專利名稱：一種低頻兩自由度水平隔振機構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種低頻隔振機構，主要用于光學、聲學、半導體制造、精密測量和超精密領域中小型儀器設備的超低頻隔振。
背景技術：
半導體制造裝置、精密儀器、三維或六維測試設備等相關領域，為了達到較好的使用效果，必須安裝在能隔離微小基底擾動的平臺上。通常情況下，與精密儀器相關的設備安裝在空氣彈簧振動隔離平臺上。為了提高振動隔離系統(tǒng)隔振性能，必須減小固有頻率。為了減小空氣彈簧固有頻率，空氣彈簧上下腔室空間比例必須足夠小。然而同樣的理論并不能使水平方向的固有頻率減小。通常，為了減小振動隔離設備水平方向固有頻率，我們可以在空氣彈簧上面或者下面放置剛度較小的層疊橡膠。此外，層疊橡膠也被用于由于地基振動導致的設備振動的振動抑制設備，振動免疫設備，振動隔離系統(tǒng)中。但是，層疊橡膠具有一定的缺陷，當負載質量改變時，固有頻率也隨之改變；此外，由于剪切變形導致的負載放 置區(qū)域減小，負載放置可能會表現(xiàn)出不穩(wěn)定。目前水平隔振機構有三線擺、倒擺與彈簧結合和正倒擺結合等結構形式，都是很優(yōu)秀的水平隔振裝置，但其空間利用率較低，且機構高度過大，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的旨在提出一種低頻兩自由度水平隔振機構，并要求其固有頻率不隨負載質量變化而變化，同時在結構發(fā)生微小位移時能穩(wěn)定支撐負載，并有效減小結構體積和高度。本發(fā)明的技術方案如下一種低頻兩自由度水平隔振機構，其特征在于兩自由度水平隔振機構包括上支撐板、下支撐板和剛性球，上支撐板設有上支撐板圓弧，下支撐板設有下支撐板圓弧，剛性球設置在上支撐板圓弧和下支撐板圓弧之間，且上支撐板圓弧的圓心、剛性球的球心和下支撐板圓弧的圓心三點位于同一豎直線上；上支撐板圓弧和下支撐板圓弧的半徑均大于剛性球的半徑。上述技術方案中，所述的上支撐板圓弧和下支撐板圓弧的半徑相同或不同；上支撐板圓弧深度hi和下支撐板圓弧深度h2相同或不同，且兩圓弧深度之和小于剛性球的直徑。本發(fā)明的另一技術特征是上支撐板圓弧和下支撐板圓弧兩端延伸面為斜面、水平面或圓弧面。為了增加負載承受能力，本發(fā)明還提供了一種低頻兩自由度水平隔振系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)是由三個以上所述的低頻兩自由度水平隔振機構并聯(lián)而成，且構成正多邊形或矩形。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點及突出性效果該發(fā)明的水平方向固有頻率與負載質量無關，并且由于支撐面為剛體，強度足夠大，不會發(fā)生明顯變形，因此支撐面很穩(wěn)定；另外，該發(fā)明結構比較簡單緊湊，可以通過增加上支撐板圓弧和下支撐板圓弧深度來降低結構的整體高度，并且很容易通過優(yōu)化相關結構尺寸以減小水平固有頻率。


圖I為本發(fā)明提供的低頻兩自由度水平隔振機構受到外部擾動發(fā)生偏移時的位置圖。圖2為低頻兩自由度水平隔振機構處于平衡時的位置圖。圖3為本發(fā)明提供的有四個低頻兩自由度水平隔振機構并聯(lián)組成隔振系統(tǒng)的外觀圖。圖中1-剛性球；2_下支撐板圓??；3_上支撐板圓??；4_下支撐板；5_上支撐板；hi-上支撐板圓弧深度；h2-下支撐板圓弧深度；C1-剛性球球心；C2-下支撐板圓弧圓心；C3-上支撐板圓弧圓心；R1_剛性球半徑；R2-下支撐板圓弧半徑；R3-上支撐板圓弧半徑；A-平衡位置時剛性球與下支撐板圓弧接觸點；B-平衡位置時剛性球與上支撐板圓弧接觸點；A1-偏移位置時剛性球與下支撐板圓弧接觸點；B1-偏移位置時剛性球與上支撐板圓弧接觸點；α -下支撐板圓弧偏移角度；β -上支撐板圓弧偏移角度；Θ -偏移位置時剛性球球心與上支撐板圓弧圓心連線和剛性球與下支撐板圓弧圓心連線的夾角。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
和結構原理做進一步的說明本發(fā)明提供的低頻兩自由度水平隔振機構包括3個部分上支撐板5、剛性球I和下支撐板4，上支撐板5設有上支撐板圓弧3，下支撐板4設有下支撐板圓弧2，剛性球I放置于上支撐板圓弧3和下支撐板圓弧2之間，上支撐板圓弧的圓心C3、剛性球的球心Cl和下支撐板圓弧的圓心C2三點位于同一豎直線上，上支撐板圓弧3和下支撐板圓弧2的半徑均應大于剛性球I的半徑；兩個圓弧半徑根據(jù)需要可以相同也可以不同。由于外界擾動，剛性球I能相對于兩個圓弧做純滾動運動，剛性球滾動過程中保持兩個圓弧圓心C2和C3分別與剛性球的球心Cl位于同一條直線上；兩圓弧半徑不同時，兩條直線不重合，兩圓弧半徑相同時，兩條直線重合。此時剛性球I受到來自重力作用下的恢復力矩，使剛性球恢復到原平衡位置，也可以認為上支撐板5或者下支撐板4受到恢復力作用恢復到原平衡位置，由于剛性球I與上、下圓弧做相對純滾動運動，因此只要其中任何一個恢復到平衡位置，整個機構就會恢復到平衡位置。為了達到較好的隔振效果，要求剛性球I、上支撐板圓弧3和下支撐板圓弧2的剛度很大，不能因為擠壓發(fā)生太大形變；同時要求剛性球I與上支撐板圓弧3和下支撐板圓弧2接觸面非常光滑；另外，安裝時盡量保證上支撐板圓弧3、剛性球I和下支撐板圓弧2圓心三點位于同一豎直線上。本發(fā)明的結構原理如下當機構處于平衡位置，上支撐板圓弧3的圓心、剛性球I的球心、下支撐板圓弧2的圓心位于同一豎直線上，剛性球I與上支撐板圓弧3和下支撐板圓弧2為點接觸(R2>R1, R3>R1);為了保證上支撐板5和下支撐板4不會接觸，要求上支撐板圓弧深度hi和下支撐板圓弧深度h2之和應小于剛性球的直徑(hl+h2〈2*Rl)，由于機構發(fā)生偏移時，垂直方向高度會小幅增加，故而可以保證上支撐板5和下支撐板4不接觸。如圖I和圖2所示，上支撐板圓弧3和下支撐板圓弧2分別與剛性球I的上下表面點接觸，負載M放置于上支撐板5上面，下支撐板4放置于地板上，當機構受到外來擾動時，剛性球可相對于上支撐板圓弧3和下支撐板圓弧2做相對純滾動，由于結構特性，上支撐板圓弧的圓心C3、剛性球球心Cl以及上支撐板圓弧與剛性球的接觸點BI始終位于同一條直線上；下支撐板圓弧的圓心C2、剛性球球心Cl以及下支撐板圓弧與剛性球的接觸點Al也始終位于同一條直線上。為了更具一般性，我們假設上支撐板圓弧3和下支撐板圓弧2半徑不同，同時假設認為R3>R2。由圖可知，A，B兩點為處于平衡位置時剛性球I與下支撐板圓弧2和上支撐板圓弧3的接觸點，AUBl為機構受到擾動偏移后剛性球I與下支撐板圓弧2、上支撐板圓弧3的接觸點，顯然剛性球I的圓弧AAl與BBl不相等，則可以得到
ο α > Ia = —^~*β(I)
R2-R1其中，公式中所有參數(shù)均與

中意義相同。正是由于下支撐板4受到來自地基的擾動導致上支撐板5和負載M產生平移，但此處假設下支撐板4不動，以此來建立負載M的運動方程。此時，由于只考慮負載M受到來自水平方向的擾動，負載M不會旋轉，實際只有三個以上機構并聯(lián)相互約束時才不會旋轉，單獨一個機構會旋轉。由于負載M和上支撐板5固定連接，負載M和上支撐板5具有相同運動。當上支撐板5上面負載M做水平方向運動，機構水平方向位移X關于α和β的方程如下式(2)所示。X= (R3-R1) sin β + (R2-R1) sin α(2)當負載M由于擾動在水平方向發(fā)生位移X時，剛性球I上表面會相對于上支撐板圓弧3做純滾動，同時下表面會相對于下支撐板圓弧2做純滾動，剛性球的圓心會相對于平衡位置發(fā)生偏移，在負載M作用下，剛性球會受到一個相對于點BI的恢復力矩，這樣可以通過拉格朗日方程得到機構水平方向固有頻率
「 f I Ig (R2 + R3-2^Rl)f =——J----ii)
4π] (N2 - Nl)(N3- NI)如果R2與R3相等，則固有頻率有如下形式f 二在(4)
4π M R2-RI從方程(3)可以很明顯的看出，該機構水平方向的固有頻率由下支撐板圓弧的半徑R2和上支撐板圓弧的半徑R3及剛性球的半徑Rl決定，和負載質量M無關。因此，可以通過優(yōu)化相關參數(shù)，進而使機構的水平方向的固有頻率足夠小。
權利要求
1.一種低頻兩自由度水平隔振機構，其特征在于該機構包括上支撐板(5)、剛性球(1)和下支撐板(4)，上支撐板(5)設有上支撐板圓弧(3)，下支撐板(4)設有下支撐板圓弧(2)，剛性球(I)設置在上支撐板圓弧(3)和下支撐板圓弧(2)之間，且上支撐板圓弧的圓心、剛性球的球心和下支撐板圓弧的圓心三點位于同一豎直線上；上支撐板圓弧(3)和下支撐板圓弧(2)的半徑均大于剛性球(I)的半徑。
2.按照權利要求I所述的一種低頻兩自由度水平隔振機構，其特征在于上支撐板圓弧(3)深度hi和下支撐板圓弧(2)深度h2相同或不同，且兩圓弧深度之和小于剛性球(I)的直徑。
3.按照權利要求I或2所述的一種低頻兩自由度水平隔振機構，其特征在于上支撐板圓弧(3)和下支撐板圓弧(2)的半徑相同或不同。
4.按照權利要求I所述的一種低頻兩自由度水平隔振機構，其特征在于上支撐板圓弧(3)和下支撐板圓弧(2)兩端延伸面為斜面、水平面或圓弧面。
5.一種低頻兩自由度水平隔振系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)由三個以上如權利要求I所述的低頻兩自由度水平隔振機構并聯(lián)而成，且構成正多邊形或矩形。
全文摘要
一種低頻兩自由度水平隔振機構，包括上支撐板、剛性球和下支撐板三個部分，在上支撐板設有上支撐板圓弧，在下支撐板設有下支撐板圓弧，剛性球位于兩個圓弧中間，上支撐板圓弧與剛性球點接觸，下支撐板圓弧與剛性球點接觸。當下支撐板受到來自基底的外力產生水平方向位移，剛性球會相對于下支撐板圓弧做純滾動，從而引起上支撐板圓弧相對于球做純滾動，整個機構會相對于原平衡位置產生偏移，在機構和負載重力作用下，機構會恢復到原平衡位置。該水平隔振機構具有結構簡單緊湊、空間利用率高、固有頻率和負載無關等特性。
文檔編號F16F7/00GK102927183SQ20121039089
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月15日 優(yōu)先權日2012年10月15日
發(fā)明者朱煜, 徐登峰, 管高峰, 董桂清, 李強, 曹勝, 閆永固, 黎遠成 申請人:清華大學, 北京華卓精科科技有限公司