主动减振隔振装置及主动减振隔振系统

摘要

本发明提出一种主动减振隔振装置和由该主动减振隔振装置组成的减振隔振系统。本发明所揭露的主动减振隔振装置包括：具有密封活塞的气腔；倒立摆，其一端与所述活塞固定连接；承载部件，其与所述倒立摆的另一端固定连接；垂向直线执行器设置于所述承载部件和气腔之间，且与所述承载部件和气腔外壳连接，以对所述承载部件施加主动力；水平向直线执行器设置于所述承载部件和气腔之间，且与所述承载部件和气腔外壳连接，以对所述承载部件施加主动力。

说明书

技术领域

本发明是有关于一种减振装置和由该减振装置组成的减振系统，且特别是有关于一种主动减振隔振装置和由该主动减振隔振装置组成的减振隔振系统。

背景技术

随着用户对精密设备要求的提高，很多精密设备(比如光刻机、精密测量仪器等)对振动的要求也越来越苛刻。传统的被动式减振器已经无法满足需求，必须使用主动减振器对振动进行控制。

目前常见的主动减振器一般采用压电驱动器、气动/液压驱动器或电磁驱动器。

压电驱动器利用逆压电效应原理进行工作，即在压电晶体上施加交变电场，压电晶体会在某一方向上产生交变的机械应变，但是运动范围一般在20-25μm，不能用于振动幅值高的负载。

气动/液压驱动器利用气/液压传动进行工作，控制力较大，但是反应速度较慢，使得负载的稳定时间较长。

电磁驱动器利用磁、铁的相互作用原理进行工作。通常由可动铁芯和固定的永久磁铁组成，磁铁上缠绕激励线圈。当在激励线圈上施加交变电压时，所产生的交变磁场将驱动铁芯运动，输出力和位移。主动减振器中一般采用平面电机，成本较高。

中国专利申请CN200510026019.4公开了一种以被动为主、主动控制为辅的减振装置，包括被动减振部件和主动减振执行部件共同组成，被动减振部件是一种横、纵向均可以有一定的运动范围的腔体构造，通过该腔体支撑的活塞类机构连接到被减振的平台上，对振源在较宽频带上进行较大幅度的隔离或衰减；在被减振部件与被动减振部件之间有主动控制部件进行衔接，该主动控制部件由振动传感器、信号处理器、数据采集器、运算决策器、电机驱动器，以及水平和垂直方向上的两个直线电机组成，进行辅助定位。

美国专利US5844664中使用直线电机作为驱动器，并且动子、定子分别与负载、基座固定连接。这样当多个减振器组合使用时，由于直线电机仅在控制方向的运动范围较大，其它方向仅能在小范围内运动，一般在100μm以内，所以垂向直线电机在垂向运动范围较大时，水平向电机会限制其运动；反之亦然，也就是说负载受到较大扰动时，各驱动器之间的运动容易产生冲突，会严重降低减振效果。

美国专利US5823307公开了一种主动减震系统，使用压电马达作为驱动器，被动减震部件位于压电驱动器和承载部件之间，通过传感器探测该被动减震部件以调整驱动器消除震动。

美国专利申请US20070235276公开了一种主动减震系统，通过传感器探测结构震动产生的位置改变，计算修正信号，以控制驱动器消除震动。

美国专利申请US20070284794公开了一种主动减震系统，通过传感器探测底面震动，并且具有一个控制装置计算至少两个自由度的补偿信号，以控制驱动器消除震动。

发明内容

本发明提供一种主动减振隔振装置和由该主动减振隔振装置组成的减振隔振系统。

本发明所揭露的主动减振隔振装置包括：具有密封活塞的气腔；倒立摆，其一端与所述活塞固定连接；承载部件，其与所述倒立摆的另一端固定连接；垂向直线执行器设置於所述承载部件和气腔之间，且与所述承载部件和气腔外壳连接，以对所述承载部件施加主动力；水平向直线执行器设置於所述承载部件和气腔之间，且与所述承载部件和气腔外壳连接，以对所述承载部件施加主动力。

本发明所揭露的主动减振隔振装置还包括垂向气浮轴承，其中所述垂向直线执行器通过所述垂向气浮轴承与所述气腔外壳连接。

本发明所揭露的主动减振隔振装置还包括水平向气浮轴承，其中所述水平向直线执行器通过所述水平向气浮轴承与所述气腔外壳连接。

所述直线执行器是直线电机或者音圈电机。

所述气浮轴承是真空预载气浮轴承或者双向气浮力预载气浮轴承。

本发明所揭露的由该主动减振隔振装置组成的减振隔振系统包括：多个主动减振隔振装置，实现对负载六自由度振动的主动控制；其中所述主动减振隔振装置包括：具有密封活塞的气腔；倒立摆，其一端与所述活塞固定连接；承载部件，其与所述倒立摆的另一端固定连接；垂向直线执行器设置於所述承载部件和气腔之间，且与所述承载部件和气腔外壳连接，以对所述承载部件施加主动力；水平向直线执行器设置於所述承载部件和气腔之间，且与所述承载部件和气腔外壳连接，以对所述承载部件施加主动力。

本发明所揭露的由该主动减振隔振装置组成的减振隔振系统还包括垂向气浮轴承，其中所述垂向直线执行器通过所述垂向气浮轴承与所述气腔外壳连接。

本发明所揭露的由该主动减振隔振装置组成的减振隔振系统还包括水平向气浮轴承，其中所述水平向直线执行器通过所述水平向气浮轴承与所述气腔外壳连接。

所述直线执行器是直线电机或者音圈电机。

所述气浮轴承是真空预载气浮轴承或者双向气浮力预载气浮轴承。

所述多个主动减振隔振装置为3个或3个以上主动减振隔振装置。

本发明所揭露的由该主动减振隔振装置组成的减振隔振系统还包括供气装置，其与所述主动减振隔振装置的气腔相连。所述供气装置还包括储气罐。

本发明在直线执行器的定子与基座之间增加气浮结构，通过真空预载或者两个方向相反的气浮力提供双向刚度，使得垂向直线执行器整体可以在水平面内运动，而水平直线执行器整体可以在垂向平面内运动。这样垂向执行器在垂向运动时，水平向执行器不会限制其运动；反之亦然。本发明提出的结构消除了两个方向执行器之间的相互约束，增加了负载的运动范围(>100μm)，大大提高了主动减振器的减振效果；当多个主动减振器组合构成主动减振系统使用时，可以减小各减振器之间的耦合干扰，从而达到很好的减振效果。另外，本发明增加了储气罐，使得在供气突然中断的情况下，主动减振器仍然可以正常工作一段时间，从而避免由于主动减振器突然将负载降下而造成负载损坏。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1所示为本发明的主动减振隔振装置的第一实施例的结构示意图。

图2所示为本发明的主动减振隔振装置的第一实施例的气浮轴承结构示意图。

图3所示为本发明的主动减振隔振装置的第二实施例的结构示意图。

图4所示为本发明的主动减振隔振装置的第二实施例的气浮轴承结构示意图。

图5所示为本发明的主动减振隔振系统的一实施例的示意图。

图6所示为本发明的主动减振隔振系统的一实施例的水平布局示意图。

图7所示为本发明的主动减振隔振系统的另一实施例的水平布局示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

图1所示为本发明的主动减振隔振装置的第一实施例的结构示意图。如图1中所示，1为减振单元外壳，2为气腔，3为活塞，4为倒立摆，5为垂向真空预载气浮轴承，6为垂向直线执行器定子，7为垂向直线执行器动子，8为水平向真空预载气浮轴承，9为水平向直线执行器定子，10为水平向直线执行器动子，11为承载部件，12为单个减振单元，13为气浮轴承压力区，14为气浮轴承真空区，15为气浮轴承真空管道，16为气浮轴承气压管道，17为储气罐，18为减压阀，24为密封圈。

图2所示为本发明的主动减振隔振装置的第一实施例的气浮轴承结构示意图。如图2所示，压缩气体通过气浮轴承气压管道16在气浮轴承与支承面之间形成压力区13，真空设备通过气浮轴承真空管道15在气浮轴承与制成眠之间形成真空区14。

如图1所示，密封圈24对气腔2进行密封，气腔中的气体通过活塞3和倒立摆4支承承载部件11，其中气体对承载部件进行垂向被动减振，而倒立摆对承载部件进行水平向被动减振。垂向直线执行器定子6通过垂向气浮轴承5与减振单元外壳1接触，垂向直线执行器动子7与承载部件连接，从而对承载部件施加垂向控制力，进行主动振动控制。水平向直线执行器9通过水平向气浮轴承8与减振单元外壳1接触，水平向直线执行器10与承载部件连接，从而对承载部件施加水平向控制力，进行主动振动控制。虚线框内动子7相对于定子6只能在垂向运动，其它方向的运动通过气浮约束；动子10相对于定子9只能在水平向运动，其它方向的运动通过气浮约束。

由于存在振动，所以定子与减振单元外壳间的气浮轴承必须进行预载。图1和图2所示结构通过真空进行预载，压力区13提供浮力形成承载力，而真空区14提供吸力。气浮轴承与接触面之间同时存在浮力和吸力，正压将轴承浮起，使其具有承受压力的能力；真空负压产生吸力，降低承载能力，使其具有承受拉力的能力。前者使气膜厚度增加，后者则使气膜厚度减小，当两者匹配时，形成一个稳定的气膜厚度，使气浮轴承具有双向刚度，能够承受双向负载。

图3所示为本发明的主动减振隔振装置的第二实施例的结构示意图。如图3所示，19为减振单元外壳；20为垂向双向气浮轴承；21为水平向双向气浮轴承。

图4所示为本发明的主动减振隔振装置的第二实施例的气浮轴承结构示意图。如图4所示，压缩气体通过气浮轴承气压管道22在气浮轴承与支承面之间形成压力区23。

图3和图4所示结构通过两个方向相反的气浮力进行预载，上方压力区提供向下的压力，而下方压力区提供向上的支承力。两者平衡时，气膜厚度稳定，使气浮轴承具有双向刚度，能够承受双向负载。

图5所示为本发明的主动减振隔振系统的一实施例的示意图。如图5所示，3个减振单元12组成减振系统，对承载部件进行振动控制。压缩气体通过减压阀18减压后进入储气罐17，然后储气罐向3个减振单元12供气。

减振单元主要通过气腔2中的气体支承负载，负载一般为精密设备，一旦由于不可控因素导致供气突然中断，负载会快速降下，有可能会导致负载损坏。为避免此种情况出现，在减振系统中增加一个储气罐17，压缩气体通过减压阀18减压后进入储气罐17，然后储气罐向3个减振单元12供气。这样当供气突然中断后，储气罐中的气体还可维持减振系统工作一段时间，使得负载有足够的时间进行调整，从而避免由于主动减振器突然将负载降下而造成负载损坏。

图6所示为本发明的主动减振隔振系统的一实施例的水平布局示意图。如图6所示，3个减振单元的安装方向使各减振单元内水平向直线执行器的驱动力方向与图中双箭头所指方向相同。

本发明使用3个或多个主动减振隔振装置构成减振系统支承负载，实现负载的六自由度减振与隔振。采用3个主动减振隔振装置时，各主动减振隔振装置对称设置，其安装方向使内部水平向直线执行器的驱动力方向与图6中双箭头所指方向相同。

本发明的另一实施例为使用8个主动减振隔振装置。图7所示为本发明的主动减振隔振系统的另一实施例的水平布局示意图。如图7所示，该实施例中的8个主动减振隔振装置对称设置，其安装方向使内部水平向直线执行器的驱动力方向与图7中双箭头所指方向相同。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。