[发明专利]基于球头连杆的气浮式正倒摆串联机构的空气弹簧隔振器

说明书

技术领域

本发明属于超精密测量及加工领域，特别涉及一种基于球头连杆的气浮式正倒摆串联机构的空气弹簧隔振器。

背景技术

性能优异的隔振装置是超精密测量及加工的关键技术之一。空气弹簧隔振器具有良好的超低频隔振性能、承载能力高、等效刚度较低、固有频率对载荷变化不敏感、系统容易实现、耗能低等优点，随着超精密测量及加工技术、纳米技术和超大规模集成电路制造技术的发展，空气弹簧隔振器得到了越来越广泛的应用。如光刻机承载所有曝光元件的测量框架的振动隔离。

影响隔振性能的主要指标是隔振装置的固有频率和阻尼比，在阻尼的作用下，隔振系统典型的振动传递率如下图所示。

由上图可见，隔振系统只对频率大于(ω₀为固有角频率)的振动才有隔离效果，因此，若要提高隔振系统的隔振性能，就必须尽可能降低系统的固有频率，要使隔振装置具有很低的固有频率，则隔振装置必须具有尽可能低的刚度，如下式所示。

f0=12πKm]]>

对超精密加工产生不良影响的振动频率是0.5Hz～70Hz范围内的微小振动。许多超精密测量设备对环境振动提出了更加严格的要求，如分子坐标测量机、空间微重力及引力波探测器等。

由于空气弹簧设计和制造的固有缺陷，其垂直刚度和水平刚度相互耦合，导致垂直和水平方向的隔振性能无法兼顾。由于材料和制造技术的限制，实际制造的空气弹簧的垂直刚度和水平刚度只能降低到一定程度，这在很大程度上限制了空气弹簧在超精密测量及加工领域中的应用。

专利US5779010“Suspen ded low frequency horizontal pendulum isolator for vibrator isolation systems”提出空气弹簧和单摆机构串联的隔振器，如美国Newport的系列产品。由于单摆机构的水平刚度远小于空气弹簧的水平刚度而垂直刚度远大于空气弹簧的垂直刚度，因此两者串联后，隔振器等效水平刚度近似为单摆机构的水平刚度，隔振器等效垂直刚度近似为空气弹簧的垂直刚度。尽管该发明解决了空气弹簧的垂直刚度和水平刚度相互耦合导致垂直和水平方向的隔振性能无法兼顾的难题，但是该发明存在着一个难以克服的根本问题。单摆机构水平方向的固有频率完全取决于摆长L，如下式所示。

fH=12πgL]]>

为了提高隔振器的隔振效果，势必需要降低固有频率，通过单纯增加摆长来降低固有频率，一方面导致隔振器尺寸庞大，另一方面由于工程上的限制无限增加摆长是无法实现的。

专利CN1487216“倒摆式气动隔振器”提出空气弹簧和倒摆机构串联的隔振器，如美国TMC的系列产品。该发明利用倒摆的水平摆动实现水平隔振，也解决了空气弹簧的垂直刚度和水平刚度相互耦合导致垂直和水平方向的隔振性能无法兼顾的问题。但其仍然受到倒摆摆长的限制，另一方面由于所有载荷作用在倒摆底部的曲面上，使其承载能力受到限制。倒摆机构水平方向的固有频率取决于以下因素，如下式所示。