本技术涉及精密隔振技术,特别是针对高端仪器装备设计的重载精密气磁复合低频隔微振器。该隔微振器由同轴嵌套的动磁环阵列和定磁环阵列组成,阵列由2n+1个磁环构成,其中n为自然数。该设计有效降低了仪器在低频范围内的振动,提升了设备的稳定性和精确度。
背景技术
随着大型精密加工装备、测量仪器和大型尖端科学实验系统的快速迭代升级,高端精密仪器装备的加工、测量精度已迈入纳米及亚纳米级,其对环境中微振动的敏感度也逐渐提升。即使人类感官无法察觉的低频微幅振动干扰,也会严重影响大型精密加工装备、测量仪器设备和大型尖端科学实验系统的精度。因此,必须减弱或隔离环境振动,尤其是低频微幅振动,对大型精密加工、测量和尖端科学实验领域高端精密仪器装备精度的影响至关重要。
刚度是决定隔振带宽的核心参数,直接关乎隔微振平台对不同频率振动的作用效果。隔微振器的刚度越小,隔振频带越宽、低频隔微振效果越好;然而,低刚度特性会导致高静态变形、低稳定性与弱抗干扰能力,降低隔微振平台的承载。因此,如何在不影响承载的条件下、降低隔振刚度是提升隔振性能的关键。并联负刚度结构可在不影响承载的条件下,降低隔振刚度、拓展隔振频带。然而,现有负刚度结构的研究主要面向小型光学隔微振平台和器件上,这些平台和器件的质量通常在千克至百千克以内;当面向大型精密加工装备、测量仪器和大型尖端科学实验系统等高达几十吨至上千吨的重载隔微振需求时,产生的负刚度低,对降低隔振刚度、拓展隔振带宽的效果甚微。因此,面向兼具大承载、大尺寸与结构复杂特性的大型精密隔微振系统,如何降低其隔振刚度、拓展隔振频带是实现高性能隔振的关键。
专利号CN202010897879.X公开了一种基于电磁负刚度的双稳态非线性能量肼,上、下磁环和上、下线圈对中磁环施加吸引力构成在线可调的电磁负刚度弹簧,电磁负刚度弹簧与对压弹簧并联构成双稳态非线性能量肼;线圈未通电时,通过调节上、下磁环与中磁环间距离调节永磁负刚度的性能;线圈通电时,通过调节上下线圈中的电流及上下线圈与中磁环间的距离实时调节电磁负刚度性能。专利号CN202211512185.5公开了一种基于线性磁式负刚度的低频隔振装置,通过沿轴向等间隙布置的三个磁环以及每个永磁体外部配置的同轴环形线圈实现线性磁式负刚度,其中,三个环形线圈垂向同轴心对称布置构成吸引式电磁负刚度机构,三个磁环和三个环形线圈垂向同轴心对称布置构成排斥式电磁负刚度机构,吸引式电磁负刚度机构和排斥式电磁负刚度机构耦合实现了软化刚度特性与硬化刚度特性的非线性抵消。专利号CN202311009285.0公开了一种刚度粗细可调的磁气式隔振装置及隔振方法,通过内设于隔振器内部的四块立方动永磁体与呈十字形固定安装的一对立方永磁体和一对电磁铁实现粗细可调的负刚度特性。其中,动永磁体与定永磁体之间可调的间隙实现了负刚度的粗调,电磁铁中的通电电流大小实现了负刚度的细调。上述技术方案均采用立方永磁体或环形永磁体等间隙阵列布置构成,存在显著的漏磁问题,所能提供的负刚度值相对较低。
哈尔滨工业大学崔俊宁教授提出了一种超低频空气弹簧隔振器(1.“基于电磁负刚度结构的空气弹簧隔振器”,ZL202010605223.6;2.基于轴向磁化磁环负刚度结构的超低频空气弹簧隔振器,ZL202010606309.0;3.基于负刚度磁弹簧的大承载超低频空气弹簧隔振器,ZL202010605236.3;4.基于垂直磁化磁环负刚度结构的超低频隔振器,ZL202010605241.4),利用径向反向磁化、轴向同向磁化以及互相垂直磁化的内外磁环实现负刚度特性,并利用内、外磁环相对运动产生的电涡流与内置的节流孔协同作用,形成了高效的阻尼机制,从而有效地的衰减振动能量,提升隔振系统的稳定性和隔振性能。专利号CN202311375790.7公开了一种定动子错位配置的高线性磁负刚度机构,通过将励磁方向相同且磁力呈斥力状态的定子磁环、动子磁环同轴嵌套,沿z向排列成多层或沿水平向交替排列成多列,以增大定子磁环与动子磁环之间作用力在z向提供的负刚度值,并通过在动子磁环与同层定子磁环之间设置初始偏置改善负刚度特性的线性度。与基于立方永磁体等间隙阵列布置的负刚度结构方案相比,由径向反向磁化、轴向同向磁化以及互相垂直磁化的内外磁环同轴嵌套,并沿某一方向等间隙阵列布置的方案可提升负刚度值。然而,在上述技术方案中,负刚度机构中的定子与动子均为径向磁化或轴向磁化的单一磁环,对于此类沿某一方向均匀磁化的磁环,在其内、外或上、下两侧形成的励磁磁场对称,但仅一侧磁场被利用,另一侧闲置,导致此方案的磁场利用率仍有待优化,产生的负刚度值对降低几十吨至上千吨大型精密隔微振平台刚度效果甚微。
综上,如何通过结构与原理创新,提供一种能够降低重载精密隔微振刚度的装置,拓展低频隔振频带,对降低环境微振动对高端精密仪器装备的干扰,保证高端精密仪器装备工作环境最优、进而提升高端精密仪器装备的精度具有重大意义。
实现思路