[发明专利]一种两自由度超低频隔振器

说明书

技术领域

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。

发明内容

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：