【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于机械动力学相关，更具体地，涉及一种基于空气弹簧的六自由度大负载低频激振平台。
技术介绍
1、随着ic制造产业的快速发展，各类高端制造装备的加工和使用精度都进入到纳米/亚纳米等级，各种振动的影响变得愈发突出，如何对光刻机等精密制造装备进行微振动隔离与控制已经成为研究的热点和难点。对于高性能精密隔振技术的研究将是未来高端制造装备产业发展的重要支撑和根本保障。
2、精密隔振技术的研究大致分为设计、加工和测试三个阶段。其中，测试阶段的主要任务是对整个隔振平台和负载施加有效的外部激励，准确地模拟出应用设备的工作环境，最终检验测试隔振系统的性能和稳定性。因此，如何对隔振系统施加有效且准确的工作激励，成为精密隔振技术研究的一项重要内容。
3、目前，市面上大多采用分散式单点激励的方法进行激励。该种激励方式的工作原理为：通过在减振系统周围均匀布置单点激振器，激振器通过自身振动产生激振力作用于地面，再由地面传递给减振系统的基座进行激励。这种方式虽然直接有效，但是需要克服激振系统重力的影响，大多只能提供2hz以上的激振力，对2hz以下的激励往往效果不佳，而且这种方式只能通过各个激振器之间的简单配合实现单一方向的激振，要想更改激振方向就只能通过调整安装方向来实现。另外，还有一些基于总线控制的六自由度激振平台，可以对放置于平台上的系统进行六自由度激励，但是这种激振平台完全依靠电机进行出力，无法满足大负载减振系统的激振需求。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进
2、为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于空气弹簧的六自由度大负载低频激振平台，所述激振平台包括激振器，所述激振器包括上端板、基座及水平摆机构，所述水平摆机构部分地设置在所述基座内，所述上端板连接于所述基座；所述基座及所述水平摆机构共同形成空气弹簧，所述空气弹簧与所述上端板相对设置；所述上端板用于连接负载；
3、所述激振平台通过向所述空气弹簧内通入空气来使得所述空气弹簧变形以将所述上端板浮起，进而将负载浮起。
4、进一步地，所述激振平台还包括气管及压力阀，所述压力阀通过所述气管连接于所述空气弹簧，通过所述压力阀控制所述空气弹簧内的压力以与不同质量的负载匹配。
5、进一步地，所述激振平台包括控制器、水平洛伦兹电机及垂向洛伦兹电机，所述控制器分别连接于所述水平洛伦兹电机和垂向洛伦兹电机；所述水平洛伦兹电机及所述垂向洛伦兹电机分别沿水平方向及垂直方向设置在所述基座的外周上；电机的磁铁和动子分别固定在所述上端板的下表面及所述基座的外周面上，所述水平洛伦兹电机及所述垂向洛伦兹电机分别用于提供激振平台各个方向的激振力；所述控制器用于根据工作时负载对于激振力大小和方向的需求来计算出激振器各个电机出力的大小，通过实现电机输出在质心处的解耦来实现对负载六个自由度方向的单独激振。
6、进一步地，所述激振平台的电机的输出矩阵为：
7、
8、式中，下标字母h代表水平方向，v代表垂直方向，下标的数字表示激振器的编号；∑hi＝h1+h2+h3；pxy＝x1y2-x2y1-x1y3+x3y1+
9、x2y3-x3y2；建立基于平衡状态下负载质心的全局坐标系∑o，定义负载质心c在∑o中六自由度位移为r，作用于负载质心的激振力为fc，于是有：
10、r＝[x y z α β γ]t (1)
11、fc＝[fx fy fz mx my mz]t (2)
12、定义opi为第i个激振器与支撑平台的连接点在∑o中的坐标，(opi)0为该点在∑o中的初始位置，qi则为该点在∑o中的位移，于是有：
13、qi＝[xi yi zi]＝opi-(opi)0，i＝1，2，3。
14、进一步地，所述控制器通过所述输出矩阵将希望作用于负载质心的激振力转换为各个方向电机的单独出力，从而实现对六个自由度方向的单独激振。
15、进一步地，所述激振平台还包括水平涡流位移传感器及垂向涡流位移传感器，多个所述水平涡流位移传感器及所述垂向涡流位移传感器分别沿水平向及垂直向设置在电机外壳及基座上，所述水平涡流位移传感器及所述垂向位移传感器用于采集负载在不同方向的位置信息并将位移信号反馈至所述控制器，所述控制器用于根据接收到的位移信号对电机相应控制，以保持各个电机的出力在需要的值。
16、进一步地，所述基座基本呈桶状，其形成有收容腔，所述收容腔用于收容所述水平摆机构；所述基座的开口端朝向其自身中心轴延伸有凸台，所述凸台形成有第一通孔；所述水平摆机构设置在所述收容腔内，且其连接于所述凸台及所述上端板。
17、进一步地，所述水平摆机构包括支撑盘、内压板、橡胶模及外压板，所述支撑盘为t字型的回转体，其开设有第一收容孔，所述收容孔贯穿所述支撑盘的盘体，所述盘体的上表面与所述凸台的表面共面；所述橡胶模为环形，其内外缘分别设置在所述盘体及所述凸台上，所述内压板设置在所述盘体上，并压紧所述橡胶模的内缘；所述外压板设置在所述凸台上，并压紧所述橡胶模的外缘。
18、进一步地，所述水平摆机构还包括三个拉杆及连接柱，所述内压板开设有第二通孔；所述连接柱为阶梯状，其一端穿过所述第二通孔后连接于所述上端板，另一端位于所述收容孔内；所述拉杆的一端连接于所述内压板，另一端连接于所述连接柱的台阶。
19、进一步地，所述拉杆的数量为三个，三个所述拉杆绕所述第二通孔均匀排布；所述拉杆为柔性金属杆，且三个拉杆并联形成单摆机构。
20、总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的基于空气弹簧的六自由度大负载低频激振平台主要具有以下有益效果：
21、1.所述激振平台通过空气弹簧克服目标负载重力对激振的影响，降低了垂直方向的刚度，使得电机为负载提供全频段且大小可控的激振力，并且具有良好的低频激振效果。
22、2.所述激振平台可以适用于不同质量的负载，通过调节压力阀来控制气腔的压力，从而与各种质量的负载相匹配，保证具有足够的承载能力，可以适用于大负载的激振系统。
23、3.所述激振平台的水平摆结构可以通过改变拉杆的尺寸来调整水平刚度，从而更好地与垂向刚度进行匹配，以便减小目标负载多方向激振时的耦合现象。
24、4.所述激振平台通过配置六个执行器单元在负载平台上，可以利用模态解耦的方法对激振系统六个自由度的激振效果进行单独控制，不再需要改变激振器的安装范围及方向。
25、5.所述激振平台可以根据需要组合成不同的构型，激振器的数量和布局都可以按照负载要求进行增加和改变，可以适用更多应用场合的激振需求。
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1.一种基于空气弹簧的六自由度大负载低频激振平台，其特征在于：
2.如权利要求1所述的基于空气弹簧的六自由度大负载低频激振平台，其特征在于：所述激振平台还包括气管及压力阀，所述压力阀通过所述气管连接于所述空气弹簧，通过所述压力阀控制所述空气弹簧内的压力以与不同质量的负载匹配。
3.如权利要求1所述的基于空气弹簧的六自由度大负载低频激振平台，其特征在于：所述激振平台包括控制器、水平洛伦兹电机及垂向洛伦兹电机，所述控制器分别连接于所述水平洛伦兹电机和垂向洛伦兹电机；所述水平洛伦兹电机及所述垂向洛伦兹电机分别沿水平方向及垂直方向设置在所述基座的外周上；电机的磁铁和动子分别固定在所述上端板的下表面及所述基座的外周面上，所述水平洛伦兹电机及所述垂向洛伦兹电机分别用于提供激振平台各个方向的激振力；所述控制器用于根据工作时负载对于激振力大小和方向的需求来计算出激振器各个电机出力的大小，通过实现电机输出在质心处的解耦来实现对负载六个自由度方向的单独激振。
4.如权利要求3所述的基于空气弹簧的六自由度大负载低频激振平台，其特征在于：所述激振平台的电机的输出矩阵为
5.如权利要求4所述的基于空气弹簧的六自由度大负载低频激振平台其特征在于：所述控制器通过所述输出矩阵将希望作用于负载质心的激振力转换为各个方向电机的单独出力，从而实现对六个自由度方向的单独激振。
6.如权利要求3所述的基于空气弹簧的六自由度大负载低频激振平台其特征在于：所述激振平台还包括水平涡流位移传感器及垂向涡流位移传感器，多个所述水平涡流位移传感器及所述垂向涡流位移传感器分别沿水平向及垂直向设置在电机外壳及基座上，所述水平涡流位移传感器及所述垂向位移传感器用于采集负载在不同方向的位置信息并将位移信号反馈至所述控制器，所述控制器用于根据接收到的位移信号对电机相应控制，以保持各个电机的出力在需要的值。
7.如权利要求1-6任一项所述的基于空气弹簧的六自由度大负载低频激振平台，其特征在于：所述基座基本呈桶状，其形成有收容腔，所述收容腔用于收容所述水平摆机构；所述基座的开口端朝向其自身中心轴延伸有凸台，所述凸台形成有第一通孔；所述水平摆机构设置在所述收容腔内，且其连接所述凸台及所述上端板。
8.如权利要求7所述的基于空气弹簧的六自由度大负载低频激振平台，其特征在于：所述水平摆机构包括支撑盘、内压板、橡胶模及外压板，所述支撑盘为T字型的回转体，其开设有第一收容孔，所述收容孔贯穿所述支撑盘的盘体，所述盘体的上表面与所述凸台的表面共面；所述橡胶模为环形，其内外缘分别设置在所述盘体及所述凸台上，所述内压板设置在所述盘体上，并压紧所述橡胶模的内缘；所述外压板设置在所述凸台上，并压紧所述橡胶模的外缘。
9.如权利要求8所述的基于空气弹簧的六自由度大负载低频激振平台，其特征在于：所述水平摆机构还包括三个拉杆及连接柱，所述内压板开设有第二通孔；所述连接柱为阶梯状，其一端穿过所述第二通孔后连接于所述上端板，另一端位于所述收容孔内；所述拉杆的一端连接于所述内压板，另一端连接于所述连接柱的台阶。
10.如权利要求9所述的基于空气弹簧的六自由度大负载低频激振平台，其特征在于：所述拉杆的数量为三个，三个所述拉杆绕所述第二通孔均匀排布；所述拉杆为柔性金属杆，且三个拉杆并联形成单摆机构。
...【技术特征摘要】
1.一种基于空气弹簧的六自由度大负载低频激振平台，其特征在于：
2.如权利要求1所述的基于空气弹簧的六自由度大负载低频激振平台，其特征在于：所述激振平台还包括气管及压力阀，所述压力阀通过所述气管连接于所述空气弹簧，通过所述压力阀控制所述空气弹簧内的压力以与不同质量的负载匹配。
3.如权利要求1所述的基于空气弹簧的六自由度大负载低频激振平台，其特征在于：所述激振平台包括控制器、水平洛伦兹电机及垂向洛伦兹电机，所述控制器分别连接于所述水平洛伦兹电机和垂向洛伦兹电机；所述水平洛伦兹电机及所述垂向洛伦兹电机分别沿水平方向及垂直方向设置在所述基座的外周上；电机的磁铁和动子分别固定在所述上端板的下表面及所述基座的外周面上，所述水平洛伦兹电机及所述垂向洛伦兹电机分别用于提供激振平台各个方向的激振力；所述控制器用于根据工作时负载对于激振力大小和方向的需求来计算出激振器各个电机出力的大小，通过实现电机输出在质心处的解耦来实现对负载六个自由度方向的单独激振。
4.如权利要求3所述的基于空气弹簧的六自由度大负载低频激振平台，其特征在于：所述激振平台的电机的输出矩阵为：
5.如权利要求4所述的基于空气弹簧的六自由度大负载低频激振平台其特征在于：所述控制器通过所述输出矩阵将希望作用于负载质心的激振力转换为各个方向电机的单独出力，从而实现对六个自由度方向的单独激振。
6.如权利要求3所述的基于空气弹簧的六自由度大负载低频激振平台其特征在于：所述激振平台还包括水平涡流位移传感器及垂向涡流位移传感器，多个所述水平涡流位移传感器及所述垂向涡流位移传感器分别沿水平向及垂直向设置在电...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈学东，张重阳，李小清，杨恭领，张争光，成茂洲，袁忠湘，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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