專利名稱：一種水平二自由度隔振機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造主動(dòng)減振領(lǐng)域，特別是涉及一種水平二自由度隔振機(jī)構(gòu)，
能夠主動(dòng)抑制待加工件在水平二維方向的振動(dòng)。
背景技術(shù)：
美國(guó)專利US7290642采用磁浮原理設(shè)計(jì)了一種用于垂向隔振的正、負(fù)剛度并聯(lián)裝置。負(fù)剛度是指當(dāng)質(zhì)點(diǎn)偏離平衡位置時(shí)，所受的力與所發(fā)生的位移方向相同，有繼續(xù)偏離平衡位置的趨勢(shì)。而正剛度則是指當(dāng)質(zhì)點(diǎn)偏離平衡位置時(shí)，所受的力與所發(fā)生的位移方向相反，有回到平衡位置的趨勢(shì)，該力稱為回復(fù)力。該裝置的正剛度機(jī)構(gòu)由金屬?gòu)椈沙洚?dāng)；負(fù)剛度機(jī)構(gòu)由并行排列的兩組永磁體及懸浮桿構(gòu)成，其中，永磁體兩兩異極布置，懸浮桿中與各組永磁體對(duì)應(yīng)位置處裝有永磁小塊，利用異極相吸的原理實(shí)現(xiàn)負(fù)剛度。正、負(fù)剛度機(jī)構(gòu)之間通過(guò)連桿和片簧連接，起支撐和導(dǎo)向作用。永磁體之間距離可調(diào)，也可用電磁鐵替換永磁體，以實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)強(qiáng)度可調(diào)，從而能使磁浮機(jī)構(gòu)表現(xiàn)出線性負(fù)剛度。但該裝置只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)自由度的低剛度，只適用于垂向隔振，若用于水平隔振，則不能滿足水平二自由度即X、 Y向同時(shí)具有負(fù)剛度的要求。且整體機(jī)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大。 美國(guó)專利US5844664設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)減振裝置，其垂向和水平向的低剛度分別通過(guò)空氣彈簧和偏擺機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。偏擺機(jī)構(gòu)由三根沿連接盤周向均勻布置的柔性桿組成，由于柔性桿能在垂直于桿件的各個(gè)方向產(chǎn)生彎曲變形，因此該偏擺機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)水平向兩個(gè)自由度的隔振。但該裝置為了獲得水平低剛度以犧牲擺長(zhǎng)為代價(jià)，而大擺長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致該主動(dòng)減振裝置中空氣彈簧活塞的體積較大，從而在整裝置體積一定的情形下使附加氣室的容積受限，進(jìn)而對(duì)其垂向剛度產(chǎn)生負(fù)面影響。另外，僅用正剛度機(jī)構(gòu)——偏擺，即使增大擺長(zhǎng)，也難以獲得較理想的水平超低剛度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種水平二自由度隔振機(jī)構(gòu)，能在水平二自由度方向?qū)崿F(xiàn)剛度主動(dòng)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到水平超低頻隔振。 —種水平二自由度隔振機(jī)構(gòu)，包括一連接板，連接板中心插有活塞桿，連接板的沿周均勻安放有四個(gè)磁浮單元，活塞桿的底端分別與各磁浮單元彈性連接；其特征在于，磁浮單元包括由正剛度機(jī)構(gòu)和負(fù)剛度機(jī)構(gòu)并聯(lián)構(gòu)成正負(fù)剛度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，正剛度機(jī)構(gòu)采用磁鐵同極相斥實(shí)現(xiàn)，負(fù)剛度機(jī)構(gòu)采用磁鐵異極相吸實(shí)現(xiàn)，正剛度機(jī)構(gòu)和/或負(fù)剛度機(jī)構(gòu)中的磁鐵為電磁鐵。 本發(fā)明的技術(shù)效果體現(xiàn)在本發(fā)明利用磁鐵(包括電磁鐵和永磁體)的同極相斥產(chǎn)生的正剛度特性，以及磁鐵異極相吸產(chǎn)生的負(fù)剛度特性，設(shè)計(jì)出正負(fù)剛度并聯(lián)的水平二自由度隔振系統(tǒng)。由于正負(fù)剛度并聯(lián)使剛度相互抵消，因此，該水平二自由度隔振系統(tǒng)擁有接近零的固有剛度。該水平二自由度系統(tǒng)極低的固有剛度使其擁有極低的固有頻率，從而可以實(shí)現(xiàn)超低頻水平隔振。


圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為本發(fā)明第一實(shí)施例的俯視圖。 圖3為本發(fā)明第二實(shí)施例的局部結(jié)構(gòu)示意圖, 圖4為本發(fā)明第三實(shí)施例的局部結(jié)構(gòu)示意圖, 圖5為本發(fā)明第四實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6為本發(fā)明第四實(shí)施例的受力示意圖。 圖7為本發(fā)明第五實(shí)施例的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
圖l所示為本發(fā)明的用于水平二自由度隔振的零剛度機(jī)構(gòu)的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1中所示，1為永磁體對(duì)，由一對(duì)相同型號(hào)的永磁體la、lb繞懸浮桿3對(duì)稱布置。永磁體la安裝在垂向支撐腔體外壁10上，永磁體lb安裝在垂向支撐腔體內(nèi)壁11上，永磁體la的S極與永磁體lb的N極相對(duì)。2為另一永磁體對(duì)，同樣由一對(duì)與永磁體la、 lb相同型號(hào)的永磁體2a、2b繞懸浮桿3對(duì)稱布置。永磁體2a與永磁體la相鄰，安裝在垂向支撐腔體外壁10上，永磁體2b與永磁體lb相鄰，安裝在垂向支撐腔體內(nèi)壁11上，永磁體2a的N極與永磁體2b的S極相對(duì)。懸浮桿3由鐵磁性材料制成，內(nèi)裝有電磁鐵3a、3b，電磁鐵3a的S極與永磁體la的S極相對(duì)，其N極與永磁體lb的N極相對(duì)；電磁鐵3b的N極與永磁體2a的N極相對(duì)，其S極與永磁體2b的S極相對(duì)。懸浮桿3通過(guò)鎖緊螺釘5安裝在圓盤狀連接板4上。永磁體1、2和懸浮桿3共同組成一個(gè)水平向磁浮單元13。圖中6為活塞板，用于承受載荷?；钊麠U7上端與活塞板6固接，下端與活塞底盤8固接?；钊妆P8由垂向支撐裝置14支撐?；钊麠U7與垂向支撐腔體內(nèi)壁11之間留有間隙12?；钊妆P8與垂向支撐腔體內(nèi)壁11之間通過(guò)彈性膜9連接。 圖2為本發(fā)明的第一實(shí)施例的俯視圖。如圖2中所示，連接板設(shè)計(jì)4個(gè)螺紋孔，沿周向相隔90度均勻布置(X軸、Y軸各兩個(gè))，用于安裝4根懸浮桿3。與各懸浮桿3對(duì)應(yīng)位置處安裝有4個(gè)磁浮單元13。 由于懸浮桿3是鐵磁性材料(鐵、鈷、鎳及其合金等能直接產(chǎn)生磁性或能被磁化的材料，其磁化率為正值)，永磁體1、2與懸浮桿3相互吸引，表現(xiàn)為負(fù)剛度。當(dāng)懸浮桿3處于平衡位置時(shí)，永磁體la、2a對(duì)其的吸引力與永磁體lb、2b對(duì)其的吸引力相互平衡。每個(gè)磁浮單元中設(shè)計(jì)兩對(duì)永磁體的目的在于平衡由負(fù)載傾斜引起的活塞轉(zhuǎn)矩。而之所以上下兩個(gè)單元的磁極布置得不完全一樣，是因?yàn)樵摲N磁極布置方式使得同一側(cè)(外壁或內(nèi)壁)相鄰磁體之間是異極相吸，可減少漏磁，從而在一定程度上減弱磁場(chǎng)的非線性。如圖2所示布置4個(gè)磁浮單元13的目的在于同時(shí)實(shí)現(xiàn)水平兩個(gè)方向的負(fù)剛度。 通過(guò)在懸浮桿3中安裝電磁鐵3a、3b (電磁鐵的極性與同側(cè)永磁體的極性相同)，利用電磁鐵與永磁體同極互相排斥的原理，可實(shí)現(xiàn)正剛度機(jī)構(gòu)。該正剛度機(jī)構(gòu)與永磁體和懸浮桿的鐵磁性材料組成的負(fù)剛度機(jī)構(gòu)共同作用，即可實(shí)現(xiàn)水平向正、負(fù)剛度并聯(lián)。并且，電磁鐵的應(yīng)用，使得該水平隔振機(jī)構(gòu)可通過(guò)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)水平兩方向剛度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，因此，能獲得較理想的超低剛度特性。
圖3是本發(fā)明的第二實(shí)施例。如圖3所示，15為由非磁性材料制成的懸浮桿，懸浮桿15中安裝4塊型號(hào)相同的電磁鐵15a、15b、15c、15d。其中，電磁鐵15b的極性布置方向與第一實(shí)施例中的電磁鐵3a相同；電磁鐵15a的極性布置方向與電磁鐵15b的極性布置方向相反，即電磁鐵15a的N極與永磁體la的S極相對(duì)，其S極與永磁體lb的N極相對(duì)。同樣，電磁鐵15c的極性布置方向與第一實(shí)施例中電磁鐵3b相同，電磁鐵15d的極性布置方向與電磁鐵15c的極性布置方向相反，即電磁鐵15d的S極與永磁體2a的N極相對(duì)，其N極與永磁體2b的S極相對(duì)。電磁鐵15b、 15c分別與永磁體la、lb和2a、2b之間同極相互排斥，實(shí)現(xiàn)了正剛度；而電磁鐵15a、15d分別與永磁體la、lb和2a、2b之間異極相互吸引，實(shí)現(xiàn)了負(fù)剛度。因此，該實(shí)施例同樣實(shí)現(xiàn)了正、負(fù)剛度的并聯(lián)。
與第一實(shí)施例相比，其優(yōu)點(diǎn)在于 1.能進(jìn)行正、負(fù)剛度同時(shí)調(diào)節(jié)，從而能在更短的時(shí)間內(nèi)獲得較理想的超低剛度特性，并能顯著提高調(diào)節(jié)精度； 2.懸浮桿采用非磁性材料，能減弱相鄰電磁鐵之間的串?dāng)_，使磁浮單元的非線性特性得到改善。 圖4為本發(fā)明的第三實(shí)施例。如圖4所示，懸浮桿16中安裝有永磁體16a、16b、16c、16d。永磁體16a、16b位于電磁鐵17a、 17b構(gòu)成的磁場(chǎng)中，永磁體16c、16d位于電磁鐵18a、18b構(gòu)成的磁場(chǎng)中，實(shí)現(xiàn)了正、負(fù)剛度并聯(lián)。與本發(fā)明的第二實(shí)施例相比，其優(yōu)點(diǎn)在于電磁鐵安裝在垂向支撐腔壁上，能避免電磁鐵的連接線纜對(duì)水平減振效果的不良影響，進(jìn)一步優(yōu)化水平向減振性能。 圖5為本發(fā)明的第四實(shí)施例。該實(shí)施例是結(jié)合第一實(shí)施例和第三實(shí)施例作出的優(yōu)化。如圖5所示，懸浮桿19、20采用非磁性材料制成，二者以活塞桿為中心軸對(duì)稱布置。19a、19b為安裝在懸浮桿19中的永磁體，20a、20b為安裝在懸浮桿20中的永磁體。圖中所有永磁體的磁極布置方向均相同。永磁體19a與電磁鐵對(duì)17 (由電磁鐵17a和17b組成)同極互斥，表現(xiàn)為正剛度；永磁體1%與電磁鐵對(duì)18異極互吸，表現(xiàn)為負(fù)剛度。從而在磁浮單元13中實(shí)現(xiàn)了正、負(fù)剛度并聯(lián)。懸浮桿20中的永磁體20a、20b分別與電磁鐵對(duì)21、22形成負(fù)剛度和正剛度單元。 采用如圖5所示的布置是為了平衡活塞所受的轉(zhuǎn)矩。圖6為活塞的受力示意圖(以活塞產(chǎn)生沿X軸正向的偏移為例)。永磁體19a所受斥力Fl沿X軸負(fù)向，永磁體19b所受吸引力F2沿X軸正向，對(duì)懸浮桿19而言，存在逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩；同理，對(duì)懸浮桿20而言，存在由F3、F4引起的順時(shí)針轉(zhuǎn)矩。由于懸浮桿19和20通過(guò)連接板4剛性連接，懸浮桿19上的逆時(shí)針轉(zhuǎn)矩與懸浮桿20上的順時(shí)針轉(zhuǎn)矩相互抵消，因此，活塞沿X方向合轉(zhuǎn)矩為零。沿Y軸方向的磁鐵布置以及受力與X軸方向相同。 該設(shè)計(jì)使得懸浮桿中永磁體的安裝更為方便，且能減少所需磁鐵的數(shù)量，節(jié)約成本。圖7為本發(fā)明的第五實(shí)施例。如圖7所示，即將第一實(shí)施例中的連接板改為正方形板23。
權(quán)利要求
機(jī)構(gòu)，包括一連接板，連接板中心插有活塞桿，連接板的沿周均勻安放一種水平二自由度隔振有四個(gè)磁浮單元，活塞桿的底端分別與各磁浮單元彈性連接；其特征在于，磁浮單元包括由正剛度機(jī)構(gòu)和負(fù)剛度機(jī)構(gòu)并聯(lián)構(gòu)成正負(fù)剛度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，正剛度機(jī)構(gòu)采用磁鐵同極相斥實(shí)現(xiàn)，負(fù)剛度機(jī)構(gòu)采用磁鐵異極相吸實(shí)現(xiàn)，正剛度機(jī)構(gòu)和/或負(fù)剛度機(jī)構(gòu)中的磁鐵為電磁鐵。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的水平二自由度隔振機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述磁浮單元包括上、 下兩個(gè)正負(fù)剛度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，兩個(gè)正負(fù)剛度并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的正剛度機(jī)構(gòu)極性布置方向相反。
3 根據(jù)權(quán)利要求2所述的水平二自由度隔振機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述正負(fù)剛度并聯(lián)機(jī) 構(gòu)包括一由鐵磁性材料構(gòu)成的懸浮桿，懸浮桿內(nèi)設(shè)有一內(nèi)磁鐵；懸浮桿的兩側(cè)以內(nèi)磁鐵為 中心對(duì)稱設(shè)有一對(duì)外磁鐵，外磁鐵對(duì)與內(nèi)磁鐵相鄰側(cè)極性相同構(gòu)成正剛度機(jī)構(gòu)，外磁鐵對(duì) 與懸浮桿構(gòu)成負(fù)剛度機(jī)構(gòu)，內(nèi)磁鐵和/或外磁鐵對(duì)采用電磁鐵。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的水平二自由度隔振機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述正負(fù)剛度并聯(lián)機(jī) 構(gòu)包括一懸浮桿，懸浮桿內(nèi)設(shè)有兩塊內(nèi)磁鐵，兩塊內(nèi)磁鐵的極性布置方向相反；懸浮桿的兩 側(cè)以兩內(nèi)磁鐵為中心對(duì)稱設(shè)有一對(duì)外磁鐵；外磁鐵對(duì)與其中一塊內(nèi)磁鐵相鄰側(cè)極性相同構(gòu) 成正剛度機(jī)構(gòu)，外磁鐵對(duì)與另一塊內(nèi)磁鐵相鄰側(cè)極性相異構(gòu)成負(fù)剛度機(jī)構(gòu)，內(nèi)磁鐵和/或 外磁鐵對(duì)采用電磁鐵。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的水平二自由度隔振機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述正負(fù)剛度并聯(lián)機(jī) 構(gòu)包括一懸浮桿，懸浮桿內(nèi)設(shè)有兩塊內(nèi)磁鐵，懸浮桿兩側(cè)以其中一塊內(nèi)磁鐵為中心設(shè)有一 對(duì)外磁鐵，該外磁鐵對(duì)與內(nèi)磁鐵相鄰側(cè)極性相同構(gòu)成正剛度機(jī)構(gòu)；懸浮桿兩側(cè)以另一塊內(nèi) 磁鐵為中心設(shè)有另一對(duì)外磁鐵，該外磁鐵對(duì)與內(nèi)磁鐵相鄰側(cè)極性相異構(gòu)成負(fù)剛度機(jī)構(gòu)，內(nèi) 磁鐵或外磁鐵對(duì)采用電磁鐵。
全文摘要
本發(fā)明提供一種水平二自由度隔振機(jī)構(gòu)，包括一連接板，連接板中心插有活塞桿，圓盤的沿周均勻安放有四個(gè)磁浮單元。利用磁鐵(包括電磁鐵和永磁體)的同極相斥產(chǎn)生的正剛度特性，以及磁鐵異極相吸產(chǎn)生的負(fù)剛度特性，將磁浮單元設(shè)計(jì)為正負(fù)剛度并聯(lián)的水平二自由度隔振系統(tǒng)。由于正負(fù)剛度并聯(lián)使剛度相互抵消，因此，該水平二自由度隔振機(jī)構(gòu)擁有接近零的固有剛度，從而實(shí)現(xiàn)超低頻水平隔振。
文檔編號(hào)F16F15/03GK101709763SQ20091027318
公開日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2009年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月10日
發(fā)明者劉雷鈞, 廖飛紅, 徐振高, 曾理湛, 李小平, 李巍, 羅欣, 陳學(xué)東 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)