CN101709763B - 一种水平二自由度隔振机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水平二自由度隔振机构，包括一连接板，连接板中心插有活塞杆，圆盘的沿周均匀安放有四个磁浮单元。利用磁铁(包括电磁铁和永磁体)的同极相斥产生的正刚度特性，以及磁铁异极相吸产生的负刚度特性，将磁浮单元设计为正负刚度并联的水平二自由度隔振***。由于正负刚度并联使刚度相互抵消，因此，该水平二自由度隔振机构拥有接近零的固有刚度，从而实现超低频水平隔振。

Description

一种水平二自由度隔振机构

技术领域

本发明涉及半导体制造主动减振领域，特别是涉及一种水平二自由度隔振机构，能够主动抑制待加工件在水平二维方向的振动。

背景技术

美国专利US7290642采用磁浮原理设计了一种用于垂向隔振的正、负刚度并联装置。负刚度是指当质点偏离平衡位置时，所受的力与所发生的位移方向相同，有继续偏离平衡位置的趋势。而正刚度则是指当质点偏离平衡位置时，所受的力与所发生的位移方向相反，有回到平衡位置的趋势，该力称为回复力。该装置的正刚度机构由金属弹簧充当；负刚度机构由并行排列的两组永磁体及悬浮杆构成，其中，永磁体两两异极布置，悬浮杆中与各组永磁体对应位置处装有永磁小块，利用异极相吸的原理实现负刚度。正、负刚度机构之间通过连杆和片簧连接，起支撑和导向作用。永磁体之间距离可调，也可用电磁铁替换永磁体，以实现磁场强度可调，从而能使磁浮机构表现出线性负刚度。但该装置只能实现一个自由度的低刚度，只适用于垂向隔振，若用于水平隔振，则不能满足水平二自由度即X、Y向同时具有负刚度的要求。且整体机构复杂，控制难度大。

美国专利US5844664设计了一种主动减振装置，其垂向和水平向的低刚度分别通过空气弹簧和偏摆机构实现。偏摆机构由三根沿连接盘周向均匀布置的柔性杆组成，由于柔性杆能在垂直于杆件的各个方向产生弯曲变形，因此该偏摆机构能实现水平向两个自由度的隔振。但该装置为了获得水平低刚度以牺牲摆长为代价，而大摆长会导致该主动减振装置中空气弹簧活塞的体积较大，从而在整装置体积一定的情形下使附加气室的容积受限，进而对其垂向刚度产生负面影响。另外，仅用正刚度机构——偏摆，即使增大摆长，也难以获得较理想的水平超低刚度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水平二自由度隔振机构，能在水平二自由度方向实现刚度主动调节，从而达到水平超低频隔振。

一种水平二自由度隔振机构，包括一连接板，连接板中心插有活塞杆，连接板的沿周均匀安放有四个磁浮单元，活塞杆的底端分别与各磁浮单元弹性连接；其特征在于，磁浮单元包括由正刚度机构和负刚度机构并联构成正负刚度并联机构，正刚度机构采用磁铁同极相斥实现，负刚度机构采用磁铁异极相吸实现，正刚度机构和/或负刚度机构中的磁铁为电磁铁。

本发明的技术效果体现在：本发明利用磁铁(包括电磁铁和永磁体)的同极相斥产生的正刚度特性，以及磁铁异极相吸产生的负刚度特性，设计出正负刚度并联的水平二自由度隔振***。由于正负刚度并联使刚度相互抵消，因此，该水平二自由度隔振***拥有接近零的固有刚度。该水平二自由度***极低的固有刚度使其拥有极低的固有频率，从而可以实现超低频水平隔振。

附图说明

图1为本发明第一实施例的结构示意图。

图2为本发明第一实施例的俯视图。

图3为本发明第二实施例的局部结构示意图。

图4为本发明第三实施例的局部结构示意图。

图5为本发明第四实施例的结构示意图。

图6为本发明第四实施例的受力示意图。

图7为本发明第五实施例的俯视图。

具体实施方式

图1所示为本发明的用于水平二自由度隔振的零刚度机构的第一实施例的结构示意图。如图1中所示，1为永磁体对，由一对相同型号的永磁体1a、1b绕悬浮杆3对称布置。永磁体1a安装在垂向支撑腔体外壁10上，永磁体1b安装在垂向支撑腔体内壁11上，永磁体1a的S极与永磁体1b的N极相对。2为另一永磁体对，同样由一对与永磁体1a、1b相同型号的永磁体2a、2b绕悬浮杆3对称布置。永磁体2a与永磁体1a相邻，安装在垂向支撑腔体外壁10上，永磁体2b与永磁体1b相邻，安装在垂向支撑腔体内壁11上，永磁体2a的N极与永磁体2b的S极相对。悬浮杆3由铁磁性材料制成，内装有电磁铁3a、3b，电磁铁3a的S极与永磁体1a的S极相对，其N极与永磁体1b的N极相对；电磁铁3b的N极与永磁体2a的N极相对，其S极与永磁体2b的S极相对。悬浮杆3通过锁紧螺钉5安装在圆盘状连接板4上。永磁体1、2和悬浮杆3共同组成一个水平向磁浮单元13。图中6为活塞板，用于承受载荷。活塞杆7上端与活塞板6固接，下端与活塞底盘8固接。活塞底盘8由垂向支撑装置14支撑。活塞杆7与垂向支撑腔体内壁11之间留有间隙12。活塞底盘8与垂向支撑腔体内壁11之间通过弹性膜9连接。

图2为本发明的第一实施例的俯视图。如图2中所示，连接板设计4个螺纹孔，沿周向相隔90度均匀布置(X轴、Y轴各两个)，用于安装4根悬浮杆3。与各悬浮杆3对应位置处安装有4个磁浮单元13。

由于悬浮杆3是铁磁性材料(铁、钴、镍及其合金等能直接产生磁性或能被磁化的材料，其磁化率为正值)，永磁体1、2与悬浮杆3相互吸引，表现为负刚度。当悬浮杆3处于平衡位置时，永磁体1a、2a对其的吸引力与永磁体1b、2b对其的吸引力相互平衡。每个磁浮单元中设计两对永磁体的目的在于平衡由负载倾斜引起的活塞转矩。而之所以上下两个单元的磁极布置得不完全一样，是因为该种磁极布置方式使得同一侧(外壁或内壁)相邻磁体之间是异极相吸，可减少漏磁，从而在一定程度上减弱磁场的非线性。如图2所示布置4个磁浮单元13的目的在于同时实现水平两个方向的负刚度。

通过在悬浮杆3中安装电磁铁3a、3b(电磁铁的极性与同侧永磁体的极性相同)，利用电磁铁与永磁体同极互相排斥的原理，可实现正刚度机构。该正刚度机构与永磁体和悬浮杆的铁磁性材料组成的负刚度机构共同作用，即可实现水平向正、负刚度并联。并且，电磁铁的应用，使得该水平隔振机构可通过闭环控制，实现水平两方向刚度实时调节，因此，能获得较理想的超低刚度特性。

图3是本发明的第二实施例。如图3所示，15为由非磁性材料制成的悬浮杆，悬浮杆15中安装4块型号相同的电磁铁15a、15b、15c、15d。其中，电磁铁15b的极性布置方向与第一实施例中的电磁铁3a相同；电磁铁15a的极性布置方向与电磁铁15b的极性布置方向相反，即电磁铁15a的N极与永磁体1a的S极相对，其S极与永磁体1b的N极相对。同样，电磁铁15c的极性布置方向与第一实施例中电磁铁3b相同，电磁铁15d的极性布置方向与电磁铁15c的极性布置方向相反，即电磁铁15d的S极与永磁体2a的N极相对，其N极与永磁体2b的S极相对。电磁铁15b、15c分别与永磁体1a、1b和2a、2b之间同极相互排斥，实现了正刚度；而电磁铁15a、15d分别与永磁体1a、1b和2a、2b之间异极相互吸引，实现了负刚度。因此，该实施例同样实现了正、负刚度的并联。

与第一实施例相比，其优点在于：

1.能进行正、负刚度同时调节，从而能在更短的时间内获得较理想的超低刚度特性，并能显著提高调节精度；

2.悬浮杆采用非磁性材料，能减弱相邻电磁铁之间的串扰，使磁浮单元的非线性特性得到改善。

图4为本发明的第三实施例。如图4所示，悬浮杆16中安装有永磁体16a、16b、16c、16d。永磁体16a、16b位于电磁铁17a、17b构成的磁场中，永磁体16c、16d位于电磁铁18a、18b构成的磁场中，实现了正、负刚度并联。与本发明的第二实施例相比，其优点在于电磁铁安装在垂向支撑腔壁上，能避免电磁铁的连接线缆对水平减振效果的不良影响，进一步优化水平向减振性能。

图5为本发明的第四实施例。该实施例是结合第一实施例和第三实施例作出的优化。如图5所示，悬浮杆19、20采用非磁性材料制成，二者以活塞杆为中心轴对称布置。19a、19b为安装在悬浮杆19中的永磁体，20a、20b为安装在悬浮杆20中的永磁体。图中所有永磁体的磁极布置方向均相同。永磁体19a与电磁铁对17(由电磁铁17a和17b组成)同极互斥，表现为正刚度；永磁体19b与电磁铁对18异极互吸，表现为负刚度。从而在磁浮单元13中实现了正、负刚度并联。悬浮杆20中的永磁体20a、20b分别与电磁铁对21、22形成负刚度和正刚度单元。

采用如图5所示的布置是为了平衡活塞所受的转矩。图6为活塞的受力示意图(以活塞产生沿X轴正向的偏移为例)。永磁体19a所受斥力F1沿X轴负向，永磁体19b所受吸引力F2沿X轴正向，对悬浮杆19而言，存在逆时针转矩；同理，对悬浮杆20而言，存在由F3、F4引起的顺时针转矩。由于悬浮杆19和20通过连接板4刚性连接，悬浮杆19上的逆时针转矩与悬浮杆20上的顺时针转矩相互抵消，因此，活塞沿X方向合转矩为零。沿Y轴方向的磁铁布置以及受力与X轴方向相同。

该设计使得悬浮杆中永磁体的安装更为方便，且能减少所需磁铁的数量，节约成本。图7为本发明的第五实施例。如图7所示，即将第一实施例中的连接板改为正方形板23。

Claims (5)

1.一种水平二自由度隔振机构，包括一连接板，连接板中心插有活塞杆，连接板的沿周均匀安放有四个磁浮单元，活塞杆的底端分别与各磁浮单元弹性连接；其特征在于，磁浮单元包括悬浮杆，在悬浮杆内设置内磁铁，悬浮杆两侧以内磁铁为中心对称设置外磁铁，外磁铁与内磁铁间形成相邻磁极同极相斥的正刚度机构和相邻磁极异极相吸的负刚度机构，正刚度机构和负刚度机构并联构成正负刚度并联机构，内磁铁和/或外磁铁为电磁铁。

2.根据权利要求1所述的水平二自由度隔振机构，其特征在于，所述磁浮单元包括上、下两个正负刚度并联机构，两个正负刚度并联机构中的正刚度机构极性布置方向相反。

3.根据权利要求1所述的水平二自由度隔振机构，其特征在于，所述悬浮杆内设有两块内磁铁，两块内磁铁的极性布置方向相反；悬浮杆的两侧以两内磁铁为中心对称设有一对外磁铁；外磁铁对与其中一块内磁铁相邻侧极性相同构成正刚度机构，外磁铁对与另一块内磁铁相邻侧极性相异构成负刚度机构。

4.根据权利要求1所述的水平二自由度隔振机构，其特征在于，所述悬浮杆内设有两块内磁铁，悬浮杆两侧以其中一块内磁铁为中心设有一对外磁铁，该外磁铁对与内磁铁相邻侧极性相同构成正刚度机构；悬浮杆两侧以另一块内磁铁为中心设有另一对外磁铁，该外磁铁对与内磁铁相邻侧极性相异构成负刚度机构。

5.一种水平二自由度隔振机构，包括一连接板，连接板中心插有活塞杆，连接板的沿周均匀安放有四个磁浮单元，活塞杆的底端分别与各磁浮单元弹性连接；其特征在于，磁浮单元包括悬浮杆，所述悬浮杆由铁磁性材料构成，悬浮杆内设有一内磁铁；悬浮杆的两侧以内磁铁为中心对称设有一对外磁铁，外磁铁对与内磁铁相邻侧极性相同构成正刚度机构，外磁铁对与悬浮杆构成负刚度机构。

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