一种两自由度超低频隔振器的制作方法

本发明属于超精密减振领域，具体涉及一种两自由度超低频隔振器。

背景技术：

微振动隔离技术广泛应用于半导体加工与测量仪器等对振动敏感的精密设备，以抑制来自地基及外部激励的扰动。随着超精密装备精度的不断提高，对隔振系统的性能指标要求愈来愈严格。在大承载精密加工领域中，将正负刚度机构并联可实现隔振系统大承载力的同时具有极低的系统固有频率，从而提高此类隔振器的超低频减振能力。

传统的减振系统一般采用圆柱螺旋弹簧、橡胶机构或空气弹簧等正刚度机构，但无法实现超低频振动的抑制。负刚度机构由于在其平衡位置不稳定而具有与正刚度机构相反的刚度特性，包括机械式负刚度和磁负刚度。由于负刚度机构具有不稳定性，无法单独使用，须与正刚度机构并联，能够使得隔振系统具有高静刚度低动刚度的特性，而有效隔离超低频振动。

空气弹簧具有低刚度和大承载力的特点，广泛应用于大承载精密隔振系统中，由于其刚度与腔室体积成反比，当设计固有频率较低时，空气弹簧腔室体积会过大而导致位置控制不稳定，致使其无法正常工作，因此空气弹簧不能满足超低频隔振的要求。传统的隔振装置中使用的正负刚度机构只能提供一个方向上的刚度特性，实现单自由度的隔振效果，要实现多自由度隔振时，则每个自由度上都要设置相应的正负刚度并联装置，会增加装置的复杂性。

清华大学申请的专利公开号为CN102506110B的一种基于负刚度原理的永磁低频单自由度隔振机构将磁正刚度系统与橡胶片组成的负刚度系统并联，构成单自由度低频隔振机构，其不需要外界气源，具有在真空中使用的前景；结构简单，成本低廉，易于加工。本发明与其相比，利用了磁负刚度的原理构成并联刚度，可提供两自由度上的低频隔振。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种两自由度超低频隔振器，其目的在于沿基础平台和负载平台的中心轴线方向及其垂直方向均采用正负刚度并联式被动结构，通过一个去耦合的柔性铰链将两个方向的元件连接，同时实现两个自由度隔振。

为了实现上述目的，本发明提供了一种两自由度超低频隔振器，其包括基础平台和负载平台，所述基础平台与外部平台连接，所述负载平台与需要隔振的设备连接，基础平台与负载平台通过支撑杆连接，其特征在于：

该隔振器还包括正刚度的空气弹簧和负刚度可调的磁负刚度机构，其设置在所述基础平台和负载平台的中心轴线上，上端与所述负载平台连接，下端与所述基础平台连接，其中，所述空气弹簧用于调节不同的刚度以适应不同的负载，所述磁负刚度机构与所述空气弹簧形成并联机构，从而降所述轴线方向的固有频率；以及

由刚度可调的正刚度片弹簧和负刚度的倒立摆形成的正负刚度并联机构，其布置于所述空气弹簧和磁负刚度机构的外侧，上端与所述负载平台连接，下端与所述基础平台连接，从而降低与所述中心轴线垂直的方向的固有频率，实现两自由度隔振。

进一步地，所述片弹簧为两个，分别为第一片弹簧和第二片弹簧，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形成正负刚度并联机构，从而降低与所述中心轴线垂直的方向的固有频率。

进一步地，所述第一片弹簧和第二片弹簧在水平方向成90°组成并联机构。

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，通过密封膜将底板与空气弹簧的外金属腔体连接，以形成气腔。

进一步地，所述空气弹簧还包括气阀，用于控制充入气体的气压大小和所述气腔的体积大小，从而调节空气弹簧的刚度以适应不用的负载。

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、下部磁铁呈吸引力布置。

进一步地，所述中间磁铁上施加柔性铰链，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，所述片弹簧还包括第一金属弹、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，进而改变片弹簧和的刚度。

进一步地，所述倒立摆为倒立式的空气弹簧。

总体而言，通过本发明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)本发明的一种两自由度超低频隔振器，沿基础平台和负载平台的中心轴线方向及其垂直方向均采用正负刚度并联式被动结构，通过一个去耦合的柔性铰链将两个方向的元件连接，同时实现两个自由度隔振。

(2)本发明的一种两自由度超低频隔振器，正刚度的空气弹簧与磁负刚度机构形成并联机构，从而降低竖直方向的固有频率。

(3)本发明的一种两自由度超低频隔振器，片弹簧通过柔性铰链与所述空气弹簧连接，形成水平方向的正负刚度并联机构，从而降低水平方向的固有频率。

(4)本发明的技术方案中，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。

附图说明

图1为本发明实施例的一种两自由度超低频隔振器的结构示意图；

图2为本发明实施例的一种两自由度超低频隔振器的结构爆炸示意图；

图3为本发明实施例的一种两自由度超低频隔振器中涉及的空气弹簧原理图；

图4为本发明实施例的一种两自由度超低频隔振器中涉及的磁负刚度机构原理图；

图5为本发明实施例的一种两自由度超低频隔振器中涉及的片弹簧机构图及正交安装原理图；

图6为本发明实施例的一种两自由度超低频隔振器中涉及的倒立摆简化原理图；

图7为本发明实施例的一种两自由度超低频隔振器中涉及的水平负刚度原理图；

图8为本发明实施例的一种两自由度超低频隔振器被动隔振传递率仿真图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明实施例的一种两自由度超低频隔振器的结构示意图，图2为本发明实施例的一种两自由度超低频隔振器的结构爆炸示意图。如图1、2所示，两自由度超低频隔振器的结构组成为：基础平台10通过螺栓向下与外部平台相连，负载支撑平台30向上与需要隔振的设备连接；三个支撑杆上端通过螺栓与负载平台相连，下端与底座固连；倒立的空气弹簧20位于中间位置，上部与支撑平台连接，下部与底座连接；两组片弹簧211、212成90°夹角布置，上端与通过柔性铰链231、232与空气弹簧20连接，中部通过压铁与支撑杆连接，下部与底座连接；柔性铰链231、232在轴向具有较大刚度，可视为刚体，在与轴向垂直的方向具有较小的弯曲刚度，以满足工作要求；磁负刚度机构24伸出梁与负载平台30连接，其外部框架与支撑杆，基础平台10固连；双向螺栓221、222、223用于连接负载平台，正向连接时将负载平台固定，便于运输，反向连接时，可以满足平台微动工作要求。

图3为本发明实施例的一种两自由度超低频隔振器中涉及的空气弹簧原理图。如图3所示，空气弹簧由金属腔体201、密封膜202、底板203和气室204组成。空气弹簧倒立放置，腔室为圆形，采用中通而下端开口的结构，使用时金属腔体201顶部与负载平台30通过柔性块连接，下部与密封膜202连接，底板203连接密封膜202并固定在基础平台10上。底板203上开有通气孔，与供气系统连接，供气系统产生的高压气体通过气孔进入腔室，支撑外部载荷，同时提供竖直方向正刚度。

假设金属腔体内的气体动态过程为理想气体的绝热过程，根据平衡方程式和受力关系可以推出气腔204的刚度表达式为：

$K_{po}^V=\frac{{\mathrm{\κA}}^2(P_{atm}+\frac{mg}{A})}{V_0}---\left(1\right)$

其中P_atm为大气压力，为绝热系数，其值约为1.402，为气室有效截面积，为静平衡状态下负载的质量，为静平衡气室初始体积，为重力加速度。从公式中可以看出，单腔空气弹簧的刚度与负载质量、气室截面积和气室体积相关。则实际使用中可通过气阀控制充入气体的气压大小和空气弹簧气腔204的体积大小，来调节不同的刚度以适应不同的负载及使用情况。

图4为本发明实施例的一种两自由度超低频隔振器中涉及的磁负刚度机构原理图。如图4所示，磁负刚度机构28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、下部磁铁呈吸引力布置。当中间磁铁位于中心位置时，上下磁铁对其作用力相等，其处于平衡状态，但当其向上或向下偏离中心位置时，上下磁铁对其的作用力会迫使其离开平衡位置，而当其在水平方向偏离平衡位置时，上下磁铁对其的作用力会迫使其回到平衡位置，所以其在竖直方向上能提供负刚度，水平方向上提供正刚度，根据磁力计算，与基于磁斥力的负刚度机构相比，基于磁引力的负刚度机构能提供较大的负刚度值。为了充分利用这种磁负刚度特性，需要中间磁铁仅仅能在z方向做平移运动，而在其他方向的运动被约束，通过施加柔性铰链的方式约束中间磁铁的其他五个自由度的运动，使其仅能在z方向做平移运动。

根据磁荷模型建立磁力模型，推出其磁负刚度表达式为：

其中：

U_ij＝(-1)^ja′-(-1)ⁱa (4)

V_kl＝(-1)^lb′-(-1)^kb (5)

W_pq＝z+(-1)^qc′-(-1)^pc (6)

$r=\sqrt{{U_{ij}}^2+{V_{kl}}^2+{W_{pq}}^2}---\left(7\right)$

其中，a、b、c为上、下部磁铁的长宽高，a′、b′、c′为中间磁铁的长宽高，J和J′是磁铁的磁化强度矢量。

本发明中采用六组磁负刚度机构，相邻两组磁铁磁化方向反向布置，忽略各组之间的相互影响，可得到磁负刚度机构的刚度为：

图5为本发明实施例的一种两自由度超低频隔振器中涉及的片弹簧机构图及正交安装原理图。图5(a)中，金属弹片2111与金属弹片2113通过固定装置2114并联，刚度调节装置2112通过上下滑动来改变金属弹片2111、2113的有效工作长度，从而改变片弹簧机构的有效工作刚度。为了能够解耦线性调节系统水平向刚度，两片弹簧机构211、212成90°正交配置，其工作原理如图5b所示，其数学模型推导过程如下：

两片弹簧机构211、212等效为图5(b)中弹簧，图中A点为力的作用点，考虑一般性，当有任意方向(θ为任意值)的单位力F作用在A点，片弹簧机构在作用力F的方向产生静变形Δx到B点。单位力F在弹簧k₁和k₂上的分立产生的静位移分别为：

假定作用力，产生的静变形也非常小，因此∠CBD近似为直角，总的变形量Δx为：

$\mathrm{\Δ}x=\sqrt{{\mathrm{\Δx}}_1^2+{\mathrm{\Δx}}_2^2}---\left(10\right)$

弹簧刚度k₁和k₂相同，均为k，则机构在θ方向上的总刚度可表示为：

当采用两个片弹簧并联时，其刚度为一个片弹簧刚度的两倍，即：

k＝2k_s (12)

在精密隔振系统中，振动幅值通常在微米级，保证了上述假设的正确性。另外，由于θ的任意性，因此该机构在任意方向的刚度均保持一致，为刚度k。

根据材料力学的知识，一端固定一端自由矩形截面的可调刚度片弹簧211、212的弯曲刚度可表示为:

k_s＝3EI/L (13)

其中，E为片弹簧材料的弹性模量，I为抗弯截面惯性矩，L为片弹簧有效弯曲长度。由刚度公式可知，刚度大小与有效弯曲长度成反比，可通过调整片弹簧的有效弯曲长度改变其刚度大小，从而实现水平向刚度的调节。

图6为本发明实施例的一种两自由度超低频隔振器中涉及的倒立摆简化原理图。如图6所示，倒立摆负刚度是利用欧拉压杆原理实现负的刚度特性，其常用于水平向的负刚度隔振单元，根据在微扰动下的材料力学分析可得其刚度的表达式：

k＝12EI/l³-mg/l (14)

由式(14)可知，其刚度表达式由正刚度和负刚度组成，仅当负载质量超过一定的数值时，该倒立摆才具有负的刚度特性，反之其为正刚度机构，在实际应用中，可以通过合理的选择摆杆参数和负载质量实现水平向极低的固有频率，但是由于自身的限制，通常承载力都不会很大，限制其适用范围。当扰动作用在负载上时，负载会偏离原来的不稳定状态，产生水平向的位移x，此时需要施加反作用力使其保持平衡，其表达式为：

$f=-mg\frac{x}{\sqrt{l^2-x^2}}---\left(15\right)$

根据刚度的定义，倒立摆的水平向刚度的表达式为：

$k=\frac{df}{dx}=-mg(\frac{1}{\sqrt{l^2-x^2}}+\frac{x^2}{\sqrt{{(L^2-x^2)}^3}})---\left(16\right)$

由于是微扰动，进行简化处理后可以得出其刚度的表达式：

k＝-mg/l (17)

从表达式可以看出，该约束的倒立摆始终呈现负的刚度特性，在实际使用中需要与正的刚度并联使用，且可通过改变不同的倒立摆长度和负载质量来实现不同大小的负刚度特性。

图7为本发明实施例的一种两自由度超低频隔振器中涉及的水平负刚度原理图。如图7所示，倒立式的空气弹簧可等效为倒立摆机构，可同时提供竖直方向的正刚度和水平方向的负刚度。

本发明中隔振器水平方向的总刚度为：

$K^H=K_{po}^H+K_{ne}^H=6EI/L-mg/l---\left(18\right)$

竖直方向的总刚度为：

与传统被动机构相比，本发明所采用的被动隔振元件竖直方向为空气弹簧与磁负刚度机构并联，水平方向为片弹簧机构与倒立摆机构并联，其刚度值远低于传统被动机构，能够大大降低系统的固有频率。

图8为本发明实施例的一种两自由度超低频隔振器被动隔振传递率仿真图。从图中实线可以看出普通传统隔振器的固有频率较高，共振峰的幅值较大。当采用本发明结构后，从点线可以看出，其传递率在低频共振峰处有部分衰减，同时明显伴有固有频率前移，可见本发明可使被动隔振器的隔振能力得到提高。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。