專利名稱：通用空氣伺服動(dòng)力消振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通用化空氣伺服調(diào)節(jié)剛度的動(dòng)力消振器，它通過空氣壓力的變化達(dá)到改變等效彈簧剛度的目的。本發(fā)明主要針對(duì)超精密試驗(yàn)臺(tái)、超精密機(jī)床和光學(xué)平臺(tái)的隔振要求開發(fā)，屬于超精密加工及測(cè)量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
動(dòng)力消振器與隔振器都用于消除有害振動(dòng)，但是方式不同，前者主要用于降低振動(dòng)的共振幅值，后者是將隔振器固有頻率設(shè)計(jì)得遠(yuǎn)低于需要隔振設(shè)備第一階固有頻率的0.707以下，使設(shè)備各階固有頻率的振動(dòng)都得到抑制。
動(dòng)力消振器是需要根據(jù)特定的負(fù)載和振動(dòng)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)相關(guān)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(dòng)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(huì)因?yàn)樨?fù)載的改變而改變，所以一個(gè)通用隔振器就能滿足一類負(fù)載(主要是質(zhì)量和形狀上的限制)的隔振要求。動(dòng)力消振器之所以不能像隔振器那樣實(shí)現(xiàn)商業(yè)通用化，是因?yàn)闉榱吮ＷC主質(zhì)量(負(fù)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(fù)載M1的振幅為最小，如果更換主質(zhì)量(負(fù)載M1)，就必須改變相關(guān)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(dá)到，或通過更換元器件達(dá)到。目前實(shí)際設(shè)計(jì)和使用中的動(dòng)力消振器中的剛度元件通常為機(jī)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(yīng)的元件，基于此就很難實(shí)現(xiàn)動(dòng)力消振器的商業(yè)通用化。
動(dòng)力消振器如果實(shí)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(dòng)力消振器，另一方面也必須實(shí)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(guó)專利(申請(qǐng)?zhí)?8107926.X，申請(qǐng)日89.4.14)采用電磁彈簧代替了機(jī)械彈簧，實(shí)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(dǎo)磁材料的磁飽和特性和消振器的機(jī)械結(jié)構(gòu)，所以它適用于振幅較小，振動(dòng)頻率變化范圍不大的場(chǎng)合。
中國(guó)專利(申請(qǐng)?zhí)?9102179.5，申請(qǐng)日89.4.14)設(shè)計(jì)了一種消振器，包含了一個(gè)油缸通過活塞分為上下油缸，每個(gè)油缸內(nèi)各包含一個(gè)空氣室，工作時(shí)通過液壓讓活塞上下移動(dòng)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(dá)到了動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)動(dòng)力消振器中彈簧剛度的目的。
上述的前一個(gè)專利在適用對(duì)象范圍較小，不夠理想。后一個(gè)專利結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用了兩個(gè)油缸和兩個(gè)氣缸的結(jié)構(gòu)，其制造加工難度增加同時(shí)造成成本的增加，另外一方面油缸的使用勢(shì)必會(huì)引起油料泄漏的問題，那怕是十分微小的泄漏都可能對(duì)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(huì)降低凈化間內(nèi)的潔凈度，從而影響超精密凈化間內(nèi)設(shè)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(dǎo)體制造工廠中，對(duì)凈化間內(nèi)設(shè)備外殼上涂覆的油漆都有十分嚴(yán)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(dǎo)體的最終加工精度。

發(fā)明內(nèi)容
綜上所述，現(xiàn)有動(dòng)力消振器存在剛度和阻尼參數(shù)調(diào)節(jié)困難，難以實(shí)現(xiàn)通用化的缺點(diǎn)。本發(fā)明目的在于解決動(dòng)力消振器的上述缺點(diǎn)，采用空氣彈簧構(gòu)建一種通用動(dòng)力消振器，通過調(diào)節(jié)空氣壓力達(dá)到調(diào)節(jié)動(dòng)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的通用化目標(biāo)，即一個(gè)動(dòng)力消振器滿足一類設(shè)備的消振要求。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下通用空氣伺服動(dòng)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(shè)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(shí)上下活動(dòng)，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(fù)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(gè)彈簧K1和K2，根據(jù)經(jīng)典動(dòng)力消振器的理論知道，只要適當(dāng)調(diào)整K1和K2的數(shù)值，就可以達(dá)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(shí)現(xiàn)的，因?yàn)槠涞刃椈蓜偠榷x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(guān)系，所以直接調(diào)節(jié)空氣壓力就能達(dá)到調(diào)節(jié)等效彈簧剛度的目的。這樣相對(duì)于普通消振器中機(jī)械彈簧，本發(fā)明中的剛度參數(shù)調(diào)節(jié)就顯得非常簡(jiǎn)單直接、穩(wěn)定可靠。
本發(fā)明與中國(guó)專利(申請(qǐng)?zhí)?9102179.5，申請(qǐng)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(dòng)的方式，改變上下兩個(gè)空氣室的有效高度，達(dá)到改變壓力和剛度的目的。本發(fā)明中的隔板(相當(dāng)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(jiǎn)單同時(shí)能夠在凈化間中使用。
本發(fā)明相比已有的技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)第一，本發(fā)明通過空氣壓力改變達(dá)到等效彈簧剛度的改變，比普通機(jī)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(jiǎn)單可靠、成本低廉和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可以在凈化間中使用。
第三，本發(fā)明所述動(dòng)力消振器由于其調(diào)節(jié)方便和其簡(jiǎn)單低成本，達(dá)到了實(shí)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(jī)床、光學(xué)平臺(tái)等領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明所述空氣伺服動(dòng)力消振器的剖視示意圖。
圖2為本發(fā)明所述空氣伺服動(dòng)力消振器的理論模型示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例來(lái)具體說明本發(fā)明。
如圖1所示，本發(fā)明所述的動(dòng)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(lái)支撐負(fù)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(tái)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(shí)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(jī)連接，實(shí)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(tái)階上，從而實(shí)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(shí)施例中，所述隔板不是固定的而是活動(dòng)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(dòng)，與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)不同。
圖2顯示了本發(fā)明所述的動(dòng)力消振器的理論模型，其中，活塞和負(fù)載簡(jiǎn)化為質(zhì)量M1，隔板簡(jiǎn)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(dāng)負(fù)載振動(dòng)F或地面?zhèn)鱽?lái)振動(dòng)x0時(shí)，會(huì)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(dòng)(振幅x1)，同時(shí)保證活塞上的負(fù)載M1振動(dòng)幅值x1為最小甚至為零，達(dá)到通過輔助質(zhì)量將有害振動(dòng)能量消耗掉而保全主質(zhì)量不振動(dòng)的目的。
系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)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(yīng)向量x(t)＝{x1(t)，x2(t)}T和激勵(lì)力向量f(t)＝{f1(t)，f2(t)}T。
系統(tǒng)的頻率響應(yīng)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(dòng)頻率，為Hij(ω)頻率響應(yīng)函數(shù)的各個(gè)分量。
如果振動(dòng)來(lái)自于負(fù)載的振動(dòng)，那么M1上的響應(yīng)與激勵(lì)力的傳遞函數(shù)為H11(W)=k1+k2-ω2m2(k1+k2-ω2m2)(k1-ω2m1)-k12]]>當(dāng)頻率滿足k1+k2＝ω2m2時(shí)為系統(tǒng)處于反共振狀態(tài)，此時(shí)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(duì)一定的振動(dòng)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(fù)載響應(yīng)為零。從上式還可以看出該傳遞函數(shù)與負(fù)載本身質(zhì)量M1無(wú)關(guān)，由于隔板質(zhì)量M2是一定的，上式也說明該動(dòng)力消振器工作時(shí)針對(duì)一定的擾動(dòng)頻率，系統(tǒng)參數(shù)(K1/K2)與負(fù)載質(zhì)量無(wú)關(guān)，具有通用性。
如果振動(dòng)來(lái)自于地面?zhèn)鬟f的振動(dòng)，那么M1上的響應(yīng)與激勵(lì)力的傳遞函數(shù)為H12(W)=k1(k1+k2-ω2m2)(k1-ω2m2)-k12]]>其中ω為振動(dòng)頻率當(dāng)ω＝ω0，系統(tǒng)處于共振狀態(tài)，ω0為共振頻率；當(dāng)ω≠ω0時(shí)，為使負(fù)載的相應(yīng)最小即H12(W)的值最小。針對(duì)一定的有害振動(dòng)頻率ω，只要適當(dāng)選擇k1、k2，就可以是上式的值最小。
因?yàn)槠涞刃椈蓜偠榷x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(dāng)調(diào)節(jié)壓力P值就可以合適的K值，達(dá)到消振的目的。
權(quán)利要求
1.通用空氣伺服動(dòng)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(shè)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(shí)上下活動(dòng)，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(dòng)力消振器，屬于超精密加工及測(cè)量領(lǐng)域。為了解決現(xiàn)有動(dòng)力消振器存在的剛度和阻尼參數(shù)調(diào)節(jié)困難，難以實(shí)現(xiàn)通用化的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種通用空氣伺服動(dòng)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(shè)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(shí)上下活動(dòng)，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(jiǎn)單可靠、成本低廉、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。
文檔編號(hào)F16F9/02GK1670398SQ20051001161
公開日2005年9月21日 申請(qǐng)日期2005年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月22日
發(fā)明者汪勁松, 朱煜, 徐登峰, 楊學(xué)智 申請(qǐng)人:清華大學(xué)