專利名稱：通用空氣伺服動力消振器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種通用化空氣伺服調(diào)節(jié)剛度的動力消振器，它通過空氣壓力的變化達到改變等效彈簧剛度的目的。本發(fā)明主要針對超精密試驗臺、超精密機床和光學平臺的隔振要求開發(fā)，屬于超精密加工及測量領域。
背景技術：
動力消振器與隔振器都用于消除有害振動，但是方式不同，前者主要用于降低振動的共振幅值，后者是將隔振器固有頻率設計得遠低于需要隔振設備第一階固有頻率的0.707以下，使設備各階固有頻率的振動都得到抑制。
動力消振器是需要根據(jù)特定的負載和振動環(huán)境進行設計相關的剛度、阻尼和輔助質(zhì)量參數(shù)的，所以目前很少有商業(yè)通用化的動力消振器。隔振器則不同，很多商業(yè)通用隔振器的固有頻率不會因為負載的改變而改變，所以一個通用隔振器就能滿足一類負載(主要是質(zhì)量和形狀上的限制)的隔振要求。動力消振器之所以不能像隔振器那樣實現(xiàn)商業(yè)通用化，是因為為了保證主質(zhì)量(負載M1)的振幅最小，通過調(diào)節(jié)輔助質(zhì)量M2、剛度(K1，K2)和阻尼(C1，C2)，使負載M1的振幅為最小，如果更換主質(zhì)量(負載M1)，就必須改變相關參數(shù)(輔助質(zhì)量M2、剛度(K1，K2)和阻尼(C1，C2))，這些參數(shù)的改變或通過調(diào)節(jié)達到，或通過更換元器件達到。目前實際設計和使用中的動力消振器中的剛度元件通常為機械彈簧，阻尼元件為橡膠等，它們的剛度阻尼特性是由其本身材料和結(jié)構(gòu)決定的，想要調(diào)節(jié)剛度(K1，K2)和阻尼(C1，C2)就需要更換相應的元件，基于此就很難實現(xiàn)動力消振器的商業(yè)通用化。
動力消振器如果實現(xiàn)通用化，其中質(zhì)量(輔助質(zhì)量M2)很難做到可以調(diào)節(jié)，因此有必要研發(fā)含有能方便調(diào)節(jié)的剛度參數(shù)或阻尼參數(shù)的動力消振器，另一方面也必須實現(xiàn)低成本化。為此也出現(xiàn)了一些解決方案，敘述如下中國專利(申請?zhí)?8107926.X，申請日89.4.14)采用電磁彈簧代替了機械彈簧，實現(xiàn)了剛度參數(shù)的方便調(diào)節(jié)，但是電磁彈簧剛度受限于導磁材料的磁飽和特性和消振器的機械結(jié)構(gòu)，所以它適用于振幅較小，振動頻率變化范圍不大的場合。
中國專利(申請?zhí)?9102179.5，申請日89.4.14)設計了一種消振器，包含了一個油缸通過活塞分為上下油缸，每個油缸內(nèi)各包含一個空氣室，工作時通過液壓讓活塞上下移動改變空氣腔室的有效高度，即改變了油缸中空氣室中空氣壓力，從而改變了空氣腔室內(nèi)等效彈簧剛度的目的，達到了動態(tài)調(diào)節(jié)動力消振器中彈簧剛度的目的。
上述的前一個專利在適用對象范圍較小，不夠理想。后一個專利結(jié)構(gòu)復雜，采用了兩個油缸和兩個氣缸的結(jié)構(gòu)，其制造加工難度增加同時造成成本的增加，另外一方面油缸的使用勢必會引起油料泄漏的問題，那怕是十分微小的泄漏都可能對使用環(huán)境造成一定污染，比如超精密凈化間中泄漏的油料會降低凈化間內(nèi)的潔凈度，從而影響超精密凈化間內(nèi)設備的使用性能。這也可以從另一面加以證明，在世界上很多半導體制造工廠中，對凈化間內(nèi)設備外殼上涂覆的油漆都有十分嚴格的規(guī)定，就是為了防止油漆的揮發(fā)造成凈化間內(nèi)顆粒雜質(zhì)的增多影響半導體的最終加工精度。

發(fā)明內(nèi)容
綜上所述，現(xiàn)有動力消振器存在剛度和阻尼參數(shù)調(diào)節(jié)困難，難以實現(xiàn)通用化的缺點。本發(fā)明目的在于解決動力消振器的上述缺點，采用空氣彈簧構(gòu)建一種通用動力消振器，通過調(diào)節(jié)空氣壓力達到調(diào)節(jié)動力消振器中等效彈簧剛度的目的，使得消振器的剛度調(diào)節(jié)更為容易，從而實現(xiàn)產(chǎn)品設計的通用化目標，即一個動力消振器滿足一類設備的消振要求。
本發(fā)明的技術方案如下通用空氣伺服動力消振器，包括上端開口下端密封的圓柱形外殼，通過環(huán)狀橡膠薄膜密封連接在所述外殼上端口處的活塞，以及設在所述活塞和外殼形成的腔室中部的隔板，其特征在于所述隔板通過環(huán)狀橡膠薄膜連接在外殼內(nèi)壁腔室中部，使消振器內(nèi)部形成相互密封的上、下腔室，所述隔板在上、下腔室空氣壓力變化時上下活動，所述上、下腔室的外殼壁上分別開有小孔，所述小孔分別連接用以注入壓力空氣的氣管。
活塞和負載總質(zhì)量M1，隔板的質(zhì)量M2，上下腔室內(nèi)空滿壓力空氣后可以等效為兩個彈簧K1和K2，根據(jù)經(jīng)典動力消振器的理論知道，只要適當調(diào)整K1和K2的數(shù)值，就可以達到M1振幅最小的目的。
本發(fā)明的消振器調(diào)節(jié)彈簧參數(shù)K1和K2，是通過直接調(diào)節(jié)上下腔室內(nèi)空氣壓力實現(xiàn)的，因為其等效彈簧剛度定義為K=γPA2V;]]>常數(shù)γ＝Cp/Cv＝1.4(空氣)；P＝壓力；A＝腔室有效截面積；V＝容積由上式可以看出其等效彈簧剛度在消振器內(nèi)部腔室容積V和截面積A一定的情況下只與空氣壓力P有關系，所以直接調(diào)節(jié)空氣壓力就能達到調(diào)節(jié)等效彈簧剛度的目的。這樣相對于普通消振器中機械彈簧，本發(fā)明中的剛度參數(shù)調(diào)節(jié)就顯得非常簡單直接、穩(wěn)定可靠。
本發(fā)明與中國專利(申請?zhí)?9102179.5，申請日89.4.14)結(jié)構(gòu)上的不同之處在于，它通過控制活塞移動的方式，改變上下兩個空氣室的有效高度，達到改變壓力和剛度的目的。本發(fā)明中的隔板(相當于它中間的活塞)是不受外界控制的，改變上下腔室內(nèi)壓力是通過空氣軟管接到外部調(diào)壓閥調(diào)節(jié)腔室內(nèi)部的壓力，即腔室內(nèi)等效彈簧剛度的目的。由于沒有油缸，結(jié)構(gòu)簡單同時能夠在凈化間中使用。
本發(fā)明相比已有的技術具有如下的優(yōu)點第一，本發(fā)明通過空氣壓力改變達到等效彈簧剛度的改變，比普通機械彈簧更容易調(diào)節(jié)。
第二，本發(fā)明使用空氣彈簧作為其彈簧元件，簡單可靠、成本低廉和環(huán)境適應性強，可以在凈化間中使用。
第三，本發(fā)明所述動力消振器由于其調(diào)節(jié)方便和其簡單低成本，達到了實現(xiàn)商業(yè)化通用的基本要求，經(jīng)過不斷的完善和發(fā)展，可以廣泛適用于其他諸如超精密機床、光學平臺等領域。


圖1為本發(fā)明所述空氣伺服動力消振器的剖視示意圖。
圖2為本發(fā)明所述空氣伺服動力消振器的理論模型示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例來具體說明本發(fā)明。
如圖1所示，本發(fā)明所述的動力消振器包括圓柱形的外殼2，其中間挖空、上端開口，下端使用底板1密封。外殼2上端開口處通過第一環(huán)狀橡膠薄膜5與用來支撐負載的柱狀活塞7連接，第一圓環(huán)狀橡膠薄膜5外側(cè)被上密封板6壓死固定在外殼2的頂部臺面上，環(huán)狀橡膠薄膜5內(nèi)側(cè)通過緊固環(huán)12與活塞7壓死固定，實現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)的密封。外殼2內(nèi)部通過隔板4分割為上腔室10和下腔室11，上腔室中部外殼上開孔連接上氣管8，下腔室中部外殼上開孔連接下氣管9。上氣管和下氣管分別通過各自調(diào)壓閥門與壓縮機連接，實現(xiàn)供給不同壓力空氣的目的。隔板4可以是圓盤形的，其外側(cè)通過緊固環(huán)12連接了第二環(huán)狀橡膠薄膜3的內(nèi)側(cè)，第二環(huán)狀橡膠薄膜3外側(cè)通過壓圈13固定在腔室中部臺階上，從而實現(xiàn)上腔室10和下腔室11的完全分割密封。在本發(fā)明的上述實施例中，所述隔板不是固定的而是活動的，且隔板上沒有阻尼小孔，其上下腔室之間空氣完全不流動，與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)不同。
圖2顯示了本發(fā)明所述的動力消振器的理論模型，其中，活塞和負載簡化為質(zhì)量M1，隔板簡化為中間質(zhì)量M2，上腔室等效為彈簧K1，下腔室等效為彈簧K2。當負載振動F或地面?zhèn)鱽碚駝觴0時，會引起上/下腔室內(nèi)空氣壓力發(fā)生變化，從而引起隔板M2發(fā)生振動(振幅x1)，同時保證活塞上的負載M1振動幅值x1為最小甚至為零，達到通過輔助質(zhì)量將有害振動能量消耗掉而保全主質(zhì)量不振動的目的。
系統(tǒng)的運動方程Mx··(t)+Kx(t)=f(t);]]>其中質(zhì)量矩陣M=m1m2,]]>剛度矩陣K=k1-k1-k1(k2+k1);]]>響應向量x(t)＝{x1(t)，x2(t)}T和激勵力向量f(t)＝{f1(t)，f2(t)}T。
系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)矩陣[H(W)]=k1+k2-ω2m2k1k1k1-ω2m1(k1+k2-ω2m2)(k1-ω2m1)-k12=H11(ω)H12(ω)H21(ω)H22(ω)]]>其中ω為振動頻率，為Hij(ω)頻率響應函數(shù)的各個分量。
如果振動來自于負載的振動，那么M1上的響應與激勵力的傳遞函數(shù)為H11(W)=k1+k2-ω2m2(k1+k2-ω2m2)(k1-ω2m1)-k12]]>當頻率滿足k1+k2＝ω2m2時為系統(tǒng)處于反共振狀態(tài)，此時的頻率稱為反共振頻率，系統(tǒng)中M1振幅為零，M2振幅最大。就是說針對一定的振動ω，只需將等效彈簧剛度數(shù)值k1、k2調(diào)節(jié)到滿足k1+k2＝ω2m2，就可以保證負載響應為零。從上式還可以看出該傳遞函數(shù)與負載本身質(zhì)量M1無關，由于隔板質(zhì)量M2是一定的，上式也說明該動力消振器工作時針對一定的擾動頻率，系統(tǒng)參數(shù)(K1/K2)與負載質(zhì)量無關，具有通用性。
如果振動來自于地面?zhèn)鬟f的振動，那么M1上的響應與激勵力的傳遞函數(shù)為H12(W)=k1(k1+k2-ω2m2)(k1-ω2m2)-k12]]>其中ω為振動頻率當ω＝ω0，系統(tǒng)處于共振狀態(tài)，ω0為共振頻率；當ω≠ω0時，為使負載的相應最小即H12(W)的值最小。針對一定的有害振動頻率ω，只要適當選擇k1、k2，就可以是上式的值最小。
因為其等效彈簧剛度定義為K=γPA2V;]]>常數(shù)γ＝Cp/Cv＝1.4(空氣)；P＝壓力；A＝腔室有效截面積；V＝容積所以只要適當調(diào)節(jié)壓力P值就可以合適的K值，達到消振的目的。
權利要求
1.通用空氣伺服動力消振器，包括上端開口下端密封的圓柱形外殼，通過環(huán)狀橡膠薄膜密封連接在所述外殼上端口處的活塞，以及設在所述活塞和外殼形成的腔室中部的隔板，其特征在于所述隔板通過環(huán)狀橡膠薄膜連接在外殼內(nèi)壁腔室中部，使消振器內(nèi)部形成相互密封的上、下腔室，所述隔板在上、下腔室空氣壓力變化時上下活動，所述上、下腔室的外殼壁上分別開有小孔，所述小孔分別連接用以注入壓力空氣的氣管。
全文摘要
通用空氣伺服動力消振器，屬于超精密加工及測量領域。為了解決現(xiàn)有動力消振器存在的剛度和阻尼參數(shù)調(diào)節(jié)困難，難以實現(xiàn)通用化的缺點，本發(fā)明提供了一種通用空氣伺服動力消振器，包括上端開口下端密封的圓柱形外殼，通過環(huán)狀橡膠薄膜密封連接在所述外殼上端口處的活塞，以及設在所述活塞和外殼形成的腔室中部的隔板，其特征在于所述隔板通過環(huán)狀橡膠薄膜連接在外殼內(nèi)壁腔室中部，使消振器內(nèi)部形成相互密封的上、下腔室，所述隔板在上、下腔室空氣壓力變化時上下活動，所述上、下腔室的外殼壁上分別開有小孔，所述小孔分別連接用以注入壓力空氣的氣管。本發(fā)明簡單可靠、成本低廉、環(huán)境適應性強。
文檔編號F16F9/02GK1670398SQ20051001161
公開日2005年9月21日 申請日期2005年4月22日 優(yōu)先權日2005年4月22日
發(fā)明者汪勁松, 朱煜, 徐登峰, 楊學智 申請人:清華大學