基于电磁与静压气浮复合支撑的主动隔振装置

摘要

基于电磁与静压气浮复合支撑的主动隔振装置属于超精密测量与超精密加工装备，该装置包括隔离平台、中间套筒和基座；隔离平台支撑负载对象，中间套筒支撑隔离平台，基座支撑中间套筒，基座放置在固定基础上，各部分之间采用磁浮与静压气浮复合作用的支撑方式；本发明利用静压气浮的大承载以及磁浮的负刚度特点，通过速度闭环控制方法使该隔振装置机构刚度的调节实现自动化，且对来自外界环境振动与负载扰动产生的内部振动有抑制作用。

说明书

技术领域

本发明属于超精密测量与超精密加工装备，主要涉及一种基于电磁与静压气浮复合支撑的主动隔振器。

背景技术

在超精密计量测试和超精密加工领域中，具有高质量水平姿态的平台是进行精密测量和大规模集成电路制造的基本保证。高质量水平姿态气浮隔振平台的应用十分广泛。在生物科学、电子光学、精密机械加工、理化试验及其研究相关的工厂中，平台的水平姿态控制会影响到机器设备的测量实验结果和仪表器械的使用性能，并且会直接影响气浮隔振平台对振动的抑制性能。随着超精密测量仪器和超精密加工制造设备的精度等级的提高，环境振动对仪器设备的影响越来越大。气浮隔振平台作为新兴的隔振设备也随着精密仪器制造业的发展而发展，特别是随着超大规模集成电路制造业的高速发展以及对测量精度和测量稳定性要求的不断提高。

对于超精密测量仪器和超精密加工制造装备产生干扰的振动频率主要在0.8～100Hz内的低频振动；同时作为干扰振源主要包括两类，分别是来自外界环境的振动和来自被控对象本身产生的振动。被动隔振器从原理上依靠降低其固有频率，滤掉来自外界的振动，隔振效果取决于其固有频率的大小。但是固有频率与隔振器刚度算术平方根成正比，即固有频率越小刚度越小。对于负载带来的扰动振源被动隔振器是无法抑制的。主动控制的隔振系统对于解决超低频微幅隔振非常有效，同时选择合适的结构和控制策略可实现对负载带来的扰动进行抑制。基于负刚度原理的隔振器在保证系统承载能力的同时，有效降低了机构的刚度，从而使得整个隔振器的固有频率降低，隔振频带加宽，提高了隔振能力。采用电磁执行器的负刚度结构的隔振器，电磁执行器采用速度或电流闭环控制方法，可实现隔振器机构刚度的自动调节，即机构刚度由小到无穷大的调节。这样通过对隔振器机构刚度的调节，可兼顾两种类型的振源的抑制。日本埼玉大学的Taksehi Mizuno等人提出基于零功率控制的主动控制方法及负刚度结构实现了隔振器的刚度无穷大，解决了隔振器负载扰动引入的振动抑制问题。但是该隔振器和方法无法实现对外界环境振动的抑制；其装置中支撑元件采用的是机械弹簧和电磁执行器，受到体积大小的限制，隔振器的承载能力差，无法提供大承载；采用机械弹簧和电磁铁作用隔振器位置精度控制达不到微米以及亚微米量级，对于超精密隔振特别是极大规模集成电路加工制造的隔振要求隔振器具有优异的隔振性能的同时还要具有超精密位置控制精度。目前基于主动或被动的隔振装置均存在一个共性的问题，就是存在着结构复杂，制造成本高，需要性能优异的传感器和作动器等不利特点。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术存在的问题，提出一种基于电磁与静压气浮复合支撑的主动隔振装置，该装置采用静压气浮与电磁磁浮复合支撑的结构，利用静压气浮的大承载以及磁浮的负刚度特点，通过速度闭环控制实现隔振装置机构刚度的调节，在满足隔振性能的条件下实现大承载。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于电磁与静压气浮复合支撑的主动隔振装置，所述装置由隔离平台、中间套筒和基座构成；在基座内配装带有环形气腔的中间套筒，在基座内位于中间套筒下方之间设有柱形气腔，非接触式垂直位移传感器B配装在柱形气腔内，在基座侧壁上设有与柱形气腔连通的基座进气孔；在中间套筒上配置隔离平台，在中间套筒内侧壁上设置与隔离平台相配合的内侧静压气浮节流孔，外侧静压气浮节流孔和中间套筒进气孔设置在中间套筒的外侧壁上，且外侧静压气浮节流孔与基座相配合，在中间套筒底侧壁面和隔离平台底侧壁面上分别相对配装电磁线圈和永磁体；在中间套筒上端面配装非接触式垂直位移传感器A。

本发明的特点和效果：

1)本发明利用静压气浮的大承载以及磁浮的负刚度特点，在满足隔振性能的条件下实现大承载，这是本方案区别于现有技术的特点之一；

2)本发明通过速度闭环控制方法使该隔振装置机构刚度的实现自动控制，对来自外界环境振动与负载扰动产生的内部振动均有抑制作用，这是本方案明显区别于现有技术的特点之二。

附图说明

附图是基于电磁与静压气浮复合支撑的主动隔振器总体结构示意图。

图中件号：1-隔离平台；2-中间套筒；3-基座；4-永磁体；5-电磁线圈；6-内侧静压气浮节流孔；7-非接触式垂直位移传感器A；8-外侧静压气浮节流孔；9-非接触式垂直位移传感器B；10-基座进气孔；11-中间套筒进气孔；12-柱形气腔；13-环形气腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

一种基于电磁与静压气浮复合支撑的主动隔振装置，所述装置由隔离平台1、中间套筒2和基座3构成；在基座3内配装带有环形气腔13的中间套筒2，在基座3内位于中间套筒2下方之间设有柱形气腔12，非接触式垂直位移传感器B9配装在柱形气腔12内，在基座3侧壁上设有与柱形气腔12连通的基座进气孔10；在中间套筒2上配置隔离平台1，在中间套筒2内侧壁上设置与隔离平台1相配合的内侧静压气浮节流孔6，外侧静压气浮节流孔8和中间套筒进气孔11设置在中间套筒2的外侧壁上，且外侧静压气浮节流孔8与基座3相配合，在中间套筒2底侧壁面和隔离平台1底侧壁面上分别相对配装电磁线圈5和永磁体4；在中间套筒2上端面配装非接触式垂直位移传感器A7。

所述的基于电磁与静压气浮复合支撑的主动隔振装置，非接触式垂直位移传感器A7和非接触式垂直位移传感器B9包括光学位移传感器、涡流位移传感器或电容位移传感器。

所述的基于电磁与静压气浮复合支撑的主动隔振装置，永磁体4采用铷铁硼材料。

所述的基于电磁与静压气浮复合支撑的主动隔振装置，经中间套筒进气孔11进入中间套筒2的环形气腔13内的高压气体压强为0.4～0.6MPa。

基于电磁与静压气浮复合支撑的主动隔振装置，隔离平台1与中间套筒2和中间套筒2与基座3之间静压气浮形成的气膜厚度为7μm。

该装置可以同时抑制外界环境的振动和负载自身的振动。该装置可以单独用于支撑负载，也可多个共同支撑一个负载平台，大型或结构复杂的系统可以放置在该负载平台上，从而起到对系统保护的作用。

隔离平台1和中间套筒2采用是磁浮与静压气浮复合作用的支撑方式。隔离平台1垂向采用磁浮的方式，永磁体4安置于隔离平台1底部；电磁线圈5布置于中间套筒2内部底端；电磁线圈5和永磁体4共同产生的斥力在垂向支撑隔离平台1与中间套筒2。电磁线圈5和永磁体4产生的斥力承载隔离平台1，斥力的大小由电磁线圈5的匝数和永磁体4体积尺寸大小决定；永磁体采用铷铁硼材料。

中间套筒2和基座3之间为径向静压气浮支撑。外侧静压气浮节流孔8等间隔的分布于中间套筒2内壁，喷射的气体由环形气腔13提供；高压气体经中间套筒进气孔11进入环形气腔13内，高压气体的压强在0.4～0.6Mpa之间，具体值的大小由隔振装置的负载重量决定。

基座3为本发明最外层，放置在固定基础上，并且通过柱形气腔12内的高压气体在垂向支撑中间套筒2。柱形气腔12内气压压强和中间套筒2底部的面积决定本发明的承载能力。气体由基座进气孔10流入柱形气腔12内，实时补偿柱形气腔12内气体的流失，并保证压强的稳定。

非接触式垂直位移传感器A7和非接触式垂直位移传感器B9可采用光学、涡流或电容型传感器，非接触式垂直位移传感器A7监测隔离平台1相对于中间套筒2的位移，非接触式垂直位移传感器B9监测基座3相对于中间套筒2的位移。利用位移变化量控制电磁线圈输入电流，使其输出磁场大小改变，实现隔振装置基于速度闭环的主动控制，即可以实现负刚度。如果隔离平台1自身干扰力为F方向向下，隔离平台1与中间套筒2通过主动控制实现负刚度，相对位移为正，隔离平台1相对中间套筒2上升；中间套筒2与基座3之间静压气浮支撑为正刚度，相对位移为负，中间套筒2相对基座3下降；最终隔离平台1相对于基座3的位移变化可以忽略，这样干扰力F对于隔离平台的扰动被抑制。如果电磁线圈不进行速度闭环控制，仅提供固定磁场用于平衡负载重量时，该装置中的静压气浮与磁浮相当于被动隔振原理，起到抑制外界振动的作用。