本發(fā)明屬于精密隔振，特別是基于垂直磁化空間電磁陣列的六自由度低頻隔微振器。

背景技術(shù)：

1、環(huán)境中的低頻微幅振動(dòng)干擾已經(jīng)成為限制精密儀器設(shè)備裝調(diào)、測試和實(shí)驗(yàn)精度提高的重點(diǎn)問題之一，為精密儀器設(shè)備配備低頻隔振器逐漸成為超精密工程領(lǐng)域抑制環(huán)境微振動(dòng)的主要技術(shù)手段。電磁負(fù)剛度裝置因其無機(jī)械摩擦、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度可調(diào)、能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)隔振負(fù)載質(zhì)量及激勵(lì)頻率變化等特點(diǎn)，廣泛用于與正剛度隔振器并聯(lián)構(gòu)建剛度可調(diào)式準(zhǔn)零剛度隔振器。在單自由度隔振方面，剛度可調(diào)式準(zhǔn)零剛度隔振器的相關(guān)研究已經(jīng)很多，但是在更加符合現(xiàn)實(shí)情況的六自由度隔振方面，剛度可調(diào)式六自由度準(zhǔn)零剛度隔振器的研究工作卻很少。

2、專利號zl201810300899.7、zl201610834355.x與zl201610915703.6公開了一種基于主被動(dòng)復(fù)合作用的六自由度隔微振平臺(tái)。技術(shù)方案采用高精度、高分辨力的傳感器動(dòng)態(tài)監(jiān)控負(fù)載的運(yùn)動(dòng)，并控制執(zhí)行器根據(jù)負(fù)載平臺(tái)的振動(dòng)情況，調(diào)整施力大小，從而實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)衰減。該技術(shù)方案的特征在于：1)需要高精度傳感器、線性驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)負(fù)載運(yùn)動(dòng)的精確監(jiān)控與衰減，成本高。2)采用由傳感器、控制器與執(zhí)行器構(gòu)成的主動(dòng)負(fù)剛度結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)成本及能耗高，穩(wěn)定性差。

3、專利號zl201811101215.7公開了一種由上板、基板和六個(gè)電磁隔振單元構(gòu)成的電磁式六自由度可變剛度隔振系統(tǒng)。電磁隔振單元包括永磁體與永磁體外側(cè)布置的電磁線圈，通過改變永磁體及線圈的層數(shù)、調(diào)節(jié)電流大小改變電磁線圈產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度大小和磁感應(yīng)線分布，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可調(diào)負(fù)剛度特性，抵消螺旋彈簧的正剛度，使系統(tǒng)對外表現(xiàn)為準(zhǔn)零剛度，達(dá)到最優(yōu)隔振性能。該技術(shù)方案的特征在于：(1)電磁隔振單元由永磁體與電磁線圈組合構(gòu)成，僅在持續(xù)的能量輸入下才能產(chǎn)生負(fù)剛度特性，系統(tǒng)能耗高；(2)電磁隔振單元中永磁體的磁化方向相同，僅單側(cè)磁場被利用，而另一側(cè)磁場處于閑置狀態(tài)，磁場利用率低導(dǎo)致產(chǎn)生的負(fù)剛度值有限；當(dāng)應(yīng)用于大承載或高固有頻率的隔振平臺(tái)時(shí)，其剛度調(diào)控效果甚微，無法或難以實(shí)現(xiàn)低頻、超低頻乃至近零頻隔振的需求。

4、專利號zl202011189248.9公開了一種基于主動(dòng)電磁負(fù)剛度結(jié)構(gòu)的六自由度隔微振器，主動(dòng)電磁負(fù)剛度結(jié)構(gòu)利用同軸嵌套雙磁環(huán)在垂向?qū)崿F(xiàn)不可調(diào)負(fù)剛度特性，并利用與雙磁環(huán)同軸嵌套的通電線圈產(chǎn)生精密可控的勵(lì)磁磁通調(diào)節(jié)偏置磁場，進(jìn)而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)負(fù)剛度值，適應(yīng)隔振負(fù)載質(zhì)量及激勵(lì)頻率的變化。該技術(shù)方案的特征在于：偏置磁場由定磁環(huán)提供，線圈中僅需較小的電流產(chǎn)生勵(lì)磁磁通以調(diào)節(jié)偏置磁場，而無需持續(xù)的高能量輸入，系統(tǒng)能耗相對較低。同軸嵌套雙磁環(huán)采用沿軸向同向磁化方式，在磁環(huán)的內(nèi)、外兩側(cè)形成了對稱的勵(lì)磁磁場。然而，僅內(nèi)磁環(huán)外側(cè)的磁場得到有效利用，而內(nèi)側(cè)磁場則處于閑置狀態(tài)。此設(shè)計(jì)降低了磁場利用率，導(dǎo)致同軸雙磁環(huán)產(chǎn)生的負(fù)剛度值較低；當(dāng)面向大承載、高固有頻率的隔振需求時(shí)，其剛度調(diào)控效果甚微，無法或難以實(shí)現(xiàn)低頻、超低頻乃至近零頻隔振效果。

5、綜上，如何通過隔振結(jié)構(gòu)與原理創(chuàng)新，提供一種面向大承載、高固有頻率應(yīng)用場景的高磁場利用率、低能耗六自由度隔微振器，以在不同負(fù)載質(zhì)量與激勵(lì)頻率下，實(shí)現(xiàn)低頻、超低頻乃至近零頻隔振效果，這一技術(shù)創(chuàng)新對于進(jìn)一步降低環(huán)境微振動(dòng)干擾對精密儀器設(shè)備在裝調(diào)、測試和實(shí)驗(yàn)中精度的影響，具有重大意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有剛度可調(diào)式六自由度準(zhǔn)零剛度隔振器的能耗高，且在面向大承載、高固有頻率的隔振需求時(shí)，難以產(chǎn)生足夠高的負(fù)剛度以實(shí)現(xiàn)低頻、超低頻乃至近零頻隔振效果的問題，提出了基于垂直磁化空間電磁陣列的六自由度低頻隔微振器，不僅可在空間六個(gè)自由度(沿x、y、z軸的平動(dòng)及繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng))實(shí)現(xiàn)高性能隔微振，還具有高穩(wěn)定性與強(qiáng)適應(yīng)性。垂直磁化空間電磁陣列負(fù)剛度結(jié)構(gòu)利用2n+1(n≥1，n∈n+)層沿軸向陣列排布、相鄰層間垂直磁化的等截面磁陣列同軸嵌套，增強(qiáng)了工作側(cè)的勵(lì)磁磁場、提升了磁場利用率，還降低了漏磁；并利用與垂直磁化空間磁環(huán)陣列同軸嵌套的通電線圈產(chǎn)生精密可控的勵(lì)磁磁通，動(dòng)態(tài)調(diào)控負(fù)剛度以適應(yīng)隔振負(fù)載質(zhì)量及激勵(lì)頻率的變化。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

3、基于垂直磁化空間電磁陣列的六自由度低頻隔微振器，包括上板、基板及連接兩者呈stewart方式布置的六套低頻電磁隔振器，上板相對于基板有三個(gè)平動(dòng)自由度和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，低頻電磁隔振器的頂端通過上柔性鉸鏈與上板底部的固定件連接，其底部通過下柔性鉸鏈與基板頂端的固定件連接，相鄰兩個(gè)低頻電磁隔振器的軸線互相垂直；所述低頻電磁隔振器由垂直磁化空間電磁陣列負(fù)剛度結(jié)構(gòu)與螺旋彈簧并聯(lián)構(gòu)成；垂直磁化空間電磁陣列負(fù)剛度結(jié)構(gòu)包括動(dòng)磁環(huán)陣列、動(dòng)磁陣列安裝件、定磁環(huán)陣列、定磁陣列固定件、線圈、上作動(dòng)件與下連接件，動(dòng)磁陣列安裝件、動(dòng)磁環(huán)陣列、定磁環(huán)陣列、定磁陣列固定件與線圈同軸安裝，并由軸心沿半徑向外依次排布，整體結(jié)構(gòu)呈軸對稱；動(dòng)磁陣列安裝件為環(huán)形套筒，頂端通過螺紋與上作動(dòng)件固定連接，底部設(shè)置環(huán)形凸臺(tái)，凸臺(tái)內(nèi)設(shè)置環(huán)形凹槽；螺旋彈簧的頂端同軸固定安裝在動(dòng)磁陣列安裝件底部的環(huán)形凹槽內(nèi)，底部同軸嵌套固定安裝在定磁陣列固定件底部的環(huán)形凹槽內(nèi)；動(dòng)磁環(huán)陣列同軸嵌套、緊密配合、固定安裝在動(dòng)磁陣列安裝件的外側(cè)面，與定磁環(huán)陣列、定磁陣列固定件沿徑向設(shè)有間隙；定磁陣列固定件為內(nèi)、外兩側(cè)均沿圓周開設(shè)深溝槽的環(huán)形套筒，頂端與上柔性鉸鏈在軸向保持一定間隙，其底部通過螺紋與下連接件固定連接；定磁環(huán)陣列同軸嵌套、緊密配合、固定安裝在定磁陣列固定件內(nèi)側(cè)的深溝槽內(nèi)，線圈關(guān)于定磁環(huán)陣列的軸向高度中心對稱，并同軸嵌套、緊密配合、固定安裝在定磁陣列固定件外側(cè)的深溝槽內(nèi)，其通電電流由控制器根據(jù)各個(gè)自由度的振動(dòng)加速度而自適應(yīng)反饋調(diào)整；動(dòng)磁環(huán)陣列與定磁環(huán)陣列均由2n+1(n≥1，n∈n+)層沿軸向陣列排布、相鄰層間垂直磁化的等截面磁環(huán)構(gòu)成，其中奇數(shù)層磁環(huán)的高度相等，偶數(shù)層磁環(huán)的高度相等，且動(dòng)磁環(huán)陣列與定磁環(huán)陣列中同層磁環(huán)的高度相等；動(dòng)磁環(huán)陣列與定磁環(huán)陣列的第一層磁環(huán)沿徑向反向磁化，且其底面重合；在正剖面視圖的右半側(cè)，每增加一層，動(dòng)磁環(huán)的磁化方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，定磁環(huán)的磁化方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°。

4、優(yōu)選的，所述動(dòng)磁陣列安裝件、定磁環(huán)固定件、上作動(dòng)件、下連接件、上柔性鉸鏈、下柔性鉸鏈和螺旋彈簧的材料為不導(dǎo)磁或弱導(dǎo)磁的鋁合金、鈦合金或奧氏體不銹鋼。

5、優(yōu)選的，所述線圈內(nèi)精密可控的驅(qū)動(dòng)電流由線性穩(wěn)壓器、線性驅(qū)動(dòng)器、開關(guān)型穩(wěn)壓器或開關(guān)型驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生。

6、優(yōu)選的，所述動(dòng)磁環(huán)陣列與定磁環(huán)陣列中沿徑向磁化的磁環(huán)由多塊沿徑向均勻磁化的瓦型磁鐵拼接而成，瓦型磁鐵的塊數(shù)可為4、5、6、8、10、12與15，相鄰?fù)咝痛盆F間的間隙不超過3°。

7、本發(fā)明的技術(shù)創(chuàng)新性及產(chǎn)生的良好效果在于：

8、(1)該技術(shù)方案采用多層沿軸向陣列排布、相鄰層間垂直磁化的等截面磁環(huán)陣列，與通電線圈同軸嵌套并聯(lián)實(shí)現(xiàn)可調(diào)高負(fù)剛度特性，能適應(yīng)負(fù)載重量及激勵(lì)頻率的變化，實(shí)現(xiàn)可變大承載下的低頻、超低頻乃至近零頻隔振效果。對于重載與高固有頻率的隔振平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)低頻隔振所需的負(fù)剛度越高；本發(fā)明采用多層等截面磁環(huán)沿軸向陣列排布，且相鄰層間垂直磁化的設(shè)計(jì)，不僅有效降低了漏磁，還顯著增強(qiáng)了工作側(cè)磁場強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)了高負(fù)剛度特性。此外，通過與垂直磁化磁環(huán)陣列同軸嵌套的通電線圈產(chǎn)生精密可控的勵(lì)磁磁通，從而調(diào)節(jié)動(dòng)磁環(huán)陣列周圍的偏置磁場，使負(fù)剛度可調(diào)。因此，本發(fā)明能適應(yīng)負(fù)載重量及激勵(lì)頻率的變化，特別適用于實(shí)現(xiàn)可變大承載的低頻、超低頻乃至近零頻隔振，這是其區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的重要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)之一。

9、(2)該技術(shù)方案能夠在重載條件下實(shí)現(xiàn)多自由度的精密低頻隔振，為尖端儀器設(shè)備創(chuàng)造一個(gè)“超靜”的工作環(huán)境，顯著提升設(shè)備的精度。通過使用六個(gè)垂直磁化空間電磁陣列負(fù)剛度結(jié)構(gòu)與螺旋彈簧并聯(lián)構(gòu)成的低頻電磁隔振器，可以在不改變螺旋彈簧承載能力的情況下，實(shí)現(xiàn)六自由度的局部低動(dòng)態(tài)剛度特性，有效降低隔振系統(tǒng)的固有頻率、擴(kuò)展隔振帶寬，從而隔離來自空間六個(gè)自由度(沿x、y、z軸的平動(dòng)及繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng))的振動(dòng)，確保精密儀器的正常運(yùn)行和維持高精度。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之二。

10、(3)本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。這使得裝置能夠方便地集成到現(xiàn)有儀器系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)的整體性能和可靠性。同時(shí)，較低的維護(hù)成本也降低了使用成本，提高了裝置的經(jīng)濟(jì)性。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之三。