本發(fā)明屬于精密隔振，特別是高端儀器裝備重載精密氣磁復合低頻隔微振器。

背景技術(shù)：

1、隨著大型精密加工裝備、測量儀器和大型尖端科學實驗系統(tǒng)的快速迭代升級，高端精密儀器裝備的加工、測量精度已邁入納米及亞納米級，其對環(huán)境中微振動的敏感度也逐漸提升。即使人類感官無法察覺的低頻微幅振動干擾，也會嚴重影響大型精密加工裝備、測量儀器設備和大型尖端科學實驗系統(tǒng)的精度。因此，必須減弱或隔離環(huán)境振動，尤其是低頻微幅振動，對大型精密加工、測量和尖端科學實驗領(lǐng)域高端精密儀器裝備精度的影響至關(guān)重要。

2、剛度是決定隔振帶寬的核心參數(shù)，直接關(guān)乎隔微振平臺對不同頻率振動的作用效果。隔微振器的剛度越小，隔振頻帶越寬、低頻隔微振效果越好；然而，低剛度特性會導致高靜態(tài)變形、低穩(wěn)定性與弱抗干擾能力，降低隔微振平臺的承載。因此，如何在不影響承載的條件下、降低隔振剛度是提升隔振性能的關(guān)鍵。并聯(lián)負剛度結(jié)構(gòu)可在不影響承載的條件下，降低隔振剛度、拓展隔振頻帶。然而，現(xiàn)有負剛度結(jié)構(gòu)的研究主要面向小型光學隔微振平臺和器件上，這些平臺和器件的質(zhì)量通常在千克至百千克以內(nèi)；當面向大型精密加工裝備、測量儀器和大型尖端科學實驗系統(tǒng)等高達幾十噸至上千噸的重載隔微振需求時，產(chǎn)生的負剛度低，對降低隔振剛度、拓展隔振帶寬的效果甚微。因此，面向兼具大承載、大尺寸與結(jié)構(gòu)復雜特性的大型精密隔微振系統(tǒng)，如何降低其隔振剛度、拓展隔振頻帶是實現(xiàn)高性能隔振的關(guān)鍵。

3、專利號cn202010897879.x公開了一種基于電磁負剛度的雙穩(wěn)態(tài)非線性能量肼，上、下磁環(huán)和上、下線圈對中磁環(huán)施加吸引力構(gòu)成在線可調(diào)的電磁負剛度彈簧，電磁負剛度彈簧與對壓彈簧并聯(lián)構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)非線性能量肼；線圈未通電時，通過調(diào)節(jié)上、下磁環(huán)與中磁環(huán)間距離調(diào)節(jié)永磁負剛度的性能；線圈通電時，通過調(diào)節(jié)上下線圈中的電流及上下線圈與中磁環(huán)間的距離實時調(diào)節(jié)電磁負剛度性能。專利號cn202211512185.5公開了一種基于線性磁式負剛度的低頻隔振裝置，通過沿軸向等間隙布置的三個磁環(huán)以及每個永磁體外部配置的同軸環(huán)形線圈實現(xiàn)線性磁式負剛度，其中，三個環(huán)形線圈垂向同軸心對稱布置構(gòu)成吸引式電磁負剛度機構(gòu)，三個磁環(huán)和三個環(huán)形線圈垂向同軸心對稱布置構(gòu)成排斥式電磁負剛度機構(gòu)，吸引式電磁負剛度機構(gòu)和排斥式電磁負剛度機構(gòu)耦合實現(xiàn)了軟化剛度特性與硬化剛度特性的非線性抵消。專利號cn202311009285.0公開了一種剛度粗細可調(diào)的磁氣式隔振裝置及隔振方法，通過內(nèi)設于隔振器內(nèi)部的四塊立方動永磁體與呈十字形固定安裝的一對立方永磁體和一對電磁鐵實現(xiàn)粗細可調(diào)的負剛度特性。其中，動永磁體與定永磁體之間可調(diào)的間隙實現(xiàn)了負剛度的粗調(diào)，電磁鐵中的通電電流大小實現(xiàn)了負剛度的細調(diào)。上述技術(shù)方案均采用立方永磁體或環(huán)形永磁體等間隙陣列布置構(gòu)成，存在顯著的漏磁問題，所能提供的負剛度值相對較低。

4、哈爾濱工業(yè)大學崔俊寧教授提出了一種超低頻空氣彈簧隔振器(1.“基于電磁負剛度結(jié)構(gòu)的空氣彈簧隔振器”，zl202010605223.6；2.基于軸向磁化磁環(huán)負剛度結(jié)構(gòu)的超低頻空氣彈簧隔振器，zl202010606309.0；3.基于負剛度磁彈簧的大承載超低頻空氣彈簧隔振器，zl202010605236.3；4.基于垂直磁化磁環(huán)負剛度結(jié)構(gòu)的超低頻隔振器，zl202010605241.4)，利用徑向反向磁化、軸向同向磁化以及互相垂直磁化的內(nèi)外磁環(huán)實現(xiàn)負剛度特性，并利用內(nèi)、外磁環(huán)相對運動產(chǎn)生的電渦流與內(nèi)置的節(jié)流孔協(xié)同作用，形成了高效的阻尼機制，從而有效地的衰減振動能量，提升隔振系統(tǒng)的穩(wěn)定性和隔振性能。專利號cn202311375790.7公開了一種定動子錯位配置的高線性磁負剛度機構(gòu)，通過將勵磁方向相同且磁力呈斥力狀態(tài)的定子磁環(huán)、動子磁環(huán)同軸嵌套，沿z向排列成多層或沿水平向交替排列成多列，以增大定子磁環(huán)與動子磁環(huán)之間作用力在z向提供的負剛度值，并通過在動子磁環(huán)與同層定子磁環(huán)之間設置初始偏置改善負剛度特性的線性度。與基于立方永磁體等間隙陣列布置的負剛度結(jié)構(gòu)方案相比，由徑向反向磁化、軸向同向磁化以及互相垂直磁化的內(nèi)外磁環(huán)同軸嵌套，并沿某一方向等間隙陣列布置的方案可提升負剛度值。然而，在上述技術(shù)方案中，負剛度機構(gòu)中的定子與動子均為徑向磁化或軸向磁化的單一磁環(huán)，對于此類沿某一方向均勻磁化的磁環(huán)，在其內(nèi)、外或上、下兩側(cè)形成的勵磁磁場對稱，但僅一側(cè)磁場被利用，另一側(cè)閑置，導致此方案的磁場利用率仍有待優(yōu)化，產(chǎn)生的負剛度值對降低幾十噸至上千噸大型精密隔微振平臺剛度效果甚微。

5、綜上，如何通過結(jié)構(gòu)與原理創(chuàng)新，提供一種能夠降低重載精密隔微振剛度的裝置，拓展低頻隔振頻帶，對降低環(huán)境微振動對高端精密儀器裝備的干擾，保證高端精密儀器裝備工作環(huán)境最優(yōu)、進而提升高端精密儀器裝備的精度具有重大意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的核心目標在于解決環(huán)境振動干擾對高端精密儀器裝備的負面影響，復合磁浮技術(shù)與精密氣浮系統(tǒng)設計高端儀器裝備重載精密氣磁復合低頻隔微振器。該裝置利用多層垂直磁化的等截面磁環(huán)陣列，增強工作側(cè)磁場，削弱非工作側(cè)磁場，形成單邊高磁密磁場。將垂直磁化的動磁環(huán)陣列與定磁環(huán)陣列同軸嵌套實現(xiàn)高負剛度特性，與大型氣浮隔振器并聯(lián)，降低隔振固有頻率，拓展隔振范圍。此設計可為超精密光刻機、高分辨衛(wèi)星相機、超精密機床等超精密儀器提供“超靜”環(huán)境，顯著提升高端儀器精度。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

3、高端儀器裝備重載精密氣磁復合低頻隔微振器，采用氣浮方式穩(wěn)定支撐數(shù)十噸至千噸的負載，并結(jié)合磁浮技術(shù)產(chǎn)生高負剛度特性，有效減小隔振剛度，實現(xiàn)低頻乃至近零頻隔振；其特征在于：包括負載平臺、垂直磁化空間負剛度陣列與大型氣浮隔微振器；所述大型氣浮隔微振器包括上蓋板、彈性膜、主氣罐、附加氣罐與壓縮氣體，上蓋板與負載平臺固定連接，與彈性膜、主氣罐構(gòu)成密閉氣室，密閉氣室內(nèi)通入壓縮氣體；所述垂直磁化空間負剛度陣列包括同軸安裝、由軸心沿半徑向外依次排布的動磁環(huán)安裝件、動磁環(huán)陣列、定磁環(huán)陣列與定磁環(huán)固定件，動磁環(huán)安裝件為t形截面的圓柱體結(jié)構(gòu)，其頂端與負載平臺固定連接，底部與地面保持一定間隙；動磁環(huán)陣列緊密配合、固定安裝在動磁環(huán)安裝件的外側(cè)面，其底部通過動磁環(huán)定位件壓緊固定；動磁環(huán)陣列與定磁環(huán)陣列、定磁環(huán)固定件沿徑向設有間隙，定磁環(huán)固定件為內(nèi)側(cè)面沿圓周設置深槽的環(huán)形套筒，其底部固定，頂部與負載平臺保持一定間隙；定磁環(huán)陣列緊密配合、固定安裝在定磁環(huán)固定件內(nèi)側(cè)面的深溝槽內(nèi)，其頂部通過定磁環(huán)定位件壓緊固定；動磁環(huán)陣列與定磁環(huán)陣列均由2n+1層沿軸向陣列排布、相鄰層間垂直磁化的等截面磁環(huán)構(gòu)成，其中n≥1，n∈n+；動磁環(huán)陣列與定磁環(huán)陣列中同層磁環(huán)的高度相等，且奇數(shù)層磁環(huán)的高度均相等，偶數(shù)層磁環(huán)的高度均相等；動磁環(huán)陣列與定磁環(huán)陣列的第一層磁環(huán)沿徑向反向磁化，且其底面重合；在正剖面視圖的右半側(cè)，每增加一層，動磁環(huán)的磁化方向順時針旋轉(zhuǎn)90°，定磁環(huán)的磁化方向逆時針旋轉(zhuǎn)90°。

4、優(yōu)選的，所述垂直磁化空間負剛度陣列與大型氣浮隔微振器相鄰間隙排布或垂直磁化空間負剛度陣列同軸嵌套固定安裝在大型氣浮隔微振器的主氣罐內(nèi)。

5、優(yōu)選的，所述大型氣浮隔微振器采用鋼環(huán)密封、o型密封、膜片密封或壓力自密封方式。

6、優(yōu)選的，所述壓縮氣體的壓力為0.1mpa～0.8mpa。

7、優(yōu)選的，所述主氣罐與多個密閉附加氣罐通過節(jié)流孔或氣管串聯(lián)連接。

8、優(yōu)選的，所述動磁環(huán)陣列與定磁環(huán)陣列中沿徑向磁化的磁環(huán)由多塊沿徑向均勻磁化的瓦型磁鐵拼接而成，瓦型磁鐵的塊數(shù)可為4、5、6、8、10、12與15，相鄰瓦型磁鐵間的間隙不超過3°。

9、優(yōu)選的，所述動磁環(huán)安裝件、定磁環(huán)固定件、動磁環(huán)定位件與定磁環(huán)定位件為不導磁或弱導磁的鋁合金，鈦合金金屬材料。

10、優(yōu)選的，所述相鄰附加氣罐之間節(jié)流孔的數(shù)量不同、位置不重合。

11、優(yōu)選的，所述節(jié)流孔為三角形、圓形、五角星或者其他多邊形狀。

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

13、(1)本發(fā)明創(chuàng)新提出了面向高端儀器裝備的重載精密氣磁復合低頻隔微振器。重載精密氣磁復合低頻隔微振器采用大型氣浮隔微振器與垂直磁化空間負剛度陣列并聯(lián)支撐負載平臺，其中，大型氣浮隔微振器以氣浮方式穩(wěn)定支撐幾十噸至上千噸的負載平臺，并有效隔離中高頻段的振動；而垂直磁化空間負剛度陣列則利用磁浮方式產(chǎn)生高負剛度特性，在不影響大型氣浮隔微振器承載質(zhì)量的條件下，產(chǎn)生局部低動態(tài)剛度特性，降低隔振固有頻率、拓展隔振帶寬，為超精密光刻機、高分辨衛(wèi)星相機、超精密機床等高端儀器裝備提供“超靜”的工作環(huán)境。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之一。

14、(2)本發(fā)明創(chuàng)新提出具有零磁力與高負剛度特性的垂直磁化空間負剛度陣列。垂直磁化空間負剛度陣列利用由2n+1(n≥1，n∈n+)層沿軸向陣列排布、相鄰層間垂直磁化的等截面磁環(huán)陣列構(gòu)成的動磁環(huán)陣列與定磁環(huán)陣列同軸嵌套構(gòu)建單邊高磁密磁場，有效削弱非工作側(cè)的磁場強度，同時顯著增強工作側(cè)的磁場強度，從而產(chǎn)生足以降低幾十噸至上千噸大型精密隔微振剛度參數(shù)的高幅值負剛度特性，降低隔振固有頻率；此外，垂直磁化空間負剛度陣列的整體結(jié)構(gòu)關(guān)于第n+1層磁環(huán)上下對稱，其軸向磁力為零，可在不影響重載精密隔微振承載的條件下，為降低其隔振剛度提供構(gòu)型基礎。這是本發(fā)明區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點之二。