《基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置》是哈爾濱工業大學於2012年6月9日申請的專利，該專利的申請號為2012102012841，公布號為CN102734379A，授權公布日為2012年10月17日，發明人是王雷、譚久彬、聞榮偉、趙勃、楊遠源。
《基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置》屬於超精密測量與超精密加工裝備，該裝置包括隔離平台、中間套筒和基座；隔離平台支撐負載對象，中間套筒支撐隔離平台，基座支撐中間套筒，基座放置在固定基礎上，各部分之間採用磁浮與靜壓氣浮複合作用的支撐方式；該發明利用靜壓氣浮的大承載以及磁浮的負剛度特點，通過速度閉環控制方法使該隔振裝置機構剛度的調節實現自動化，且對來自外界環境振動與負載擾動產生的內部振動有抑制作用。
2016年12月7日，《基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置
- 公布號：CN102734379A
- 授權日：2012年10月17日
- 申請號：2012102012841
- 申請日：2012年6月9日
- 申請人：哈爾濱工業大學
- 地址：黑龍江省哈爾濱市南崗區西大直街92號
- 發明人：王雷、譚久彬、聞榮偉、趙勃、楊遠源
- Int.Cl.：F16F15/03(2006.01)I；F16F15/023(2006.01)I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
在超精密計量測試和超精密加工領域中，具有高質量水平姿態的平台是進行精密測量和大規模積體電路製造的基本保證。高質量水平姿態氣浮隔振平台的套用十分廣泛。在生物科學、電子光學、精密機械加工、理化試驗及其研究相關的工廠中，平台的水平姿態控制會影響到機器設備的測量實驗結果和儀表器械的使用性能，並且會直接影響氣浮隔振平台對振動的抑制性能。隨著超精密測量儀器和超精密加工製造設備的精度等級的提高，環境振動對儀器設備的影響越來越大。氣浮隔振平台作為新興的隔振設備也隨著精密儀器製造業的發展而發展，特別是隨著超大規模積體電路製造業的高速發展以及對測量精度和測量穩定性要求的不斷提高。
對於超精密測量儀器和超精密加工製造裝備產生干擾的振動頻率主要在0.8～100赫茲內的低頻振動；同時作為干擾振源主要包括兩類，分別是來自祝去棵外界環境的振動和來自被控對象本身產生的振動。被動隔振器從原理上依靠降低其固有頻率，濾掉來自外界的振動，隔振效果取決於其固有頻率的大小。但是固有頻率與隔振器剛度算術平方根成正潤紋斷整比，即固有頻率越小剛度越小。對於負載帶來的擾動振源被動隔振器是無法抑制的。主動控制的隔振系統對於解決超低頻微幅隔振非常有效，同時選擇合適的結構和控制策略可實現對負載帶來的匪愉翻擾動進行抑制。基於負剛度原理的隔振器在保證系統承載能力的同時，有效降低了機構的剛度，從而使得整個隔振器的固有頻率降低，隔振頻帶加寬，提高了隔 振能力。採用電磁執行器的負剛度結構的隔振器，電磁執行器採用速度或電流閉環控制方法，可實現隔振器機構剛度的自動調節，即機構剛度由小到無窮大的調節。這樣通過對隔振器機構剛度的調節，可兼顧兩種類型的振源的抑制。日本埼玉大學的TaksehiMizuno等人提出基於零功率控制的主動控制方法及負剛度結構實現了隔振器的剛度無窮大，解決了隔振器負載擾動引入的振動抑制問題。但是該隔振器和方法無法實現對外界環境振動的抑制；其裝置中支撐元件採用的是機械彈簧和電磁執行器，受到體積大小的限制，隔振器的承載能力差，無法提供大承載；採用機械彈簧和電磁鐵作用隔振器位置精度控制達不到微米以及亞微米量級，對於超精密隔振特別是極大規模積體電路加工製造的隔振要求隔振器具有優異的隔振性能的同時還要具有超精密位置控制精度。2012年6月前基於主動或被動的隔振裝置均存在一個共性的問題，就是存在著結構複雜，製造成本高，需要性能優異的感測器和作動器等不利特點。
發明內容
專利目的
《基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置》的目的就是針對上述2012年6月前技術存在的問題，提出一種基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，該裝置採用靜壓氣浮與電磁磁浮複合支撐的結構，利用靜壓氣浮的大承載以及磁浮的負剛度特點，通過速度閉環控制實現隔振裝置機構剛度的調節，在滿足隔振性能的條件下實現大承載。
技術方案
《基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置》的目的是這樣實現的：
一種基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，所述裝置由隔離平台、中間套筒和基座構成；在基座內配裝帶有環形氣腔的中間套筒，在基座內位於中間套筒下方之間設有柱形氣腔，非接觸式垂直位移感測器B配裝在柱形氣腔內，在基座側壁上設有與柱形氣腔連通的基座進氣孔；在中間套筒上配置隔離平台，在察駝料中間套筒內側壁上設定與隔離平台相配合的內側靜壓氣浮節流孔，外側靜壓氣浮節流孔和中間套筒進氣孔設定在中間套筒的外側壁上，且外側靜壓氣浮節流孔與基座相配合，在中間套筒底側壁面和隔離平台底側壁面上分別相對配裝電磁線圈和永磁體；在中間套筒上端面配裝非接觸式垂直位移感測器A。
改善效果
《基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置》的特點和效果：
1）該發明利用靜壓氣浮的大承載以及磁浮的負剛度特點，在滿足隔振性能的條仔記嘗件下實現大承載，這是本方案區別於2012年6月前技術的特點之一；
2）該發明通過速度閉環控制方法使該隔振裝置機構剛度的實現自動控制，對來自外界環境振殃漿囑承動與負載擾動產生的內部振動均有抑制作用，這是本方案明顯區別於2012年6月前技術的特點之二。
附圖說明
附圖是基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振器總體結構示意圖。
圖中件號：1-隔離平台；2-中間套筒；3-基座；4-永磁體；5-電磁線圈；6-內側靜壓氣浮節流孔；7-非接觸式垂直位移感測器捉估A；8-外側靜壓氣浮節流孔；9-非接觸式垂直位移感測器B；10-基座進氣孔；11-中間套筒進氣孔；12-柱形氣腔；13-環形氣腔。
技術領域
《基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置》屬於超精密測量與超精密加工裝備，主要涉及一種基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振器。
權利要求
1.一種基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，其特徵在於所述裝置由隔離平台（1）、中間套筒（2）和基座（3）構成；在基座（3）內配裝帶有環形氣腔（13）的中間套筒（2），在基座（3）內位於中間套筒（2）下方之間設有柱形氣腔（12），非接觸式垂直位移感測器B（9）配裝在柱形氣腔（12）內，在基座（3）側壁上設有與柱形氣腔（12）連通的基座進氣孔（10）；在中間套筒（2）上配置隔離平台（1），在中間套筒（2）內側壁上設定與隔離平台（1）相配合的內側靜壓氣浮節流孔（6），外側靜壓氣浮節流孔（8）和中間套筒進氣孔（11）設定在中間套筒（2）的外側壁上，且外側靜壓氣浮節流孔（8）與基座（3）相配合，在中間套筒（2）底側壁面和隔離平台（1）底側壁面上分別相對配裝電磁線圈（5）和永磁體（4）；在中間套筒（2）上端面配裝非接觸式垂直位移感測器A（7）。
2.根據權利要求1所述的基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，其特徵在於非接觸式垂直位移感測器A（7）和非接觸式垂直位移感測器B（9）包括光學位移感測器、渦流位移感測器或電容位移感測器。
3.根據權利要求1所述的基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，其特徵在於永磁體（4）採用銣鐵硼材料。
4.根據權利要求1所述的基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，其特徵在於經中間套筒進氣孔（11）進入中間套筒（2）的環形氣腔（13）內的高壓氣體壓強為0.4～0.6兆帕。
5.根據權利要求1所述的基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，其特徵在於隔離平台（1）與中間套筒（2）和中間套筒（2）與基座（3）之間靜壓氣浮形成的氣膜厚度為7微米。
實施方式
下面結合附圖對《基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置》作進一步詳細說明：
一種基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，所述裝置由隔離平台1、中間套筒2和基座3構成；在基座3內配裝帶有環形氣腔13的中間套筒2，在基座3內位於中間套筒2下方之間設有柱形氣腔12，非接觸式垂直位移感測器B9配裝在柱形氣腔12內，在基座3側壁上設有與柱形氣腔12連通的基座進氣孔10；在中間套筒2上配置隔離平台1，在中間套筒2內側壁上設定與隔離平台1相配合的內側靜壓氣浮節流孔6，外側靜壓氣浮節流孔8和中間套筒進氣孔11設定在中間套筒2的外側壁上，且外側靜壓氣浮節流孔8與基座3相配合，在中間套筒2底側壁面和隔離平台1底側壁面上分別相對配裝電磁線圈5和永磁體4；在中間套筒2上端面配裝非接觸式垂直位移感測器A7。
所述的基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，非接觸式垂直位移感測器A7和非接觸式垂直位移感測器B9包括光學位移感測器、渦流位移感測器或電容位移感測器。
所述的基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，永磁體4採用銣鐵硼材料。
所述的基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，經中間套筒進氣孔11進入中間套筒2的環形氣腔13內的高壓氣體壓強為0.4～0.6兆帕。
基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，隔離平台1與中間套筒2和中間套筒2與基座3之間靜壓氣浮形成的氣膜厚度為7微米。
該裝置可以同時抑制外界環境的振動和負載自身的振動。該裝置可以單獨用於支撐負載，也可多個共同支撐一個負載平台，大型或結構複雜的系統可以放置在該負載平台上，從而起到對系統保護的作用。
隔離平台1和中間套筒2採用是磁浮與靜壓氣浮複合作用的支撐方式。隔離平台1垂向採用磁浮的方式，永磁體4安置於隔離平台1底部；電磁線圈5布置於中間套筒2內部底端；電磁線圈5和永磁體4共同產生的斥力在垂向支撐隔離平台1與中間套筒2。電磁線圈5和永磁體4產生的斥力承載隔離平台1，斥力的大小由電磁線圈5的匝數和永磁體4體積尺寸大小決定；永磁體採用銣鐵硼材料。
中間套筒2和基座3之間為徑向靜壓氣浮支撐。外側靜壓氣浮節流孔8等間隔的分布於中間套筒2內壁，噴射的氣體由環形氣腔13提供；高壓氣體經中間套筒進氣孔11進入環形氣腔13內，高壓氣體的壓強在0.4～0.6兆帕之間，具體值的大小由隔振裝置的負載重量決定。
基座3為《基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置》最外層，放置在固定基礎上，並且通過柱形氣腔12內的高壓氣體在垂向支撐中間套筒2。柱形氣腔12內氣壓壓強和中間套筒2底部的面積決定該發明的承載能力。氣體由基座進氣孔10流入柱形氣腔12內，實時補償柱形氣腔12內氣體的流失，並保證壓強的穩定。
非接觸式垂直位移感測器A7和非接觸式垂直位移感測器B9可採用光學、渦流或電容型感測器，非接觸式垂直位移感測器A7監測隔離平台1相對於中間套筒2的位移，非接觸式垂直位移感測器B9監測基座3相對於中間套筒2的位移。利用位移變化量控制電磁線圈輸入電流，使其輸出磁場大小改變，實現隔振裝置基於速度閉環的主動控制，即可以實現負剛度。如果隔離平台1自身干擾力為F方向向下，隔離平台1與中間套筒2通過主動控制實現負剛度，相對位移為正，隔離平台1相對中間套筒2上升；中間套筒2與基座3之間靜壓氣浮支撐為正剛度，相對位移為負，中間套筒2相對基座3下降；最終隔離平台1相對於基座3的位移變化可以忽略，這樣干擾力F對於隔離平台的擾動被抑制。如果電磁線圈不進行速度閉環控制，僅提供固定磁場用於平衡負載重量時，該裝置中的靜壓氣浮與磁浮相當於被動隔振原理，起到抑制外界振動的作用。
榮譽表彰
2016年12月7日，《基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
發明內容
專利目的
《基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置》的目的就是針對上述2012年6月前技術存在的問題，提出一種基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，該裝置採用靜壓氣浮與電磁磁浮複合支撐的結構，利用靜壓氣浮的大承載以及磁浮的負剛度特點，通過速度閉環控制實現隔振裝置機構剛度的調節，在滿足隔振性能的條件下實現大承載。
技術方案
《基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置》的目的是這樣實現的：
一種基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，所述裝置由隔離平台、中間套筒和基座構成；在基座內配裝帶有環形氣腔的中間套筒，在基座內位於中間套筒下方之間設有柱形氣腔，非接觸式垂直位移感測器B配裝在柱形氣腔內，在基座側壁上設有與柱形氣腔連通的基座進氣孔；在中間套筒上配置隔離平台，在中間套筒內側壁上設定與隔離平台相配合的內側靜壓氣浮節流孔，外側靜壓氣浮節流孔和中間套筒進氣孔設定在中間套筒的外側壁上，且外側靜壓氣浮節流孔與基座相配合，在中間套筒底側壁面和隔離平台底側壁面上分別相對配裝電磁線圈和永磁體；在中間套筒上端面配裝非接觸式垂直位移感測器A。
改善效果
《基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置》的特點和效果：
1）該發明利用靜壓氣浮的大承載以及磁浮的負剛度特點，在滿足隔振性能的條件下實現大承載，這是本方案區別於2012年6月前技術的特點之一；
2）該發明通過速度閉環控制方法使該隔振裝置機構剛度的實現自動控制，對來自外界環境振動與負載擾動產生的內部振動均有抑制作用，這是本方案明顯區別於2012年6月前技術的特點之二。
附圖說明
附圖是基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振器總體結構示意圖。
圖中件號：1-隔離平台；2-中間套筒；3-基座；4-永磁體；5-電磁線圈；6-內側靜壓氣浮節流孔；7-非接觸式垂直位移感測器A；8-外側靜壓氣浮節流孔；9-非接觸式垂直位移感測器B；10-基座進氣孔；11-中間套筒進氣孔；12-柱形氣腔；13-環形氣腔。
技術領域
《基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置》屬於超精密測量與超精密加工裝備，主要涉及一種基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振器。
權利要求
1.一種基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，其特徵在於所述裝置由隔離平台（1）、中間套筒（2）和基座（3）構成；在基座（3）內配裝帶有環形氣腔（13）的中間套筒（2），在基座（3）內位於中間套筒（2）下方之間設有柱形氣腔（12），非接觸式垂直位移感測器B（9）配裝在柱形氣腔（12）內，在基座（3）側壁上設有與柱形氣腔（12）連通的基座進氣孔（10）；在中間套筒（2）上配置隔離平台（1），在中間套筒（2）內側壁上設定與隔離平台（1）相配合的內側靜壓氣浮節流孔（6），外側靜壓氣浮節流孔（8）和中間套筒進氣孔（11）設定在中間套筒（2）的外側壁上，且外側靜壓氣浮節流孔（8）與基座（3）相配合，在中間套筒（2）底側壁面和隔離平台（1）底側壁面上分別相對配裝電磁線圈（5）和永磁體（4）；在中間套筒（2）上端面配裝非接觸式垂直位移感測器A（7）。
2.根據權利要求1所述的基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，其特徵在於非接觸式垂直位移感測器A（7）和非接觸式垂直位移感測器B（9）包括光學位移感測器、渦流位移感測器或電容位移感測器。
3.根據權利要求1所述的基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，其特徵在於永磁體（4）採用銣鐵硼材料。
4.根據權利要求1所述的基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，其特徵在於經中間套筒進氣孔（11）進入中間套筒（2）的環形氣腔（13）內的高壓氣體壓強為0.4～0.6兆帕。
5.根據權利要求1所述的基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，其特徵在於隔離平台（1）與中間套筒（2）和中間套筒（2）與基座（3）之間靜壓氣浮形成的氣膜厚度為7微米。
實施方式
下面結合附圖對《基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置》作進一步詳細說明：
一種基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，所述裝置由隔離平台1、中間套筒2和基座3構成；在基座3內配裝帶有環形氣腔13的中間套筒2，在基座3內位於中間套筒2下方之間設有柱形氣腔12，非接觸式垂直位移感測器B9配裝在柱形氣腔12內，在基座3側壁上設有與柱形氣腔12連通的基座進氣孔10；在中間套筒2上配置隔離平台1，在中間套筒2內側壁上設定與隔離平台1相配合的內側靜壓氣浮節流孔6，外側靜壓氣浮節流孔8和中間套筒進氣孔11設定在中間套筒2的外側壁上，且外側靜壓氣浮節流孔8與基座3相配合，在中間套筒2底側壁面和隔離平台1底側壁面上分別相對配裝電磁線圈5和永磁體4；在中間套筒2上端面配裝非接觸式垂直位移感測器A7。
所述的基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，非接觸式垂直位移感測器A7和非接觸式垂直位移感測器B9包括光學位移感測器、渦流位移感測器或電容位移感測器。
所述的基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，永磁體4採用銣鐵硼材料。
所述的基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，經中間套筒進氣孔11進入中間套筒2的環形氣腔13內的高壓氣體壓強為0.4～0.6兆帕。
基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置，隔離平台1與中間套筒2和中間套筒2與基座3之間靜壓氣浮形成的氣膜厚度為7微米。
該裝置可以同時抑制外界環境的振動和負載自身的振動。該裝置可以單獨用於支撐負載，也可多個共同支撐一個負載平台，大型或結構複雜的系統可以放置在該負載平台上，從而起到對系統保護的作用。
隔離平台1和中間套筒2採用是磁浮與靜壓氣浮複合作用的支撐方式。隔離平台1垂向採用磁浮的方式，永磁體4安置於隔離平台1底部；電磁線圈5布置於中間套筒2內部底端；電磁線圈5和永磁體4共同產生的斥力在垂向支撐隔離平台1與中間套筒2。電磁線圈5和永磁體4產生的斥力承載隔離平台1，斥力的大小由電磁線圈5的匝數和永磁體4體積尺寸大小決定；永磁體採用銣鐵硼材料。
中間套筒2和基座3之間為徑向靜壓氣浮支撐。外側靜壓氣浮節流孔8等間隔的分布於中間套筒2內壁，噴射的氣體由環形氣腔13提供；高壓氣體經中間套筒進氣孔11進入環形氣腔13內，高壓氣體的壓強在0.4～0.6兆帕之間，具體值的大小由隔振裝置的負載重量決定。
基座3為《基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置》最外層，放置在固定基礎上，並且通過柱形氣腔12內的高壓氣體在垂向支撐中間套筒2。柱形氣腔12內氣壓壓強和中間套筒2底部的面積決定該發明的承載能力。氣體由基座進氣孔10流入柱形氣腔12內，實時補償柱形氣腔12內氣體的流失，並保證壓強的穩定。
非接觸式垂直位移感測器A7和非接觸式垂直位移感測器B9可採用光學、渦流或電容型感測器，非接觸式垂直位移感測器A7監測隔離平台1相對於中間套筒2的位移，非接觸式垂直位移感測器B9監測基座3相對於中間套筒2的位移。利用位移變化量控制電磁線圈輸入電流，使其輸出磁場大小改變，實現隔振裝置基於速度閉環的主動控制，即可以實現負剛度。如果隔離平台1自身干擾力為F方向向下，隔離平台1與中間套筒2通過主動控制實現負剛度，相對位移為正，隔離平台1相對中間套筒2上升；中間套筒2與基座3之間靜壓氣浮支撐為正剛度，相對位移為負，中間套筒2相對基座3下降；最終隔離平台1相對於基座3的位移變化可以忽略，這樣干擾力F對於隔離平台的擾動被抑制。如果電磁線圈不進行速度閉環控制，僅提供固定磁場用於平衡負載重量時，該裝置中的靜壓氣浮與磁浮相當於被動隔振原理，起到抑制外界振動的作用。
榮譽表彰
2016年12月7日，《基於電磁與靜壓氣浮複合支撐的主動隔振裝置》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
