本發(fā)明涉及一種氣浮式大負(fù)載低剛度隔振結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法，本發(fā)明屬于精密儀器振動隔離控制。

背景技術(shù)：

1、隨著精密加工、精密測量以及航空航天技術(shù)的發(fā)展，對機械結(jié)構(gòu)的動態(tài)穩(wěn)定性和抗振性、超微細(xì)測試加工精度及科學(xué)實驗環(huán)境提出了更加嚴(yán)格的要求，尤其是一些超精密加工裝備和微電子裝備對防微振的要求越來越高。對微小振動的控制和隔離，已經(jīng)成為很多尖端科技應(yīng)用的瓶頸。

2、微電子技術(shù)向大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路方向不斷發(fā)展，其電路集成度不斷提高[1]。先進(jìn)半導(dǎo)體制程中的晶圓尺寸從150mm增加到300mm，而刻線特征尺寸則由130nm降低到45nm，其工件臺位置測量環(huán)節(jié)的相對測量不確定度從10-7提高到10-8量級。這些精度要求的實現(xiàn)無一例外都依賴于隔微振技術(shù)及裝置。而在航空航天工業(yè)中，相關(guān)設(shè)備和裝備的加工，裝配和試驗等環(huán)節(jié)對于尺寸和精度的要求越來越嚴(yán)格。相關(guān)的精度要求已從之前的微米量級向百納米量級邁進(jìn)，這意味著其測量環(huán)節(jié)的不確定度要求也被大幅提高了，有時甚至要求納米和亞納米級精度。以大型天文望遠(yuǎn)鏡拋物面反射鏡加工為例，其最大加工尺寸要求長達(dá)數(shù)米，同時面形加工精度要求高于λ/10，幾何形狀誤差小于0.05μm；lodtm大型光學(xué)金剛石切削車床主要可以用于激光核聚變中大型光學(xué)鏡頭的加工，其對1.625m大型天體望遠(yuǎn)鏡的加工精度可達(dá)0.025μm。lodtm車床的減振環(huán)節(jié)使用了花崗巖底座，空氣減振墊，單獨地基等技術(shù)，保證了加工的高精度要求。

3、

4、作為精密加工，精密測量，精密實驗等方面必不可少的核心部件——擁有顯著隔振效果的隔振裝備必將成為提升信息裝備業(yè)核心技術(shù)之一。

5、根據(jù)線性振動理論，當(dāng)激勵頻率超過系統(tǒng)固有頻率的倍時，線性隔振系統(tǒng)才能有效隔振來自地基的低頻振動。因此降低系統(tǒng)固有頻率可以提高隔振性能，這可以通過降低系統(tǒng)剛度或增加系統(tǒng)有效載荷質(zhì)量來實現(xiàn)，但會削弱隔振系統(tǒng)的負(fù)載能力和穩(wěn)定性，二者存在相互制約的關(guān)系，因此在二者之間的設(shè)計權(quán)衡是不可避免的。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決在超精密加工、航空航天技術(shù)以及微電子制造中，如何有效的控制和隔離微小振動的問題，進(jìn)而提出一種氣浮式大負(fù)載低剛度隔振結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法。

2、本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是：

3、本發(fā)明包括隔振器上板、隔振器下板、隔振器內(nèi)腔，所述隔振器內(nèi)腔位于隔振器上板和隔振器下板之間，且隔振器內(nèi)腔的上端通過轉(zhuǎn)動件與隔振器上板的下表面中部連接。

4、進(jìn)一步的，所述隔振器內(nèi)腔包括隔振器內(nèi)缸和隔振器外缸，隔振器內(nèi)缸和隔振器外缸由內(nèi)至外設(shè)置，所述隔振器內(nèi)缸的上端通過轉(zhuǎn)動件與隔振器上板連接。

5、進(jìn)一步的，所述轉(zhuǎn)動件包括橡膠鉸鏈、上頂針和下頂針，橡膠鉸鏈的上端通過上頂針與隔振器上板的下表面連接，橡膠鉸鏈的下端通過下頂針與隔振器內(nèi)缸的上端連接。

6、進(jìn)一步的，所述轉(zhuǎn)動件為球碗軸承。

7、進(jìn)一步的，隔振器外缸的下部設(shè)有外缸氣孔。

8、進(jìn)一步的，隔振器內(nèi)缸的下部設(shè)有內(nèi)缸環(huán)帶。

9、進(jìn)一步的，隔振器內(nèi)缸的側(cè)壁設(shè)有徑向氣浮孔；隔振器外腔的底部設(shè)有豎直向氣浮孔。

10、進(jìn)一步的，所述隔振器下板上設(shè)有進(jìn)氣孔。

11、一種氣浮式大負(fù)載低剛度隔振結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，它包括如下步驟：

12、步驟一、確定隔振系統(tǒng)負(fù)載質(zhì)量m、垂向固有頻率w；

13、步驟二、根據(jù)固有頻率和負(fù)載質(zhì)量反算隔振器內(nèi)腔的垂向剛度大小，三者之間的關(guān)系如下所示

14、

15、其中，m為負(fù)載質(zhì)量，w為垂向固有頻率，k為垂向剛度；

16、步驟三、依據(jù)隔振器內(nèi)腔的剛度確定隔振器內(nèi)腔的具體參數(shù)，隔振器內(nèi)腔的剛度公式表示為下式，

17、

18、其中a為隔振器內(nèi)腔的有效作用面積，v0為隔振器內(nèi)腔的氣室體積大小，k為氣體常數(shù)，patm為大氣壓；

19、步驟四、根據(jù)確定的隔振器內(nèi)腔面積設(shè)計隔振器內(nèi)腔外壁形狀尺寸以及隔振器外腔內(nèi)壁形狀尺寸，并合理設(shè)計隔振器內(nèi)腔的內(nèi)部形狀和隔振器外腔的外部形狀；

20、步驟五、根據(jù)所設(shè)計的具體尺寸計算隔振器內(nèi)腔在不同擴容氣室體積下的剛度范圍，再計算系統(tǒng)的固有頻率，觀察是否滿足使用需求，若是不滿足則進(jìn)一步降低隔振器內(nèi)腔的有效作用面積a并重新設(shè)計步驟3；

21、步驟六、對外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

22、本發(fā)明的有益效果是：

23、1、本發(fā)明采用非接觸式氣浮支承結(jié)合隔振器內(nèi)腔串聯(lián)的結(jié)構(gòu)；

24、2、2、本發(fā)明隔振器內(nèi)腔的軸向剛度極低，可以保證隔振器的負(fù)載能力和較低的剛度；

25、3、該被動氣浮式減振器綜合利用氣浮支承和空氣彈簧的優(yōu)點，在垂向上兼顧大負(fù)載和低剛度的特點，在徑向上達(dá)到零剛度，具有極高的被動隔振價值；

26、4、本發(fā)明兼顧負(fù)載能力大、剛度極低、隔振效高的優(yōu)點，能滿足大負(fù)載系統(tǒng)的隔振需求，同時其徑向理論剛度接近于零。

技術(shù)特征：

1.一種氣浮式大負(fù)載低剛度隔振結(jié)構(gòu)，其特征在于：包括隔振器上板(1)、隔振器下板(2)、隔振器內(nèi)腔，所述隔振器內(nèi)腔位于隔振器上板(1)和隔振器下板(2)之間，且隔振器內(nèi)腔的上端通過轉(zhuǎn)動件與隔振器上板(1)的下表面中部連接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣浮式大負(fù)載低剛度隔振結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述隔振器內(nèi)腔包括隔振器內(nèi)缸(3)和隔振器外缸(4)，隔振器內(nèi)缸(3)和隔振器外缸(4)由內(nèi)至外設(shè)置，所述隔振器內(nèi)缸(3)的上端通過轉(zhuǎn)動件與隔振器上板(1)連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種氣浮式大負(fù)載低剛度隔振結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述轉(zhuǎn)動件包括橡膠鉸鏈(5)、上頂針(6)和下頂針(7)，橡膠鉸鏈(5)的上端通過上頂針(6)與隔振器上板(1)的下表面連接，橡膠鉸鏈(5)的下端通過下頂針(7)與隔振器內(nèi)缸(3)的上端連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種氣浮式大負(fù)載低剛度隔振結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述轉(zhuǎn)動件為球碗軸承(8)。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種氣浮式大負(fù)載低剛度隔振結(jié)構(gòu)，其特征在于：隔振器外缸(4)的下部設(shè)有外缸氣孔(4-1)。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種氣浮式大負(fù)載低剛度隔振結(jié)構(gòu)，其特征在于：隔振器內(nèi)缸(3)的下部設(shè)有內(nèi)缸環(huán)帶(3-1)。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種氣浮式大負(fù)載低剛度隔振結(jié)構(gòu)，其特征在于：隔振器內(nèi)缸(3)的側(cè)壁設(shè)有徑向氣浮孔(3-1)；隔振器外腔(4)的底部設(shè)有豎直向氣浮孔(4-2)。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣浮式大負(fù)載低剛度隔振結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述隔振器下板(2)上設(shè)有進(jìn)氣孔(2-1)。

9.一種氣浮式大負(fù)載低剛度隔振結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于，它包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
一種氣浮式大負(fù)載低剛度隔振結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法，本發(fā)明為解決在超精密加工、航空航天技術(shù)以及微電子制造中，如何有效的控制和隔離微小振動的問題，本發(fā)明包括隔振器上板、隔振器下板、隔振器內(nèi)腔，所述隔振器內(nèi)腔位于隔振器上板和隔振器下板之間，且隔振器內(nèi)腔的上端通過轉(zhuǎn)動件與隔振器上板的下表面中部連接。本發(fā)明綜合利用氣浮支承和空氣彈簧的優(yōu)點，在垂向上兼顧大負(fù)載和低剛度的特點，在徑向上達(dá)到零剛度，具有極高的被動隔振價值；兼顧負(fù)載能力大、剛度極低、隔振效高的優(yōu)點，能滿足大負(fù)載系統(tǒng)的隔振需求。本發(fā)明屬于精密儀器振動隔離控制技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：于程隆,李斌,李天一,趙勃,譚久彬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10