本發(fā)明屬于精密隔振，特別是剛度自適應(yīng)的三自由度低頻電磁隔振器。

背景技術(shù)：

1、環(huán)境中的低頻微幅振動已成為制約精密儀器設(shè)備的裝配調(diào)試、測試及實(shí)驗(yàn)精度提升的關(guān)鍵因素之一。針對此問題，為精密設(shè)備配置低頻隔振器已成為超精密工程領(lǐng)域內(nèi)抑制外界微小振動干擾的主導(dǎo)技術(shù)方案。隔振器因其固有的“低通濾波”特性，僅能有效衰減大于1.414倍固有頻率的振動。對于頻率低于此閾值的振動，隔振器非但無法發(fā)揮衰減作用，反而會起到放大作用。為拓展隔振帶寬，降低固有頻率是關(guān)鍵。降低剛度是降低固有頻率的有些途徑，可將原本處于放大區(qū)的低頻振動納入衰減區(qū)，從而顯著提升隔振器對低頻振動的衰減效果。

2、電磁負(fù)剛度裝置因無機(jī)械摩擦、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度可調(diào)可動態(tài)匹配負(fù)載與激勵頻率變化的優(yōu)勢，被應(yīng)用于與隔振器并聯(lián)構(gòu)建低頻隔振系統(tǒng)。然而，受磁陣列結(jié)構(gòu)平行磁化(同向或反向)的限制，其磁場利用率不高，導(dǎo)致提供的負(fù)剛度值有限，難以完全地抵消隔振器的承載剛度，阻礙了固有頻率的大幅降低，限制了隔振帶寬的擴(kuò)展。因此，當(dāng)微振動干擾的頻率低于1.414倍的固有頻率時，系統(tǒng)處于或接近共振狀態(tài)，對振動干擾的響應(yīng)顯著增強(qiáng)，振幅急劇增大，進(jìn)而可能引發(fā)包括系統(tǒng)穩(wěn)定性受損、結(jié)構(gòu)疲勞、損壞以及整體性能下降在內(nèi)的一系列問題。這些問題在超精密加工、測量及精密實(shí)驗(yàn)等多個領(lǐng)域都可能造成嚴(yán)重后果。

3、此外，當(dāng)前的研究重心多集中在單自由度的低頻隔振問題上，單自由度系統(tǒng)相對簡單，便于理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。然而，在更貼近實(shí)際應(yīng)用的多自由度隔振領(lǐng)域，尤其是三自由度隔振，相關(guān)研究仍顯不足。三自由度系統(tǒng)能夠更真實(shí)地反映實(shí)際工程中的復(fù)雜振動情況，包括不同方向的振動耦合、非線性效應(yīng)等。因此，深入研究三自由度隔振系統(tǒng)中的剛度調(diào)控機(jī)制，并探索創(chuàng)新的可變剛度技術(shù)以適應(yīng)三自由度隔振的需求，對于提升精密儀器設(shè)備隔振性能的高標(biāo)準(zhǔn)具有至關(guān)重要的意義

4、專利號201811101215.7公開了一種由上板、基板和六個電磁隔振單元構(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)供電電流的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)而產(chǎn)生可調(diào)負(fù)剛度特性，調(diào)節(jié)螺旋彈簧的剛度，降低固有頻率、拓展隔振帶寬。該技術(shù)方案的特征在于：1)采用永磁體與線圈組合的方式實(shí)現(xiàn)可調(diào)負(fù)剛度特性，工作過程中需要持續(xù)地給線圈輸入能量以產(chǎn)生與運(yùn)動位移方向相同的電磁力，系統(tǒng)能耗高；2)永磁體均勻磁化的方式，導(dǎo)致其產(chǎn)生的勵磁磁場僅靠近電磁線圈的一側(cè)被利用，另一側(cè)處于閑置狀態(tài)，磁場利用率低，產(chǎn)生的負(fù)剛度值有限，對降低重載或高頻隔振系統(tǒng)固有頻率的效果不佳。

5、專利號202011189262.9公開了一種基于主動電磁負(fù)剛度結(jié)構(gòu)的三自由度隔微振器。主動電磁負(fù)剛度結(jié)構(gòu)利用同軸嵌套雙磁環(huán)結(jié)構(gòu)在垂向產(chǎn)生剛度不可調(diào)整的負(fù)剛度特性，并利用與雙磁環(huán)負(fù)剛度結(jié)構(gòu)同軸嵌套的通電線圈產(chǎn)生精密可控的勵磁磁通，改變動磁環(huán)周圍的偏置磁場，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)負(fù)剛度值的調(diào)整，適應(yīng)隔振負(fù)載質(zhì)量及激勵頻率的變化。該技術(shù)方案的特征在于：1)偏置磁場由定磁環(huán)提供，線圈中只需較小的電流產(chǎn)生勵磁磁通對偏置磁場進(jìn)行調(diào)節(jié)，而無需持續(xù)的高能量輸入，系統(tǒng)能耗較低。2)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)形成對稱勵磁磁場。然而，僅內(nèi)磁環(huán)外側(cè)的磁場得到利用，而內(nèi)側(cè)磁場則處于閑置狀態(tài)。此設(shè)計的磁場利用率低，產(chǎn)生的負(fù)剛度值有限；當(dāng)面向大承載與高固有頻率的隔振系統(tǒng)時，其剛度調(diào)控效果甚微，無法或難以實(shí)現(xiàn)低頻、超低頻乃至近零頻的隔振效果。

6、綜上所述，創(chuàng)新隔振結(jié)構(gòu)與原理，研發(fā)一種具備自適應(yīng)調(diào)控隔振剛度的三自由度隔微振器，能夠即時感知負(fù)載質(zhì)量的變化與外部激勵頻率的波動，并據(jù)此動態(tài)調(diào)整負(fù)剛度值，以精準(zhǔn)匹配三自由度近全頻帶隔振的需求，從而將外部低頻微振動激勵由放大區(qū)納入衰減區(qū)，對于有效屏蔽環(huán)境微振動對精密儀器設(shè)備的負(fù)面影響至關(guān)重要。此創(chuàng)新將為高精度裝配調(diào)試、測試及實(shí)驗(yàn)工作營造一個更加穩(wěn)定可靠的環(huán)境，顯著提升精密儀器設(shè)備的精度水平。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有電磁負(fù)剛度結(jié)構(gòu)受限于磁陣列平行磁化的設(shè)計，產(chǎn)生的負(fù)剛度有限，難以匹配三自由度近全頻帶隔振的剛度參數(shù)的問題，提出了由剛度自適應(yīng)電磁陣列與螺旋彈簧并聯(lián)構(gòu)成的剛度自適應(yīng)的三自由度低頻電磁隔振器。螺旋彈簧以被動方式穩(wěn)定支撐負(fù)載，并有效隔絕中高頻段的振動；而剛度自適應(yīng)電磁陣列的動磁陣列與定磁陣列則通過四列垂直磁化的等橫截面立方永磁體產(chǎn)生高負(fù)剛度特性，并即時響應(yīng)外部激勵頻率的變化，通過加速度反饋調(diào)控線圈電流調(diào)節(jié)負(fù)剛度值，以匹配三自由度近全頻帶隔振的剛度參數(shù)，從而將外部低頻微振動激勵由放大區(qū)納入衰減區(qū)。剛度自適應(yīng)的三自由度低頻電磁隔振器在垂向平動及水平旋轉(zhuǎn)自由度上具有可調(diào)的低動態(tài)剛度特性，隔振頻率低、隔振頻帶寬。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

3、剛度自適應(yīng)的三自由度低頻電磁隔振器，可精準(zhǔn)適應(yīng)激勵頻率與負(fù)載質(zhì)量的變化，實(shí)時產(chǎn)生可調(diào)高負(fù)剛度特性，有效調(diào)節(jié)隔振頻率，實(shí)現(xiàn)三自由度的低頻隔振；其特征在于：包括負(fù)載平臺、基板及連接兩者的三套低頻電磁隔振器，負(fù)載平臺相對于基板有沿垂向z軸平動的自由度及繞水平x和y軸旋轉(zhuǎn)的自由度，每套低頻電磁隔振器的頂端通過上柔性鉸鏈與負(fù)載平臺底部的固定件連接，連接點(diǎn)在負(fù)載平臺上沿圓周間隔120°均勻分布；每套低頻電磁隔振器的底部通過下柔性鉸鏈與基板頂部的固定件連接，連接點(diǎn)在基板上沿圓周間隔120°均勻分布；其特征在于：所述低頻電磁隔振器由剛度自適應(yīng)電磁陣列與螺旋彈簧并聯(lián)構(gòu)成，剛度自適應(yīng)電磁陣列包括動磁陣列、動磁陣列安裝件、定磁陣列、定磁陣列固定件、線圈、上作動件、下作動件、傳感器、信號調(diào)理器、采集儀、控制器與驅(qū)動器，整體結(jié)構(gòu)不僅關(guān)于中心對稱，同時在前后和左右兩個方向上也呈軸對稱；動磁陣列安裝件為立方體結(jié)構(gòu)，其頂端與上作動件固定連接，底部設(shè)置方形凸臺，凸臺內(nèi)設(shè)置環(huán)形凹槽；螺旋彈簧的頂端同軸固定安裝在動磁陣列安裝件底部的環(huán)形凹槽內(nèi)，底部同軸固定安裝在定磁陣列固定件底面的環(huán)形凹槽內(nèi)；動磁陣列安裝件以中心線與對稱軸重合的方式嵌套在定磁陣列固定件內(nèi)，兩者的四個側(cè)面相互平行；定磁陣列固定件為方形套筒，其四個內(nèi)側(cè)面設(shè)置相同尺寸的立方體深槽，底面設(shè)置環(huán)形凹槽；定磁陣列固定件的頂部與上柔性鉸鏈在垂向保持一定間隙，底部與下作動件固定連接；動磁陣列與定磁陣列均包含四列永磁體，每列永磁體由2n+1(n≥1，n∈n+)層陣列排布、相鄰層間垂直磁化的等橫截面立方永磁體構(gòu)成，且奇數(shù)層永磁體的高度相等，偶數(shù)層永磁體的高度相等；動磁陣列的四列永磁體分別固定安裝在動磁陣列安裝件的四個側(cè)面，與定磁陣列固定件的四個內(nèi)側(cè)面保持相同的間隙；定磁陣列的四列永磁體分別固定安裝在定磁陣列固定件四個內(nèi)側(cè)面的深槽內(nèi)，與動磁陣列安裝件的四個外側(cè)面保持相同的間隙；動磁陣列與定磁陣列的四列永磁體沿水平方向設(shè)有相同的間隙；動磁陣列與定磁陣列的第一層永磁體沿水平方向反向磁化，在正剖面視圖的右半側(cè)，每增加一層，動永磁體的磁化方向順時針旋轉(zhuǎn)90°，定永磁體的磁化方向逆時針旋轉(zhuǎn)90°；線圈纏繞成矩形，以等間距陣列的方式固定安裝于定磁陣列固定件的外側(cè)面，線圈與驅(qū)動器的輸出端連接，驅(qū)動器的輸入端通過串口或者網(wǎng)絡(luò)與控制器的輸出端連接，控制器內(nèi)集成基于加速度反饋的控制算法，其輸入端通過串口或者網(wǎng)絡(luò)讀取采集儀的信息，采集儀的輸入端與信號調(diào)理器的輸出端連接，信號調(diào)理器的輸入端與傳感器連接。

4、優(yōu)選的，所述動磁陣列中第一層永磁體的底面與定磁陣列中第一層永磁體的底面重合。

5、優(yōu)選的，所述線圈的高度與定磁陣列的高度相等，且關(guān)于定磁陣列的垂向高度中心對稱。

6、優(yōu)選的，所述定磁陣列固定件、動磁陣列安裝件、上作動件、下作動件、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。

7、優(yōu)選的，所述驅(qū)動器為線性穩(wěn)壓器、線性驅(qū)動器、開關(guān)型穩(wěn)壓器或開關(guān)型驅(qū)動器。

8、優(yōu)選的，所述信號調(diào)理器包括放大器與濾波器，放大器的增益與帶寬可調(diào)，濾波器可實(shí)現(xiàn)高通濾波功能，且其截止頻率可調(diào)。

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

10、(1)本發(fā)明創(chuàng)新提出了具有零磁力與可調(diào)高負(fù)剛度特性的剛度自適應(yīng)電磁陣列。本發(fā)明分別利用四列多層陣列排布、等橫截面立方永磁體構(gòu)成動磁陣列與定磁陣列，通過相鄰層間垂直磁化的設(shè)計，構(gòu)建具有高負(fù)剛度特性的單邊高密度勵磁磁場；并通過精細(xì)調(diào)控安裝在定磁陣列固定件外側(cè)面的線圈中的電流大小與方向，確保了勵磁磁通的精密可控性、偏置磁場與負(fù)剛度值的動態(tài)可調(diào)節(jié)性，實(shí)現(xiàn)了零磁力與可調(diào)高負(fù)剛度特性的雙重優(yōu)化；不僅削弱了非工作側(cè)的磁場強(qiáng)度，減少了不必要的磁場干擾；同時在工作側(cè)產(chǎn)生了可調(diào)的高勵磁磁場，這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之一。

11、(2)本發(fā)明能夠在復(fù)雜多變的工作環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行，可適應(yīng)隔微振負(fù)載質(zhì)量及激勵頻率的變化。通過加速度反饋調(diào)控線圈內(nèi)的驅(qū)動電流精準(zhǔn)控制負(fù)剛度值，可有效應(yīng)對負(fù)載變化引發(fā)的隔振系統(tǒng)動態(tài)特性調(diào)整，從而預(yù)防了潛在的不穩(wěn)定與性能下降。同時，當(dāng)外部激勵頻率變化時，能夠主動調(diào)節(jié)隔振頻率，有效將外部低頻微振動激勵從放大區(qū)域轉(zhuǎn)移到衰減區(qū)域，從而規(guī)避共振區(qū)域；這一特性確保了隔振系統(tǒng)免受共振現(xiàn)象的干擾，鞏固了隔振系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行與高度可靠性。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之二。

12、(3)本發(fā)明可在多自由度實(shí)現(xiàn)精密隔微振的剛度調(diào)控，拓展隔振帶寬，為尖端儀器設(shè)備提供“超靜”的工作環(huán)境，從而有力推動精密儀器設(shè)備精度的跨越式提升。螺旋彈簧以被動方式確保負(fù)載的穩(wěn)定支撐，并有效隔絕中高頻段的振動；剛度自適應(yīng)電磁陣列則采用主被動復(fù)合的磁浮方式，產(chǎn)生可調(diào)的高負(fù)剛度特性，能在不改變螺旋彈簧承載力的前提下，有效降低隔振的固有頻率，進(jìn)一步拓寬隔振帶寬；此外，通過精心設(shè)計布局，將三套由剛度自適應(yīng)電磁陣列與螺旋彈簧并聯(lián)構(gòu)成的低頻電磁隔振器巧妙并聯(lián)并部署，在垂向、繞水平x與y軸的三個自由度上實(shí)現(xiàn)了高性能隔微振。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之三。