[发明专利]一种三自由度超低频减振器

说明书

技术领域

本发明属于精密减振领域，具体涉及一种三自由度超低频减振器。本发明所涉及的三自由度超低频减振器具有极低的固有频率，不仅可以隔离中高频振动，还可以有效地隔离低频和超低频振动，适用于对低频振动敏感的精密加工和测量设备。

背景技术

伴随着以光刻机，扫描探针显微镜(SPM)，扫描隧道显微镜(STM)，原子力显微镜(AFM)为代表的一系列精密加工和测量技术的不断发展，其加工和测量精度也越来越接近物理极限。而此时，振动已成为阻碍其精度提高的主要因素。因此，如何最大限度地减小加工和测量设备的微振动已成为精密加工和测量领域亟需解决的问题。

影响减振系统减振性能的主要指标是系统的固有频率和阻尼比，其中固有频率起重要作用，降低系统的固有频率可显著提高系统的减振能力。传统的减振系统一般采用圆柱螺旋弹簧或橡胶结构，但其固有频率很难低于2Hz，无法有效隔离超低频振动。空气弹簧结构可以实现较大的承载力和对较低频振动的抑制，但是要实现超低频的振动抑制，必须采用增大腔室体积的方法，增加制造和使用的困难。在实际使用中，空气弹簧一般难以实现1Hz以下的超低频减振。

发明内容

本发明的目的是提供一种三自由度超低频减振器。该减振器体积小，结构紧凑，采用正负刚度并联的原理，具有低的固有频率，不仅能够有效地隔离中高频振动，同时对低频和超低频振动也有良好的抑制效果。

本发明提供的一种三自由度超低频减振器，其特征在于，该减振器在空间三自由度方向均采用正负刚度并联的结构以减小系统的固有频率；其中在z向采用磁正刚度与磁负刚度并联的减振方式，并能够通过调节第三磁铁的位置调整正负刚度的大小；x，y向分别采用片弹簧提供正刚度并与磁负刚度并联的减振方式。

作为上述技术方案的改进，所述z向所采用的磁正刚度机构包括安装在第二安装板中央位置的第三磁铁，以及安装在第四安装板中央位置的第四磁铁，第四磁铁在第三磁铁的磁场里沿z方向振动，利用磁铁间的斥力形成z向的正刚度；

作为上述技术方案的一种进一步改进，z向磁负刚度机构包括安装在底座中央位置的第一磁铁，安装在第三安装板中央位置的第二磁铁，及所述的第三磁铁；第二磁铁在第一磁铁和第三磁铁形成的磁场里沿z方向振动，利用磁铁间吸引力形成Z向的负刚度；

第四安装板和第三安装板通过至少二个第二柔性铰链连接，实现z向正负刚度并联，并由套筒限制第三安装板沿x，y方向的运动，以此隔断第四安装板对第三安装板沿x或y方向的运动影响；负载支承平台通过支柱与第四安装板固连以支承负载；紧钉螺钉用来调节第二安装板及其上第三磁铁的高度，以调节z方向磁正刚度和磁负刚度的大小；第一安装板通过立柱与底座固连，支柱贯通第一安装板将负载支承平台与第四安装板固连。

作为上述技术方案的另一种进一步改进，x，y向正刚度机构包括二个片弹簧；二个片弹簧的夹角为90度，每个片弹簧通过一个连接件与底座固连，通过一个第一柔性铰链与负载支承平台固连，并隔断负载支承平台z向运动对其的影响；负载支承平台沿x或y向振动时，二个片弹簧发生变形形成正刚度；x和y向负刚度机构包括所述第四磁铁和所述第三磁铁，所述第四磁铁在所述第三磁铁形成的磁场中沿x，y向振动时受到的磁铁斥力提供负刚度。

作为上述技术方案的更进一步改进，x，y向正刚度机构包括至少三个片弹簧；各片弹簧在同一个圆周上均匀分布，每个片弹簧通过一个连接件与底座固连，通过一个第一柔性铰链与负载支承平台固连，并隔断负载支承平台z向运动对其的影响；负载支承平台沿x或y向振动时，三个片弹簧发生变形形成正刚度；x和y向负刚度机构包括所述第四磁铁和所述第三磁铁，所述第四磁铁在所述第三磁铁形成的磁场中沿x，y向振动时受到的磁铁斥力提供负刚度。

本发明还可以在所述第一安装板中央位置安装第五磁铁，以增大x，y向的磁负刚度。

本发明中减振器所使用的负刚度机构，可以通过改变中间磁铁在z方向的高度来调节磁负刚度的大小，以实现在不同负载下良好的减振效果。

本发明提供的三自由度超低频减振器通过正负刚度并联，可以在空间三个自由度方向实现超低频减振，获得比正刚度弹簧更大的承载力，同时又具有极低的固有频率，在保证稳定性的同时，获得良好的减振效果，满足现代工业生产中精密加工和测量的需求。具体而言，本发明具有如下的技术效果：

(1)采用正负刚度并联的结构可以达到极低的系统固有频率，不仅对中高频干扰具有良好的抑制效果，更可以抑制低频或超低频的振动。