信号输出端与电磁阀连接。所述X、Y、Z向音圈电机为圆筒型音圈电机或平板型音圈电机。所述X向气浮导轨和Y向气浮导轨为单导轨结构或双导轨结构。所述X、Y、Z向位移传感器为光栅尺、磁栅尺、容栅尺或直线式电位器。所述X、Y、Z向限位开关为机械式限位开关、霍尔式限位开关或光电式限位开关。所述活塞筒内气体 压力为O.1MPa O. 8MPa。所述轴向承载平面气浮面、径向承载圆柱气浮面、X向导轨气浮面、Y向导轨气浮面和Z向承载气浮面的气膜厚度为10 μ m 20 μ m。所述活塞筒上的圆柱气浮面节流孔和套筒6上的平面气浮面节流孔24的直径为Φ O.1mm Φ 1mm。本发明的技术创新性及产生的良好效果在于(I)本发明摒弃了传统基于弹性元件/机构的隔振器技术方案，采用轴向承载平面气浮面、径向承载圆柱气浮面分别对水平向与垂向振动进行解耦与隔振，气浮面无摩擦，刚度近似为零，可使隔振器获得近似的零刚度特性和突出的超低频隔振性能，解决了现有技术受结构刚度、材料特性限制，刚度难以进一步降低，刚度与稳定性不能兼顾的问题。这是本发明区别于现有技术的创新点之一。(2)本发明采用位移传感器、限位开关、控制器、驱动器与音圈电机等构成竖直方向与水平方向的位置闭环反馈控制系统，对上、下安装板之间的相对位置进行精确控制，定位精度可达到IOym级及以上，可有效解决现有技术方案定位精度低、定位精度与刚度、隔振性能不能兼顾的问题。这是本发明区别于现有技术的创新点之二。(3)本发明采用共面正交气浮导轨和二维柔性铰链对隔振器上、下安装板之间的直线运动自由度和角运动自由度进行解耦，气浮导轨与柔性铰链无摩擦、无磨损，引入附加刚度可以忽略，可有效解决现有采用弹性体解耦的技术方案存在摩擦与磨损、引入附加刚度等问题。这是本发明区别于现有技术的创新点之三。(4)本发明采用气体压力传感器、电磁阀与控制器、驱动器等构成压力闭环反馈控制系统，精确控制套筒内的气体压力使之保持恒定，对隔振器的轴向载荷进行重力平衡与补偿，在径向承载圆柱气浮面的作用下，承载负载重力的活塞筒可沿套筒以零刚度自由上下滑动，从而实现理想的重力平衡与零刚度隔振效果。这是本发明区别于现有技术的创新点之四。(5)本发明采用主动执行器对上、下安装板之间的相对位置进行主动控制，隔振器参数可根据被隔振对象特点与工作环境变化实时调节，从而适应不同的工况，具有较好的灵活性、适应性与稳定性。这是本发明区别于现有技术的创新点之五。(6)本发明提出一种基于磁极交替永磁阵列的电磁阻尼器结构，能够很好地与隔振器集成于一体，电磁阻尼器具有较理想的线性阻尼特性，可有效衰减振动能量，减小电机驱动定位的超调，提供隔振器的稳定性。这是本发明区别于现有技术的创新点之六。
图1为拆除上安装板后的共面气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器的结构示意图；图2为共面气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器的剖面结构示意图；图3为轴向承载平面气浮面、径向承载圆柱气浮面、X向导轨气浮面和Z向承载气浮面的不意图；图4为Y向导轨气浮面的示意图；图5为套筒结构示意图；图6为两个一维柔性铰链正交叠加构成一个二维柔性铰链的结构示意图；图7为圆柱形二维柔性铰链的结构示意图；图8为共面气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器的控制结构框图；图9为套筒上平面气浮面节流孔的示意图；图10为活塞筒上圆柱气浮面节流孔的示意图；图11为Z向电磁阻尼器的剖面结构示意图；图12为X、Y向电磁阻尼器的局部剖面结构示意图；图13为Z向永磁体在活塞筒外圆柱面侧壁一种安装方式的A-A向剖视图；图14为Z向永磁体在活塞筒外圆柱面侧壁另一种安装方式的A-A向剖视图；图15为X、Y向永磁体在下安装板上表面侧壁的一种安装方式示意图；图16为X、Y向永磁体在下安装板上表面侧壁的另一种安装方式示意图。图中件号说明1上安装板、2下安装板、3洁净压缩气源、4隔振器主体、5活塞筒、6套筒、7 二维柔性铰链、8X向音圈电机、8a X向电机铁轭、8b X向电机磁钢、8c X向电机线圈骨架、8d X向电机线圈、9Y向音圈电机、IOZ向音圈电机、IOa Z向电机铁轭、IOb Z向电机磁钢、IOc Z向电机线圈骨架、IOd Z向电机线圈、IOe Z向电机过渡件、IlX向位移传感器、Ila X向光栅读数头过渡件、lib X向光栅读数头、lie X向玻璃光栅尺、12Y向位移传感器、13Z向位移传感器、13a Z向光栅读数头过渡件、13b Z向光栅读数头、13c Z向玻璃光栅尺、14X向限位开关、14a X向限位块、14b X向霍尔开关、14c X向限位开关过渡件、14d X向限位块过渡件、15Y向限位开关、16Z向限位开关、16a Z向限位块、16b Z向霍尔开关、16c Z向限位开关过渡件、17气体压力传感器、18电磁阀、19控制器、20驱动器、21轴向承载平面气浮面、22径向承载圆柱气浮面、23进气口、24平面气浮面节流孔、25圆柱气浮面节流孔、26气管、29X向气浮导轨、30Y向气浮导轨、31X向导轨气浮面、32Y向导轨气浮面、33Z向承载气浮面、34圆柱形二维柔性铰链、40X向电磁阻尼器、40A X向永磁体、41Y向电磁阻尼器、41AY向永磁体、42Z向电磁阻尼器、42AZ向永磁体。
具体实施例方式下面结合附图给出本发明的具体实施例。一种共面气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器，由上安装板1、下安装板2、洁净压缩气源3、气管26和隔振器主体4组成，隔振器主体4安装在上安装板I与下安装板2之间，洁净压缩气源3通过气管26与隔振器主体4连接，所述隔振器主体4的结构中，套筒6的下表面与下安装板2通过轴向承载平面气浮面21润滑与支撑，活塞筒5倒扣安装在套筒6内，并与套筒6通过径向承载圆柱气浮面22润滑与支撑，二维柔性铰链7安装在活塞筒5和上安装板I之间，套筒6与X向气浮导轨29通过X向导轨气浮面31润滑与导向，X向气浮导轨29与下安装板2通过Z向承载气浮面33润滑与支撑，Y向气浮导轨30与下安装板2刚性连接，X向气浮导轨29的两端与Y向气浮导轨30通过Y向导轨气浮面32润滑与导向；Z向音圈电机10、Z向位移传感器13、Z向限位开关16安装在活塞筒5与套筒6之间，X向音圈电机8、X向位移传感器11、X向限位开关14与Y向音圈电机9、Y向位移传感器12、Y向限位开关15安装在套筒6与下安装板2之间；Z向音圈电机10的驱动力方向为竖直方向，X向音圈电机8与Y向音圈电机9的驱动力方向在水平面内且相互垂直，X、Y、Z向位移传感器11、12、13和Χ、Υ、Ζ向限位开关14、15、16的作用线方向与Χ、Υ、Ζ向音圈电机8、 9、10的驱动力方向一致；Χ、Υ、Ζ向位移传感器11、12、13和Χ、Υ、Ζ向限位开关14、15、16分别与控制器19的信号输入端连接,控制器19的信号输出端与驱动器20的信号输入端连接，驱动器20的信号输出端分别与X、Y、Z向音圈电机8、9、10连接；在下安装板2上表面侧壁沿X向音圈电机8驱动力方向安装X向永磁体40Α构成X向电磁阻尼器40，在下安装板2上表面侧壁沿Y向音圈电机9驱动力方向安装Y向永磁体41Α构成Y向电磁阻尼器41，在活塞筒5外圆柱面侧壁沿Z向音圈电机10驱动力方向安装Z向永磁体42Α构成Z向电磁阻尼器42, X、Y向永磁体40Α、41Α的磁极方向垂直于下安装板2的上表面，且N、S极交替布置，Z向永磁体42Α的磁极方向垂直于活塞筒5的外圆柱面,且N、S极交替布置，活塞筒5与下安装板2采用铁磁材料，套筒6采用不导磁的良导体材料。X、Y、Z向位移传感器11、12、13对X、Y、Z向音圈电机8、9、10输出的位移进行测量，Χ、Υ、Ζ向限位开关14、15、16对X、Y、Z向音圈电机8、9、10运动的行程进行限制；控制器19根据X、Y、Z向位移传感器11、12、13和Χ、Υ、Ζ向限位开关14、15、16的反馈信号，控制X、Y、Z向音圈电机8、9、10对上、下安装板1、2之间的相对位置进行精确控制。所述活塞筒5内设有气体压力传感器17，活塞筒5上设有进气口 23和电磁阀18，气体压力传感器17与控制器19的信号输入端连接,控制器19的信号输出端与驱动器20的信号输入端连接，驱动器20的信号输出端与电磁阀18连接。所述X、Y、Z向音圈电机8、9、10为圆筒型音圈电机或平板型音圈电机。所述X向气浮导轨29和Y向气浮导轨30为单导轨结构或双导轨结构。所述X、Y、Z向位移传感器11、12、13为光栅尺、磁栅尺、容栅尺或直线式电位器。所述Χ、Υ、Ζ向限位开关14、15、16为机械式限位开关、霍尔式限位开关或光电式限位开关。所述活塞筒5内气体压力为O.1MPa O. 8MPa0所述轴向承载平面气浮面21、径向承载圆柱气浮面22、X向导轨气浮面31、Y向导轨气浮面32和Z向承载气浮面33的气膜厚度为10 μ m 20 μ m。所述活塞筒5上的圆柱气浮面节流孔25和套筒6上的平面气浮面节流孔24的直径为 Φ O.1mm Φ Imnin下面结合图1 图5、图8给出本发明的一个实施例。本实施例中，隔振器工作时下安装板2与地基、仪器的基座或基础框架等刚性连接，上安装板I与负载或平台刚性连接。X、Y、Z向音圈电机8、9、10均采用圆筒型音圈电机。以X向音圈电机8为例，其主要由X向电机铁轭8a、X向电机磁钢8b、X向电机线圈骨架8c、X向电机线圈8d组成。X向电机铁轭8a和X向电机线圈骨架8c为圆筒形，X向电机磁钢8b为圆柱形，X向电机线圈8d绕于X向电机线圈骨架8c上。X向电机铁轭8a和X向电机磁钢8b构成电机定子，X向电机线圈骨架8c和X向电机线圈8d构成电机动子。Z向音圈电机10中，Z向电机过渡件IOe提供Z向电机线圈骨架IOc的安装结构。电机工作时线圈中通以电流，根据电磁理论，通电线圈在磁场中会受到洛伦兹力作用，通过控制电流的大小和方向可以控制电机输出驱动力的大小和方向。X、Y、Z向位移传感器11、12、13采用光栅尺。以Z向位移传感器13为例，其主要包括Z向光栅读数头过渡件13a、Z向光栅读数头13b和Z向玻璃光栅尺13c等部件。Z向光栅读数头过渡件13a提供Z向光栅读数头13b的安装结构。光栅尺工作时，Z向光栅读数头13b能够将其与Z向玻璃光栅尺13c的相对位移检测出来，并通过信号导线送给控制器19。X、Y、Z向限位开关14、15、16采用霍尔式限位开关。以Z向限位开关16为例，其主要包括Z向限位块16a、Z向霍尔开关16b和Z向限位开关过渡件16c等部件。两个Z向霍尔开关16b背靠背安装,两个Z向限位块16a为金属材料,与Z向霍尔开关16b的敏感端相对安装。Z向限位开关过渡件16c提供Z向霍尔开关16b的安装结构。限位开关工作时，当Z向霍尔开关16b接近Z向限位块16a时，Z向霍尔开关16b给出限位信号，并通过信号导线送给控制器19。本实施例中，Z向音圈电机10、Z向位移传感器13和Z向限位开关16均安装在活塞筒5和套筒6之间，且安装在活塞筒5内部。隔振器对负载的承载采用如下方式实现洁净压缩气源3通过气管26、经电磁阀
18、进气口 23向活塞筒5内输送洁 净压缩空气。控制器19根据气体压力传感器17的反馈信号，控制电磁阀18的开度，调节输入到活塞筒5内的气体流量，从而调节活塞筒5内洁净压缩空气的压力，使洁净压缩空气对活塞筒5向上的作用力与负载、活塞筒5及加载于活塞筒5上的其它零部件的重力相平衡，实现理想的重力补偿与零刚度隔振效果。本实施例中，活塞筒5内洁净压缩空气的压力为O. 4Mpa，活塞筒5下表面的有效半径为100_，则单个隔振器承载的质量为m = pX Jir2/g ^ 1282kg，其中p为气体压力，P = O. 4Mpa, r为活塞筒5下表面的有效半径，r = 100mm, g为重力加速度，g = 9. 8m/m2。图6给出二维柔性铰链的一个实施例。本实施例中，二维柔性铰链7为两个一维柔性铰链正交叠加构成。图7给出二维柔性铰链的另一个实施例。本实施例中，圆柱形二维柔性铰链35成圆柱形，加工成中间细、两端粗的形式。图9给出套筒上平面气浮面节流孔的一个实施例。本实施例中，套筒6下表面围绕圆心沿圆周方向均布8个平面气浮面节流孔24，直径为Φ0. 2mm。图10给出活塞筒上圆柱气浮面节流孔的一个实施例。本实施例中，活塞筒5侧壁上沿圆周方向均布两排圆柱气浮面节流孔25，每排圆柱气浮面节流孔25的数量为8个，直径为Φ0. 2_。下面结合图11、图13给出了 Z向电磁阻尼器的一个实施例。本实施例中，隔振器具有二个Z向电磁阻尼器42，由安装在活塞筒5外圆柱面侧壁的Z向永磁体42A阵列构成，活塞筒5采用45号钢材料，具有较高的导磁率，套筒6采用紫铜材料，不导磁且具有高电导率。Z向永磁体42A为条形，沿Z向音圈电机10的驱动力方向、即活塞筒5的轴线方向布置，磁极方向垂直于活塞筒5的外圆柱面，且N、S极交替布置。当套筒6与活塞筒5产生Z向相对运动时，套筒6切割磁力线而产生电涡流和阻尼力，Z向阻尼力与套筒6与活塞筒5的Z向相对运动速度成正比，方向与Z向音圈电机10的驱动力方向一致，达到消耗振动能量，提高定位稳定性的目的。
图11、图14给出了 Z电磁阻尼器的另一个实施例。本实施例中，隔振器具有四个Z向电磁阻尼器42,由安装在活塞筒5外圆柱面侧壁的Z向永磁体42A阵列构成。Z向永磁体42A为条形，沿Z向音圈电机10的驱动力方向、即活塞筒5的轴线方向布置，磁极方向垂直于活塞筒5的外圆柱面，且N、S极交替布置。下面结合图12、图15给出X、Y向电磁阻尼器的一个实施例。本实施例中，隔振器具有两个X向电磁阻尼器40，两个Y向电磁阻尼器41，分别由安装在下安装板2上表面侧壁的Χ、Υ向永磁体40Α、41Α阵列构成，下安装板2采用45号钢材料，具有较高的导磁率，套筒6采用紫铜材料，不导磁且具有高电导率。Χ、Υ向永磁体40Α、41Α为长条形状，分别沿X、Y向音圈电机8、9的驱动力方向布置,磁极方向垂直于下安装板2的上表面,且N、S极交替布置。当套筒6与下安装板2产生相对运动时，套筒6切割磁力线而产生电涡流和阻尼力，X、Y向阻尼力与套筒6与下安装板2在X、Y向的相对运动速度成正比，方向与X、Y向音圈电机8、9的驱动力方向一致，达到消耗振动能量，提高定位稳定性的目的。图12、图16给出了 X、Y向电磁阻尼器的另一个实施例。本实施例中，隔振器具有一个X向电磁阻尼器40，一个Y向电磁阻尼器41，分别由安装在下安装板2上表面侧壁的X、Y向永磁体40Α、41Α阵列构成。X、Y向永磁体40Α、41Α为长条形状，分别沿X、Y向音圈电机8、9的驱动力方向布置,磁极方向垂直于下安装板2的上表面,且N、S极交替布置。
权利要求
1.一种共面气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器，由上安装板(1)、下安装板(2)、洁净压缩气源(3)、气管(26)和隔振器主体(4)组成，隔振器主体(4)安装在上安装板(I)与下安装板(2)之间，洁净压缩气源(3)通过气管(26)与隔振器主体(4)连接，其特征在于所述隔振器主体(4)的结构中，套筒(6)的下表面与下安装板(2)通过轴向承载平面气浮面(21)润滑与支撑，活塞筒(5)倒扣安装在套筒￠)内，并与套筒(6)通过径向承载圆柱气浮面(22)润滑与支撑，二维柔性铰链(7)安装在活塞筒(5)和上安装板(I)之间，套筒(6)与X向气浮导轨(29)通过X向导轨气浮面(31)润滑与导向，X向气浮导轨(29)与下安装板(2)通过Z向承载气浮面(33)润滑与支撑，Y向气浮导轨(30)与下安装板(2)刚性连接，X向气浮导轨(29)的两端与Y向气浮导轨(30)通过Y向导轨气浮面(32)润滑与导向；Z向音圈电机(10)、Z向位移传感器(13)、Z向限位开关(16)安装在活塞筒(5)与套筒(6)之间，X向音圈电机⑶、X向位移传感器(11)、X向限位开关(14)与Y向音圈电机(9)、Y向位移传感器(12)、Υ向限位开关(15)安装在套筒(6)与下安装板(2)之间；Ζ向音圈电机(10)的驱动力方向为竖直方向,X向音圈电机⑶与Y向音圈电机(9)的驱动力方向在水平面内且相互垂直，Χ、Υ、Ζ向位移传感器(11、12、13)和Χ、Υ、Ζ向限位开关(14、15、16)的作用线方向与Χ、Υ、Ζ向音圈电机(8、9、10)的驱动力方向一致；Χ、Υ、Z向位移传感器(11、12、13)和X、Y、Z向限位开关(14、15、16)分别与控制器(19)的信号输入端连接，控制器(19)的信号输出端与驱动器(20)的信号输入端连接，驱动器(20)的信号输出端分别与Χ、Υ、Ζ向音圈电机(8、9、10)连接；在下安装板(2)上表面侧壁沿X向音圈电机(8)驱动力方向安装X向永磁体(40Α)构成X向电磁阻尼器(40)，在下安装板(2)上表面侧壁沿Y向音圈电机(9)驱动力方向安装Y向永磁体(41Α)构成Y向电磁阻尼器(41)，在活塞筒(5)外圆柱面侧壁沿Z向音圈电机(10)驱动力方向安装Z向永磁体(42Α)构成Z向电磁阻尼器(42), X、Y向永磁体(40Α、41Α)的磁极方向垂直于下安装板(2)的上表面，且N、S极交替布置，Z向永磁体(42Α)的磁极方向垂直于活塞筒(5)的外圆柱面,且N、S极交替布置，活塞筒(5)与下安装板(2)采用铁磁材料，套筒(6)采用不导磁的良导体材料。
2.根据权利要求1所述的共面气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器，其特征在于所述活塞筒(5)内设有气体压力传感器(17)，活塞筒(5)上设有进气口(23)和电磁阀(18)，气体压力传感器(17)与控制器(19)的信号输入端连接，控制器(19)的信号输出端与驱动器(20)的信号输入端连接,驱动器(20)的信号输出端与电磁阀(18)连接。
3.根据权利要求1所述的共面气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器，其特征在于所述X、Y、Z向音圈电机(8、9、10)为圆筒型音圈电机或平板型音圈电机。
4.根据权利要求1所述的共面气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器，其特征在于所述X向气浮导轨(29)和Y向气浮导轨(30)为单导轨结构或双导轨结构。
5.根据权利要求1所述的共面气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器，其特征在于所述Χ、γ、ζ向位移传感器(11、12、13)为光栅尺、磁栅尺、容栅尺或直线式电位器。
6.根据权利要求1所述的共面气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器，其特征在于所述X、Y、Z向限位开关(14、15、16)为机械式限位开关、霍尔式限位开关或光电式限位开关。
7.根据权利要求1所述的共面气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器，其特征在于所述活塞筒(5)内气体压力为O.1MPa O. 8MPa。
8.根据权利要求1所述的共面气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器，其特征在于所述轴向承载平面气浮面(21)、径向承载圆柱气浮面(22)、X向导轨气浮面(31)、Y向导轨气浮面(32)和Z向承载气浮面(33)的气膜厚度为IOym 20μπι。
9.根据权利要求1所述的共面气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器，其特征在于所述活塞筒(5)上的圆柱气浮面节流孔(25)和套筒(6)上的平面气浮面节流孔(24)的直径为Φ0.1mm Φ 1mm。
全文摘要
共面气浮正交解耦与二维柔性铰链角度解耦的电磁阻尼隔振器属于精密隔振技术领域，隔振器主体的套筒与气浮板、活塞筒与套筒通过气浮面进行润滑与支撑，通过电磁阻尼器衰减振动能量、提高定位稳定性，上安装板与下安装板之间的水平直线运动自由度通过共面正交气浮导轨进行解耦，二者之间的角运动自由度通过二维柔性铰链进行解耦，音圈电机、位移传感器、限位开关和控制器、驱动器构成位置闭环反馈控制系统，对上、下安装板的相对位置进行精确控制；本发明具有三维零刚度、高定位精度、直线运动自由度和角运动自由度解耦的特性，可有效解决超精密测量仪器与加工装备、尤其是步进扫描光刻机对高性能隔振器的需求。
文档编号F16F15/027GK103062287SQ20121057421
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月19日 优先权日2012年12月19日
发明者王雷, 崔俊宁, 谭久彬, 赵勃 申请人:哈尔滨工业大学