專利名稱：基于電磁與靜壓氣浮復(fù)合支撐的主動(dòng)隔振裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超精密測量與超精密加工裝備，主要涉及一種基于電磁與靜壓氣浮復(fù)合支撐的主動(dòng)隔振器。
背景技術(shù)：
在超精密計(jì)量測試和超精密加工領(lǐng)域中，具有高質(zhì)量水平姿態(tài)的平臺是進(jìn)行精密測量和大規(guī)模集成電路制造的基本保證。高質(zhì)量水平姿態(tài)氣浮隔振平臺的應(yīng)用十分廣泛。在生物科學(xué)、電子光學(xué)、精密機(jī)械加工、理化試驗(yàn)及其研究相關(guān)的工廠中，平臺的水平姿態(tài)控制會(huì)影響到機(jī)器設(shè)備的測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果和儀表器械的使用性能，并且會(huì)直接影響氣浮隔振平臺對振動(dòng)的抑制性能。隨著超精密測量儀器和超精密加工制造設(shè)備的精度等級的提高，環(huán)境振動(dòng)對儀器設(shè)備的影響越來越大。氣浮隔振平臺作為新興的隔振設(shè)備也隨著精密儀器制造業(yè)的發(fā)展而發(fā)展，特別是隨著超大規(guī)模集成電路制造業(yè)的高速發(fā)展以及對測量精度和測量穩(wěn)定性要求的不斷提高。對于超精密測量儀器和超精密加工制造裝備產(chǎn)生干擾的振動(dòng)頻率主要在0. 8 IOOHz內(nèi)的低頻振動(dòng)；同時(shí)作為干擾振源主要包括兩類，分別是來自外界環(huán)境的振動(dòng)和來自被控對象本身產(chǎn)生的振動(dòng)。被動(dòng)隔振器從原理上依靠降低其固有頻率，濾掉來自外界的振動(dòng)，隔振效果取決于其固有頻率的大小。但是固有頻率與隔振器剛度算術(shù)平方根成正比，即固有頻率越小剛度越小。對于負(fù)載帶來的擾動(dòng)振源被動(dòng)隔振器是無法抑制的。主動(dòng)控制的隔振系統(tǒng)對于解決超低頻微幅隔振非常有效，同時(shí)選擇合適的結(jié)構(gòu)和控制策略可實(shí)現(xiàn)對負(fù)載帶來的擾動(dòng)進(jìn)行抑制?；谪?fù)剛度原理的隔振器在保證系統(tǒng)承載能力的同時(shí)，有效降低了機(jī)構(gòu)的剛度，從而使得整個(gè)隔振器的固有頻率降低，隔振頻帶加寬，提高了隔振能力。采用電磁執(zhí)行器的負(fù)剛度結(jié)構(gòu)的隔振器，電磁執(zhí)行器采用速度或電流閉環(huán)控制方法，可實(shí)現(xiàn)隔振器機(jī)構(gòu)剛度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，即機(jī)構(gòu)剛度由小到無窮大的調(diào)節(jié)。這樣通過對隔振器機(jī)構(gòu)剛度的調(diào)節(jié)，可兼顧兩種類型的振源的抑制。日本埼玉大學(xué)的Taksehi Mizuno等人提出基于零功率控制的主動(dòng)控制方法及負(fù)剛度結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了隔振器的剛度無窮大，解決了隔振器負(fù)載擾動(dòng)引入的振動(dòng)抑制問題。但是該隔振器和方法無法實(shí)現(xiàn)對外界環(huán)境振動(dòng)的抑制；其裝置中支撐元件采用的是機(jī)械彈簧和電磁執(zhí)行器，受到體積大小的限制，隔振器的承載能力差，無法提供大承載；采用機(jī)械彈簧和電磁鐵作用隔振器位置精度控制達(dá)不到微米以及亞微米量級，對于超精密隔振特別是極大規(guī)模集成電路加工制造的隔振要求隔振器具有優(yōu)異的隔振性能的同時(shí)還要具有超精密位置控制精度。目前基于主動(dòng)或被動(dòng)的隔振裝置均存在一個(gè)共性的問題，就是存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，需要性能優(yōu)異的傳感器和作動(dòng)器等不利特點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提出一種基于電磁與靜壓氣浮復(fù)合支撐的主動(dòng)隔振裝置，該裝置采用靜壓氣浮與電磁磁浮復(fù)合支撐的結(jié)構(gòu)，利用靜壓氣、浮的大承載以及磁浮的負(fù)剛度特點(diǎn)，通過速度閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)隔振裝置機(jī)構(gòu)剛度的調(diào)節(jié)，在滿足隔振性能的條件下實(shí)現(xiàn)大承載。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種基于電磁與靜壓氣浮復(fù)合支撐的主動(dòng)隔振裝置，所述裝置由隔離平臺、中間套筒和基座構(gòu)成；在基座內(nèi)配裝帶有環(huán)形氣腔的中間套筒，在基座內(nèi)位于中間套筒下方之間設(shè)有柱形氣腔，非接觸式垂直位移傳感器B配裝在柱形氣腔內(nèi)，在基座側(cè)壁上設(shè)有與柱形氣腔連通的基座進(jìn)氣孔；在中間套筒上配置隔離平臺，在中間套筒內(nèi)側(cè)壁上設(shè)置與隔離平臺相配合的內(nèi)側(cè)靜壓氣浮節(jié)流孔，外側(cè)靜壓氣浮節(jié)流孔和中間套筒進(jìn)氣孔設(shè)置在中間套筒的外側(cè)壁上，且外側(cè)靜壓氣浮節(jié)流孔與基座相配合，在中間套筒底側(cè)壁面和隔離平臺底側(cè)壁面上分別相對配裝電磁線圈和永磁體；在中間套筒上端面配裝非接觸式垂直位移傳感器A。本發(fā)明的特點(diǎn)和效果 I)本發(fā)明利用靜壓氣浮的大承載以及磁浮的負(fù)剛度特點(diǎn)，在滿足隔振性能的條件下實(shí)現(xiàn)大承載，這是本方案區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的特點(diǎn)之一；2)本發(fā)明通過速度閉環(huán)控制方法使該隔振裝置機(jī)構(gòu)剛度的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，對來自外界環(huán)境振動(dòng)與負(fù)載擾動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)部振動(dòng)均有抑制作用，這是本方案明顯區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的特點(diǎn)之二。


附圖是基于電磁與靜壓氣浮復(fù)合支撐的主動(dòng)隔振器總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中件號1-隔離平臺；2_中間套筒；3-基座；4_永磁體；5_電磁線圈；6_內(nèi)側(cè)靜壓氣浮節(jié)流孔；7_非接觸式垂直位移傳感器A ；8-外側(cè)靜壓氣浮節(jié)流孔；9_非接觸式垂直位移傳感器B ; 10-基座進(jìn)氣孔；11-中間套筒進(jìn)氣孔；12_柱形氣腔；13-環(huán)形氣腔。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明一種基于電磁與靜壓氣浮復(fù)合支撐的主動(dòng)隔振裝置，所述裝置由隔離平臺I、中間套筒2和基座3構(gòu)成；在基座3內(nèi)配裝帶有環(huán)形氣腔13的中間套筒2，在基座3內(nèi)位于中間套筒2下方之間設(shè)有柱形氣腔12，非接觸式垂直位移傳感器B9配裝在柱形氣腔12內(nèi)，在基座3側(cè)壁上設(shè)有與柱形氣腔12連通的基座進(jìn)氣孔10 ;在中間套筒2上配置隔離平臺1，在中間套筒2內(nèi)側(cè)壁上設(shè)置與隔離平臺I相配合的內(nèi)側(cè)靜壓氣浮節(jié)流孔6，外側(cè)靜壓氣浮節(jié)流孔8和中間套筒進(jìn)氣孔11設(shè)置在中間套筒2的外側(cè)壁上，且外側(cè)靜壓氣浮節(jié)流孔8與基座3相配合，在中間套筒2底側(cè)壁面和隔離平臺I底側(cè)壁面上分別相對配裝電磁線圈5和永磁體4 ;在中間套筒2上端面配裝非接觸式垂直位移傳感器A7。所述的基于電磁與靜壓氣浮復(fù)合支撐的主動(dòng)隔振裝置，非接觸式垂直位移傳感器A7和非接觸式垂直位移傳感器B9包括光學(xué)位移傳感器、渦流位移傳感器或電容位移傳感器。所述的基于電磁與靜壓氣浮復(fù)合支撐的主動(dòng)隔振裝置，永磁體4采用銣鐵硼材料。
所述的基于電磁與靜壓氣浮復(fù)合支撐的主動(dòng)隔振裝置，經(jīng)中間套筒進(jìn)氣孔11進(jìn)入中間套筒2的環(huán)形氣腔13內(nèi)的高壓氣體壓強(qiáng)為0. 4 0. 6MPa。基于電磁與靜壓氣浮復(fù)合支撐的主動(dòng)隔振裝置，隔離平臺I與中間套筒2和中間套筒2與基座3之間靜壓氣浮形成的氣膜厚度為7 u m。該裝置可以同時(shí)抑制外界環(huán)境的振動(dòng)和負(fù)載自身的振動(dòng)。該裝置可以單獨(dú)用于支撐負(fù)載，也可多個(gè)共同支撐一個(gè)負(fù)載平臺，大型或結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)可以放置在該負(fù)載平臺上，從而起到對系統(tǒng)保護(hù)的作用。隔離平臺I和中間套筒2采用是磁浮與靜壓氣浮復(fù)合作用的支撐方式。隔離平臺I垂向米用磁浮的方式，永磁體4安置于隔離平臺I底部；電磁線圈5布置于中間套筒2內(nèi)部底端；電磁線圈5和永磁體4共同產(chǎn)生的斥力在垂向支撐隔離平臺I與中間套筒2。電磁線圈5和永磁體4產(chǎn)生的斥力承載隔離平臺1，斥力的大小由電磁線圈5的匝數(shù)和永磁體4體積尺寸大小決定；永磁體采用銣鐵硼材料。
中間套筒2和基座3之間為徑向靜壓氣浮支撐。外側(cè)靜壓氣浮節(jié)流孔8等間隔的分布于中間套筒2內(nèi)壁，噴射的氣體由環(huán)形氣腔13提供；高壓氣體經(jīng)中間套筒進(jìn)氣孔11進(jìn)入環(huán)形氣腔13內(nèi)，高壓氣體的壓強(qiáng)在0. 4 0. 6Mpa之間，具體值的大小由隔振裝置的負(fù)載
重量決定?；?為本發(fā)明最外層，放置在固定基礎(chǔ)上，并且通過柱形氣腔12內(nèi)的高壓氣體在垂向支撐中間套筒2。柱形氣腔12內(nèi)氣壓壓強(qiáng)和中間套筒2底部的面積決定本發(fā)明的承載能力。氣體由基座進(jìn)氣孔10流入柱形氣腔12內(nèi)，實(shí)時(shí)補(bǔ)償柱形氣腔12內(nèi)氣體的流失，并保證壓強(qiáng)的穩(wěn)定。非接觸式垂直位移傳感器A7和非接觸式垂直位移傳感器B9可采用光學(xué)、渦流或電容型傳感器，非接觸式垂直位移傳感器A7監(jiān)測隔離平臺I相對于中間套筒2的位移，非接觸式垂直位移傳感器B9監(jiān)測基座3相對于中間套筒2的位移。利用位移變化量控制電磁線圈輸入電流，使其輸出磁場大小改變，實(shí)現(xiàn)隔振裝置基于速度閉環(huán)的主動(dòng)控制，即可以實(shí)現(xiàn)負(fù)剛度。如果隔離平臺I自身干擾力為F方向向下，隔離平臺I與中間套筒2通過主動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)負(fù)剛度，相對位移為正，隔離平臺I相對中間套筒2上升；中間套筒2與基座3之間靜壓氣浮支撐為正剛度，相對位移為負(fù)，中間套筒2相對基座3下降；最終隔離平臺I相對于基座3的位移變化可以忽略，這樣干擾力F對于隔離平臺的擾動(dòng)被抑制。如果電磁線圈不進(jìn)行速度閉環(huán)控制，僅提供固定磁場用于平衡負(fù)載重量時(shí)，該裝置中的靜壓氣浮與磁浮相當(dāng)于被動(dòng)隔振原理，起到抑制外界振動(dòng)的作用。
權(quán)利要求
1.一種基于電磁與靜壓氣浮復(fù)合支撐的主動(dòng)隔振裝置，其特征在于所述裝置由隔離平臺(I)、中間套筒(2)和基座(3)構(gòu)成；在基座(3)內(nèi)配裝帶有環(huán)形氣腔(13)的中間套筒(2)，在基座(3)內(nèi)位于中間套筒(2)下方之間設(shè)有柱形氣腔(12)，非接觸式垂直位移傳感器B (9)配裝在柱形氣腔(12)內(nèi)，在基座(3)側(cè)壁上設(shè)有與柱形氣腔(12)連通的基座進(jìn)氣孔(10);在中間套筒⑵上配置隔離平臺(I)，在中間套筒(2)內(nèi)側(cè)壁上設(shè)置與隔離平臺(I)相配合的內(nèi)側(cè)靜壓氣浮節(jié)流孔出)，外側(cè)靜壓氣浮節(jié)流孔(8)和中間套筒進(jìn)氣孔(11)設(shè)置在中間套筒⑵的外側(cè)壁上，且外側(cè)靜壓氣浮節(jié)流孔⑶與基座⑶相配合，在中間套筒(2)底側(cè)壁面和隔離平臺(I)底側(cè)壁面上分別相對配裝電磁線圈(5)和永磁體(4);在中間套筒(2)上端面配裝非接觸式垂直位移傳感器A (7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電磁與靜壓氣浮復(fù)合支撐的主動(dòng)隔振裝置，其特征在于非接觸式垂直位移傳感器A (7)和非接觸式垂直位移傳感器B (9)包括光學(xué)位移傳感器、渦流位移傳感器或電容位移傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電磁與靜壓氣浮復(fù)合支撐的主動(dòng)隔振裝置，其特征在于永磁體(4)采用銣鐵硼材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電磁與靜壓氣浮復(fù)合支撐的主動(dòng)隔振裝置，其特征在于經(jīng)中間套筒進(jìn)氣孔(11)進(jìn)入中間套筒(2)的環(huán)形氣腔(13)內(nèi)的高壓氣體壓強(qiáng)為O. 4 O. 6MPa。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于電磁與靜壓氣浮復(fù)合支撐的主動(dòng)隔振裝置，其特征在于隔離平臺(I)與中間套筒(2)和中間套筒(2)與基座(3)之間靜壓氣浮形成的氣膜厚度為7 μ m0
全文摘要
基于電磁與靜壓氣浮復(fù)合支撐的主動(dòng)隔振裝置屬于超精密測量與超精密加工裝備，該裝置包括隔離平臺、中間套筒和基座；隔離平臺支撐負(fù)載對象，中間套筒支撐隔離平臺，基座支撐中間套筒，基座放置在固定基礎(chǔ)上，各部分之間采用磁浮與靜壓氣浮復(fù)合作用的支撐方式；本發(fā)明利用靜壓氣浮的大承載以及磁浮的負(fù)剛度特點(diǎn)，通過速度閉環(huán)控制方法使該隔振裝置機(jī)構(gòu)剛度的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，且對來自外界環(huán)境振動(dòng)與負(fù)載擾動(dòng)產(chǎn)生的內(nèi)部振動(dòng)有抑制作用。
文檔編號F16F15/03GK102734379SQ20121020128
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月9日
發(fā)明者楊遠(yuǎn)源, 王雷, 譚久彬, 趙勃, 聞榮偉 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)