一种基于负刚度原理的永磁低频单自由度隔振机构

摘要

一种基于负刚度原理的环形永磁低频隔振机构，包括上橡胶片、内环形永磁体固定心轴、上橡胶片上压环、上橡胶片外压环、外环形永磁体、下橡胶片、下橡胶片内压片、下橡胶片外压环、外环形永磁体固定套和内环形永磁体。其中内环形永磁体轴向磁化，外环形永磁体径向磁化，内外环形永磁体构成一个正刚度系统，上、下橡胶片构成负刚度系统，正负刚度系统并联使用可构成低频隔振机构。三个或四个单自由度隔振机构并联使用可实现三自由度的低频隔振；该隔振机构磁场力最大时，其刚度接近于零。本发明不需要外界气源，具有在真空中使用的前景；结构简单，成本低廉，且易于加工的特点；可用于光学、声学、生物学、半导体制造和精密测量等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种低频隔振机构，特别涉及一种基于负刚度原理的环形永磁体低频隔振机 构，主要用于光学、声学、半导体制造，精密测量和超精密领域中小型仪器设备的超低频隔振。

背景技术

在超精密领域，精密和超精密加工对环境的要求越来越严格，由于机械设备内部和外部 的振动干扰是降低加工精度和表面质量的重要因素之一。超精密加工的质量不仅与振动干扰 的振幅有关，而且与振动干扰的频率有关，对超精密加工产生不良影响的振动频率是在0.5-70 Hz范围内的微幅振动，对振动的控制方法常用消振、隔振和吸振，在超精密领域中应用最广 泛的当属隔振。目前，隔振机构主要有以下几种形式：橡胶、三线摆、倒摆、X摆和摇摆球等。 其中橡胶结构简单，不易达到较低的固有频率。倒摆和X摆只能在水平一个方向隔振。在垂直 方向，目前隔振效果最好的是空气弹簧，需要外界气源，不能在真空中使用。由减振理论可 知，传统被动隔振系统对外界干扰频率大于隔振系统固有频率的倍，起减振作用，可较好 地隔离中、高频振动，但隔离低频振动尤其是超低频振动的能力较差。为了提高系统隔离低 频振动的能力，通常有两种方法：一是减小隔振系统的刚度；二是增加承载质量。对于线性 隔振器在相同负载下变形较大及降低隔振系统的稳定性，但承载能力也受到限制。因此，传 统被动隔振系统已无法满足超精密加工及测量等领域对隔离超低频宽频带振动的需要，需要 开展新型非线性隔振器的研究。若采用主动控制，可降低固有频率，提高隔振性能，但成本 太高。自Platus提出了负刚度原理后，近年来，国内外应用了负刚度原理研究出各种隔振器， 虽然隔振性能有所提高，但其承载能力较小，使用时还需要根据负载进行刚度调谐。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于负刚度原理的低频隔振机构，既有较高的承载能力，又有 较低的固有频率，既可实现在垂直方向的单自由度的超低频隔振，也可实现也可组合使用实 现三自由度的低频隔振，隔振性能良好。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种基于负刚度原理的环形永磁低频单自由度隔振机构，其特征在于：所述的超低频隔 振机构包括内环形永磁体、外环形永磁体、上橡胶片、下橡胶片、上橡胶片内压环、上橡胶 片外压环、下橡胶片内压片、下橡胶片外压环、内环形永磁体固定心轴和外环形永磁体固定 套；内环形永磁体轴向磁化，外环形永磁体径向磁化，内环和外环形永磁体同心布置；所述 的内环形永磁体套固在其心轴上；所述的外环形永磁体粘接在其固定套上；所述的上橡胶片 的外缘通过上橡胶片外压环与外环形永磁体的顶面固定，上橡胶片的中间部分通过上橡胶片 上压环与内环形永磁体的顶面固定；所述的下橡胶片的外缘通过下橡胶片外压环与外环形永 磁体的底面固定，下橡胶片的中间部分通过下橡胶片内压片与内环形永磁体固定心轴的底面 固定。

所述的内环形永磁体固定心轴设有上轴肩和下轴肩，上轴肩与内环形永磁体的顶面齐 平，下轴肩与内环形永磁体的底面齐平。

所述的上橡胶片和下橡胶片均可采用工业橡胶或天然橡胶。

本发明提供的一种基于负刚度原理的环形永磁低频三自由度隔振机构，其特征在于：该 机构是由三个或四个所述的低频单自由度隔振机构组成，所述的三个低频单自由度隔振机构 均匀分布在同一圆周上；所述的四个低频单自由度隔振机构组成方形结构；所述的三自由度 是绕x轴方向和绕y轴方向转动以及沿z方向移动的三自由度。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性的效果：①本发明提出的低频隔振机构， 不需要外界能量输入，因此在真空中具有较好的使用前景。②在永磁体之间的磁场力最大时， 其刚度接近于零，故可实现低频隔振，与现有的负刚度系统的隔振器相比，既有较高的承载 能力，又有较低的固有频率，且具有良好的隔振性能。③本发明的低频隔振机构由内外环形 永磁体、橡胶及其附件构成，其结构简单，成本相当低廉，且易于加工制造。

附图说明

图1为本发明提供的基于负刚度原理的环形永磁体低频单自由度隔振机构的主剖面图。

图2为图1的俯视图。

图3为本发明提供基于负刚度原理的环形永磁低频单自由度隔振机构的原理图。

图4为本发明提供的基于负刚度原理的环形永磁低频三自由度隔振机构的外观图(由四 个低频单自由度隔振机构成方形分布)。

图5为本发明提供的基于负刚度原理的环形永磁低频三自由度隔振机构的外观图(由三 个低频单自由度隔振机构成圆形均匀分布)。

图中：1-上橡胶片；2-内环形永磁体固定心轴；3-上橡胶片上压环；4-上橡胶片外压环； 5-外环形永磁体；6-下橡胶片；7-下橡胶片内压片；8-下橡胶片外压环；9-外环形永磁体固 定套；10-内环形永磁体；图中：11-下支撑板；12-上支撑板；13-负载；14-低频单自由度隔 振机构。

具体实施方式

图1、如2为本发明提供的基于负刚度原理的环形永磁低频单自由度隔振机构的结构示 意图，该环形永磁体低频单自由度隔振机构包括内环形永磁体10、外环形永磁体5、上橡胶 片1、下橡胶片6、内环形永磁体固定心轴2、上橡胶片上压环3、上橡胶片外压环4、下橡 胶片内压片7、下橡胶片外压环8以及外环形永磁体固定套9；内环形永磁10轴向磁化，外 环形永磁体5径向磁化，内环形永磁和外环形永磁体同心布置；所述的内环形永磁体套固在 内环形永磁体固定心轴2上；所述的外环形永磁体5粘接在外环形永磁体固定套9上；上橡 胶片1的外缘通过上橡胶片外压环4与外环形永磁体5的顶面固定，上橡胶片1的中间部分 通过上橡胶片上压环3与内环永磁体的顶面固定；所述的下橡胶片6的外缘通过下橡胶片压 环8与外环形永磁体的底面固定，下橡胶片6的中间部分通过下橡胶内压片7与内环形永磁 体固定心轴2的底面固定。所述的上橡胶片和下橡胶片采用工业橡胶或天然橡胶。

在内环形永磁体固定心轴2上设有上轴肩和下轴肩，上轴肩与内环形永磁体的顶面齐平， 下轴肩与内环形永磁体的底面齐平；上橡胶片通过上橡胶片上压环3和螺栓与内环形永磁体 10固定在一起；下橡胶片通过下橡胶片内压片7和螺栓与内环形永磁体固定心轴2固定在一 起。

图3为本发明提供的基于负刚度原理的环形永磁低频单自由度隔振机构的结构在垂直方 向上的隔振原理图。所述的基于负刚度原理的环形永磁低频单自由度隔振机构中的内外环形 永磁体相当于一个磁弹簧，设其刚度为K_v，其中橡胶在斥力的作用下也产生刚度，设其为K_L， 在垂直方向的分量为K_Lsinθ，但其方向相反，磁弹簧产生正刚度，橡胶产生负刚度，所述的 低频单自由度隔振机构在垂直方向的刚度对可表示为：

其中K是低频单自由度隔振机构在垂直方向的总刚度，K_磁弹簧是内外环形永磁体在垂直 方向的刚度，K_橡胶是橡胶在垂直方向的刚度，θ橡胶是与水平线之间的夹角，x为垂直方向 的位移，γ是橡胶与水平线之间夹角θ的余弦值(0＜γ＜1)。

从上式可知，橡胶的刚度可部分抵消永磁体产生的刚度，使隔振机构的刚度降低，甚至 可达到零，根据可得，固有频率f趋近于零，故可实现低频隔振，M为负载 的质量。

图4是四个基于负刚度原理的环形永磁低频单自由度隔振机构并联使用可实现三自由度 隔振机构的外观图，即四个低频单自由度隔振机构组成方形结构，每个低频单自由度的隔振 机构均可等效为一个弹簧阻尼系统；所述的三自由度是绕x轴方向和绕y轴方向转动以及沿 z方向移动。

所述的绕x方向转动的隔振原理是当有外界干扰绕x轴逆时针作用在负载上时，A、B两 个隔振单元的内外环轴向的相对位移减小，磁力增加；同时，C、D两个隔振单元中内外环轴 向相对位移增加，磁力减小，负载就会在磁力的作用下恢复到原来的平衡位置，实现隔振。 反之，当外界干扰绕x轴顺时针作用在负载上时，同理可实现隔振。

所述的绕y轴方向的隔振与绕x轴方向的隔振原理相同，在此不赘述。

所述的沿Z轴方向的隔振原理是当有沿z负方向的外界干扰作用在负载上时，内外环形 永磁体之间的轴向位移减小，其磁场力增加，橡胶的拉力减小，负载会在磁力和橡胶的作用 下恢复到平衡位置，实现隔振；反之，若当有向上的外界干扰作用在负载上时，内外环永磁 体的轴向位移增加，轴向磁力减小，橡胶被拉伸且刚度增加，负载也会在磁力和橡胶的作用 下，回复到平衡位置，实现隔振。

图5是基于负刚度原理的环形永磁低频三自由度隔振机构的外观图，即三个低频单自由 度隔振机构均匀分布在同一圆周上，每个低频单自由度的隔振单元均可等效为一个弹簧阻尼 系统；所述的三个环形低频单自由度隔振机构并联使用可实现沿z方向移动，x方向和y方 向的转动隔振，其原理与图4所示的原理相同，隔振效果也相同，只是承载能力不同。