本构型涉及一种垂直磁化空间电磁阵列,旨在实现重载精密隔微振刚度的调控。该技术通过动磁环阵列与定磁环阵列同轴嵌套,构建单边高磁密磁场,以实现高负刚度特性。通过加速度反馈控制算法,动态调整线圈中的电流,以产生精密可控的励磁磁通,进而调节负刚度值。该阵列与大型气浮隔微振器并联,可在变重载下产生局部低动态刚度特性,有效降低隔振固有频率,拓展隔振频带至近全频域。此技术为超精密光刻机、高分辨卫星相机、超精密机床等尖端仪器设备提供了“超静”的工作环境,有助于提升精密仪器设备的精度。
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,其加工、测量精度已迈入纳米级及亚纳米级,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,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。
刚度是隔振带宽的核心决定性参数,直接影响着隔微振平台应对不同频率振动的效果。具体而言,起始隔振频率恰好为固有频率的1.414倍;当刚度降低时,起始隔振频率随之减小,从而拓宽了隔振带宽。起始隔振频率与外界微振动激励频率的相对大小,是决定振动激励是被增强还是减弱的关键因素。因此,通过实时监测外界微振动的频率,自适应地调控隔振刚度,确保隔振频带全面覆盖外界微振动范围,成为提升隔振性能的关键所在。
当前刚度调控构型的研究焦点多集中于小型光学隔微振平台与器件,其质量通常限定在千克至百千克之间。然而,面对大型精密加工装备、高精度测量仪器及大型尖端科学实验系统等承载高达几十吨至上千吨的高端设备,其刚度调控效果甚微。此外,当前的刚度调控构型无法实时精确地调整隔振参数,导致隔振效果不及预期。具体而言,刚度调控构型的设计往往针对特定的负载质量和激励频率进行优化,仅能在预设载荷条件下实现低频隔振,且起始隔振频率固定不变。一旦负载质量或激励频率发生变化,隔振系统的动态响应特性将随之波动。尤其是当激励频率低于起始隔振频率时,隔振平台非但无法发挥隔振作用,反而可能放大激励,对高端仪器装备构成潜在威胁。因此,针对兼具大承载、大尺寸及结构复杂性的大型精密气浮隔微振系统,如何实现有效的刚度调控,成为实现高性能隔振技术的核心难题。
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调控方案相比,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,产生的负刚度值对调控几十吨至上千吨大型精密隔微振平台刚度的效果甚微。此外,上述装置设计完成后,负刚度值不可调整,仅能实现恒定承载下的特定隔振频率与振动衰减效果,无法自适应负载质量、激励频率及隔振需求的变化。
综上,如何通过结构与原理创新,设计并实现一种能在重载条件下灵活调控精密隔微振刚度的装置,有效拓展隔振频带范围,使其能够自适应负载质量与激励频率的变化,进而降低环境微振动对精密仪器设备的干扰,保证工作环境最优,对于提升精密仪器设备的精度意义重大。这一创新不仅为精密仪器设备的工作环境优化提供了坚实保障,更满足了当前及未来科研探索与高端工业应用中对精度与稳定性的极高要求,具有重要的技术突破与应用前景。
实现思路