一种六自由度的空气弹簧隔振平台

1.本发明涉及精密隔振的技术领域，具体涉及一种六自由度的空气弹簧隔振平台。


背景技术：

2.随着科技技术的不断发展，在精密测量与精密加工领域，高精密仪器所研究的对象已达到了微纳尺度，对实验测试和应用环境提出了更为苛刻的要求，而周围环境充斥着各种振动与冲击，这些干扰传导到设备上会对结果造成巨大的影响。因此需要隔振设施来减小或者抵消这些干扰。
3.现有技术中，空气弹簧能有效地隔离中高频干扰，负载能力强，阻尼可调节，可有效降低振动传递率，保证系统平稳运行，目前采用空气弹簧隔振器搭建大型超精密隔振平台用于无噪音精密实验室，隔离外部环境的噪声干扰，使精密仪器能高效稳定工作。
4.为了保证精密仪器工作时不会因为周围环境振动影响仪器稳定性和测量精度，因此需要给这些仪器搭建一个低振动噪声的实验室环境，常见的解决办法是给仪器设计隔振平台去隔离振动，但针对精密实验室隔振平台的搭建，现有隔振平台技术存在如下技术问题：
5.1.隔振平台类型的选择受到实验室环境洁净度、负载大小等因素的影响；
6.2.隔振平台不具有多自由度姿态调整功能或不具有大负载能力；
7.3.隔振平台所用隔振器只能满足单个自由度上的调整，其他方向上的自由度调整需要配合作动器。
8.例如，公开号为cn106763465a的中国专利公开了一种六自由度主被动减振平台，采用比空气弹簧承载能力更强的液压伺服油缸作为主动执行装置的隔振平台，但是对于环境洁净度有要求的精密实验室并不适用。公开号为cn111022567a的中国专利公开了一种高精度自水平空气弹簧隔振台，采用四个矩形分布的空气弹簧，通过调整空气弹簧内部气压，从而达到隔振平台的高精度水平姿态和隔振效果，但对于垂直方向三自由度的振动干扰没有加以措施抑制。公开号为cn103075615a的中国专利公开了基于气磁零位基准和激光自准直测量的空气弹簧隔振平台，采用均匀分布的空气弹簧隔振器支撑负载平台，并在各个隔振器和平台台体之间配置垂直位移执行器和水平位移执行器，采用分光棱镜和光电检测器实现平台六自由度姿态监测，但激光束检测的稳定性仍然受到地面的振动的影响，同时水平方向上的隔振需要配合水平方向上的作动器。本技术人在此前公开号为cn111810581a的中国专利中公开了一种基于空气弹簧的大型精密隔振平台，其中采用垂直空气弹簧和水平空气弹簧的组合作为控制器，基于空气弹簧上设有的反馈传感器的反馈信息来动态控制隔振平台，从而实现主被动复合隔振，但并未公开如何利用垂直空气弹簧和水平空气弹簧的组合以及具体的结构实现六自由度隔振的过程。


技术实现要素：

9.为了解决现有技术中隔振平台类型的选择受到实验室环境洁净度、负载大小等因
素的影响、隔振平台不具有多自由度姿态调整功能或不具有大负载能力、所用隔振器只能满足单自由度上的调整，其他方向上的自由度调整需要配合作动器的问题，本技术提供一种六自由度的空气弹簧隔振平台，用以解决上述技术问题。
10.本发明提出了一种六自由度的空气弹簧隔振平台，包括高压气源、隔振负载、垂直隔振器和水平隔振器，垂直隔振器设置于隔振负载的四角，水平隔振器设置于垂直隔振器之间的区域，其中：
11.垂直隔振器自下而上包括底座、第一空气轴承和垂直空气弹簧，高压气源分别连接第一空气轴承和垂直空气弹簧，并在第一空气轴承与底座之间形成可供垂直隔振器移动和转动的第一压力气膜导轨，垂直空气弹簧通过调节内部压力衰减垂直隔振器受到的振动干扰；
12.水平隔振器包括底板、垂直立柱、第二空气轴承、水平空气弹簧和第二顶板，和第二顶板与隔振负载固定连接，两组水平空气弹簧关于垂直立柱设置于和第二顶板上，垂直立柱设置于底板上并与和第二顶板之间存在间隙，第二空气轴承设置于水平空气弹簧与垂直立柱之间，高压气源分别连接第二空气轴承和水平空气弹簧，并在第二空气轴承和水平空气弹簧之间形成可供水平隔振器移动和转动的第二压力气膜导轨，水平空气弹簧通过两组水平空气弹簧的之间的气路连通衰减水平隔振器受到的振动干扰。
13.优选的，垂直空气弹簧包括第一顶板、缓震圈、弹性膜、压环、盖板和气缸，盖板与气缸的内部密封配合并将气缸分割为上气腔和下气腔，压环将弹性膜密封固定于缓震圈下方的气缸的口部，缓震圈设置于第一顶板与气缸之间。缓震圈的设置可以保护气缸，防止弹簧工作过程中出现较大的振动位移导致顶板与其下方部件发生碰撞。
14.进一步优选的，弹性膜、压环和缓震圈均为环形结构。
15.进一步优选的，压环为金属材质，包括外压环和内压环，弹性膜的圆周直径小于外压环的圆周直径，内压环的圆周直径与弹性膜的圆周直径相同。凭借该设置可以确保内外压环紧密地将弹性膜固定。
16.进一步优选的，上气腔和下气腔之间通过气缸的外部管道连接，且外部管道上设置有节流阀。凭借该设置可以调节上下气腔之间的压差。
17.进一步优选的，气缸的外部还设置有用于防止垂直空气弹簧过冲的保护装置。凭借该设置避免垂直空气弹簧过冲影响隔振效果。
18.优选的，第一空气轴承为圆柱体结构，在圆柱体结构的圆周方向等距设置有8个进气口，并在圆柱体结构的内部交汇形成一方形气道，交汇点处设置有通向第一空气轴承底部的第一节流孔，第一空气轴承可上下位移以及可转动地设置于底座上。
19.优选的，第二空气轴承为圆柱体结构，在其圆周表面等距设置有6个进气口，并在第二空气轴承内部交汇形成一六边形气道，交汇点处设置有通往第二空气轴承的底部的第二节流孔，第二空气轴承的底部与一个水平空气弹簧相对应。
20.进一步优选的，水平空气弹簧与第二空气轴承对应的一侧设置有波纹管，波纹管的一端与水平空气弹簧的气腔密封连接，另一端密封设置有用于挡住第二节流孔的金属板，波纹管在受到气体压力膨胀的同时第二空气轴承经第二节流孔作用在第二空气轴承与金属板之间形成第二压力气膜导轨。
21.进一步优选的，两个水平空气弹簧相对面的底部上设置有防撞橡胶。凭借该设置
可以防止垂直立柱因振动干扰而产生较大位移时挤压到第二空气轴承。
22.本发明隔振平台结构简单、隔振效果好、装配简单，且能根据不同负载需求灵活选择隔振器个数和承载大小，更加适用于复杂的工作环境；采用空气弹簧作为隔振的主要部件之一，空气弹簧负载能力大，使得隔振器具有极低的固有频率，能够吸收中、高频振动，同时对较低频率的振动也有良好的吸收性能，适用于大型负载平台的搭建；采用空气轴承作为隔振器的主要部件之一，空气轴承和空气弹簧组合形成的隔振器结构在台体姿态调整时不仅具有空气弹簧在垂直或水平方向自由度上的调整优势，而且空气轴承产生的高压气膜作为滑动导轨可用于控制隔振平台的俯仰、滚转和偏航运动，既提高了隔振平台的隔振效果又具有创新性。
附图说明
23.包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。
24.图1是根据本发明的一个实施例的六自由度的空气弹簧隔振平台的结构示意图；
25.图2是根据本发明的一个具体实施例的垂直隔振器的结构示意图；
26.图3是根据本发明的一个具体实施例的垂直隔振器中空气轴承的结构示意图；
27.图4是根据本发明的一个具体的实施例的节流孔的局部放大剖面图；
28.图5是根据本发明的一个具体的实施例的水平隔振器的结构示意图；
29.图6是根据本发明的一个具体的实施例的水平隔振器中空气轴承的结构示意图；
30.图7是根据本发明的一个具体的实施例的水平隔振器局部放大剖面图；
31.图8是根据本发明的一个具体的实施例的实现六自由度隔振的原理示意图；
32.图9是根据本发明的一个具体的实施例的实现x轴方向上隔振的原理示意图；
33.图10是根据本发明的一个具体的实施例的实现y轴方向上隔振的原理示意图；
34.图11是根据本发明的一个具体的实施例的实现z轴方向上隔振的原理示意图；
35.图12是根据本发明的一个具体的实施例的实现z轴、x轴旋转和y轴旋转方向上隔振的原理示意图。
36.图中各编号的含义：1-负载平台；2-垂直隔振器；3-水平隔振器；4-顶板a；5-缓震圈；6-外压环；7-弹性膜；8-沉孔；9-内压环；10-保护装置；11-固定螺栓；12-盖板；13-橡胶圈；14-气缸；15-节流阀；16-空气轴承；17-节流孔；18-底座；19-空气轴承进气口；20螺栓；21-节流孔；22-储气槽；23-压力气膜；24-顶板b；25-水平空气弹簧；26-金属板；27-防撞橡胶；28-空气轴承b；29-垂直立柱；30-底板；31-水平空气弹簧进气口；32-水平空气弹簧气腔；33-波纹管；34-金属压环；35-水平隔振器气膜形成的导轨；36-垂直隔振器气膜形成的导轨。
具体实施方式
37.在以下详细描述中，参考附图，该附图形成详细描述的一部分，并且通过其中可实践本发明的说明性具体实施例来示出。对此，参考描述的图的取向来使用方向术语，例如“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”等。因为实施例的部件可被定位于若干不同取向中，为了图示的目的使用方向术语并且方向术语绝非限制。应当理解的是，可以利用其他实施例或可以做出逻辑改变，而不背离本发明的范围。因此以下详细描述不应当在限制的意义上被采用，并且本发明的范围由所附权利要求来限定。
38.图1示出了本发明的六自由度的空气弹簧隔振平台的结构示意图，如图1所示，本技术的六自由度的空气弹簧隔振平台包括隔振负载1、垂直隔振器2和水平隔振器3，隔振负载1通过均匀分布的四个垂直隔振器2和倾斜放置在垂直隔振器之间的三个水平隔振器3支撑；垂直隔振器2均匀分布在隔振平台四角；水平隔振器3放置在垂直隔振器2形成的四边形之间的区域。
39.图2示出了根据本发明的一个具体实施例的垂直隔振器的结构示意图，如图2所示，垂直隔振器2主要组成结构包括底座18、安装在底座18上的空气轴承16和安装在空气轴承上的垂直空气弹簧，垂直空气弹簧与空气轴承16同轴连接，垂直隔振器2的整体结构呈轴对称，其中，顶板4置于弹簧的顶部，为了减轻垂直隔振器的整体重量，顶板4的中部设置有凹陷结构；顶板4的下方设置有缓震圈5，缓震圈5为环形结构，缓震圈5起到保护气缸的作用，用于防止弹簧工作过程中出现较大的振动位移导致顶板4与其下方部件发生碰撞；缓震圈5下方为弹性膜7，弹性膜7由金属外压环6和内压环9进行密封固定，外压环6和内压环9均为环形结构，弹性膜7圆周直径小于外压环6圆周直径，内压环9的圆环尺寸与弹性膜7尺寸相同，外压环6的上表面竖直均匀设有八个沉孔8，螺栓的下部穿设在沉孔8内，且连接到位于外压环6和弹性膜7下方的内压环9的螺纹上，弹性膜7上同样位置竖直开设有供螺栓穿过的通孔，内压环9将弹性膜7的内端压紧固定在外压环6侧壁上，外压环6将弹性膜7的下端压紧固定在内压环9上，凭借该设置可有效地防止高压气体外泄，使空气弹簧内部具有良好的气密性，弹性膜7具有可伸缩性，充气后弹性膜向上膨胀时，支撑隔振负载1；保护装置10用于防止垂直空气弹簧过冲；垂直空气弹簧的气缸14通过盖板12分为上气腔和下气腔两部分，盖板12下方为橡胶圈13，固定螺栓11将盖板12和橡胶圈13与气缸14密封连接，上气腔和下气腔通过外部管道连接，分别连在节流阀15的两端。
40.继续参考图3，图3示出了根据本发明的一个具体实施例的垂直隔振器中空气轴承的结构示意图，如图3所示，垂直隔振器2中的空气轴承16为圆柱体结构，轴承壳体中间沿的圆周方向均匀地在曲面上设置八个进气口19，进气口19形状为圆形，通过外部气路向空气轴承16内部充入气体时，分别用七个螺栓20将圆周上的七个进气口19堵住，只留下一个进气口往里充气，此时四条气路在同一平面上的交叉形状为正方形，在空气轴承的底面上在又开有四个节流孔17，节流孔17向内延伸与气路相通，其位置位于正方形各边的中点处，气体从进气口19进入空气轴承16后，再从节流孔17流出。
41.在具体的实施例中，图4示出了根据本发明的一个具体的实施例的节流孔的局部放大剖面图，如图4所示，节流孔的孔径内大外小，储气槽22内的气体经过节流作用后压力下降。进一步的，气体沿着空气轴承底面，从轴承底面边缘流出，由于气体的黏性流动，在轴承底面和底座间隙间形成一张压力气膜23，利用压力气膜23横向摩擦力趋近于零的特性，依靠此压力气膜23支撑隔振负载并提供整个垂直隔振器多个自由度的微量位移和角度的旋转。
42.继续参考图5，图5示出了根据本发明的一个具体的实施例的水平隔振器的结构示
意图，如图5所示，水平隔振器3主要组成结构包括底板30；安装在底板30上的垂直立柱29；与负载平台固定连接的顶板24，顶板24与垂直立柱29之间存在间隙，以保证垂直立柱29具有水平方向的自由度；包括两个水平空气弹簧25，分别安装在顶板24左右两侧，当周围环境中产生了水平方向的振动干扰时，振动传递到垂直立柱29上，垂直立柱29将沿着振动干扰的方向产生位移，从而压缩此侧的水平空气弹簧25，再利用水平空气弹簧25的阻尼特性消除振动干扰；安装在水平空气弹簧25与垂直立柱29之间的空气轴承28为滑动轴承，用以提供隔振器垂直方向的自由度；安装在水平空气弹簧25上的防撞橡胶27，防止垂直立柱29因振动干扰而产生较大位移时挤压到空气轴承28。
43.在具体的实施例中，图6示出了根据本发明的一个具体的实施例的水平隔振器中空气轴承的结构示意图，如图6所示，水平隔振器中的空气轴承28原理与垂直空气弹簧中的空气轴承16一致，但内部结构不相同；具体的，水平隔振器中的空气轴承28为圆柱体结构，体积远小于垂直隔振器中的空气轴承16，安装在水平空气弹簧25与垂直立柱29两侧，轴承壳体中间处等距设置六个进气口，气路交汇呈六边形；通过外部气路向空气轴承内部充入气体时，分别用五个螺栓五个进气口堵住，在空气轴承的底面上开有六个节流孔21，节流孔向内延伸与气路相通，其位置位于六边形各边端点，从进气口31冲入气体后进入空气轴承28后，再从节流孔21流出。
44.在具体的实施例中，图7示出了根据本发明的一个具体的实施例的水平隔振器局部放大剖面图，如图7所示，在水平空气弹簧25与空气轴承28之间有一块波纹管33，波纹管33的一面与水平空气弹簧的气腔32相通，另一面用于挡住空气轴承的节流孔21所排出的气体；金属压环34用于防止波纹管33漏气，给水平空气弹簧一个良好的气密性；气体分别从进气口31进入气腔32和空气轴承28后，波纹管33向前膨胀的同时空气轴承28经节流孔21作用在空气轴承28与波纹管33的间隙内形成一张压力气膜，充当滑动导轨的作用。
45.本发明各部分工作流程如下：
46.外部气源将高压气体冲入垂直隔振器和水平隔振器中，垂直隔振器中的空气弹簧调整隔振平台的正刚度，顶板上浮支撑隔振平台和负载，其空气轴承在轴承节流孔和底座之间形成一张高压气膜；水平隔振器的水平空气弹簧调整隔振平台的负刚度，其空气轴承在轴承节流孔和金属板之间形成一张高压气膜。
47.空气轴承：高压气体进入空气轴承后沿设好的进气口进入储气槽，节流孔向内延伸与气路相通，节流孔储气槽内的气体经过节流作用后流出，进一步的，气体沿着空气轴承与底座的间隙从轴承底面边缘流出，由于气体的黏性流动，在轴承底面和底座间隙间形成一张压力气膜。利用高压气膜横向摩擦力趋近于零的特性，依靠此压力气膜提供给隔振器多个自由度的上微量位移和角度的旋转。
48.垂直隔振器：高压气体分别冲入垂直空气弹簧和空气轴承，其中气体进入垂直空气弹簧后在其内部形成一个压缩空气气柱，在高压空气作用下垂直空气弹簧的弹性膜沿轴向向上膨胀并使顶板上浮，当空气弹簧承受负载时，垂直空气弹簧的顶板下浮移动使移动上气腔的气体会进一步被压缩，从而对外产生反作用力，从而达到承载目的；气体进入位于垂直空气弹簧下方的空气轴承经节流孔后在轴承底部形成一张压力气膜，可依靠此压力气膜提供隔振器一个可移动和转动的导轨。气体通过外部气路由压力大的气腔流向压力小的气腔的过程中气体会受到阻力而产生阻尼，故当垂直隔振器受到作用在隔振平台上的振动
干扰时，控制垂直空气弹簧的充放气量以实现对空气弹簧内部压力的调节，垂直空气弹簧可伸缩弹性膜在此阶段将外界振动干扰的能量转换为气腔内部的压力，以此衰减隔振器受到的振动干扰。
49.水平隔振器：高压气体分别冲入水平空气弹簧和空气轴承，其中水平空气弹簧的两个气腔通过外部气路连通，在高压空气作用下波纹管的可伸缩部位伸长、绷紧，气体在空气轴承与波纹管金属板的间隙间形成一张压力气膜，依靠此压力气膜提供隔振器一个可移动和转动导轨。当隔振器受到振动干扰时，垂直立柱发生偏移从而挤压一侧的水平空气弹簧，导致两个弹簧的气腔内的气压不等，气体通过外部气路由压力大的气腔流向压力小的气腔，在流动过程中气体受到阻力而产生阻尼，以此衰减部分隔振器受到的振动干扰；同时波纹管可伸缩的部位逐渐缩短，将外界振动干扰的能量转换为气腔内部的压力，以此衰减隔振器受到的振动干扰。
50.根据本发明实现六自由度隔振的原理包括如下：
51.图8示出了根据本发明的一个具体的实施例的实现六自由度隔振的原理示意图，如图8所示，本发明六自由度空气弹簧隔振平台工作时，当隔振平台受到经周围环境传递来的不同频率的振动，隔振平台通过调整空气弹簧进行减振，同时空气轴承所产生的压力气膜35、36起到滑动导轨作用，为隔振平台六自由度调整台体姿态误差提供条件，进而使台体处于相对稳定状态，为高精密仪器在隔振平台上的工作提供更佳的工作环境。
52.图9至图12分别示出了根据本发明的一个具体的实施例的实现x轴、y轴、z轴方向以及z轴旋转、x轴旋转和y轴旋转方向上隔振的原理示意图所示，在隔振平台上建立xyz坐标系，x轴从隔振平台中心水平往右延伸、y轴从隔振平台中心水平往前延伸、z轴从隔振平台中心沿竖直方向延伸；o点为隔振平台的质心；将垂直隔振器划分为三组：s1、s2、s3，其中垂直隔振器内部阴影为顶板，外环为压力气膜35；将水平隔振器成等腰直角三角形放置，划分为水平隔振器a、b、c，其中a与x轴平行，b和c与y轴成对称关系，并与x轴夹角为45
°
；fa、fb、fc分别为水平空气弹簧a、b、c顶板移动时产生的力，la、lb、lc分别是fa、fb、fc对o点的力臂；f1、f1’
分别为s1组两个垂直空气弹簧盖板移动时产生的力，f2、f3分别为s2组和s3组垂直空气弹簧盖板移动时产生的力，l1、l1’
分别为f1、f1’
到o点的力臂，l2、l3分别是f2、f3到o点的力臂。
53.如图9所示，当出现x轴方向的振动作用在隔振平台时，根据振动干扰的方向调整水平隔振器a、b和c的垂直立柱的偏移，并在垂直隔振器和水平隔振器产生的压力气膜作用下使得隔振平台合力矩为0，y轴和z轴上合力δfy，δfz＝0，x轴合力δf
x
＝fa+fbsin45
°
+fccos45
°
，指向抑制隔振平台运动的方向，从而达到隔振效果。
54.如图10所示，当出现y轴方向的振动作用在隔振平台时，根据振动干扰的方向调整水平隔振器b和c的垂直立柱的偏移，并在垂直隔振器和水平隔振器产生的压力气膜作用下使得隔振平台合力矩为0，x轴和z轴上合力δf
x
，δfz＝0，y轴合力δfy＝fbsin45
°
+fcsin45
°
，指向抑制隔振平台运动的方向，从而达到隔振效果。
55.如图11所示，当出现z轴旋转方向的振动作用在隔振平台时，根据振动干扰的方向调整水平隔振器a、b和c的垂直立柱的偏移，并在垂直隔振器和水平隔振器产生的压力气膜作用下隔振平台合力δf
x
，δfy，δfz为0，合力矩δm＝fala+fblb+fclc使得隔振平台往抑制隔振平台运动的方向运动，从而达到隔振效果。
56.如图12所示，当出现x轴旋转方向的振动作用在隔振平台时，根据振动干扰的方向调整垂直隔振器s1组的顶板的移动，并在垂直隔振器和水平隔振器产生的压力气膜作用下隔振平台合力δf
x
，δfy，δfz为0，合力矩δm＝f1l1+f1’
l1’
使得隔振平台往抑制隔振平台运动的方向运动，从而达到隔振效果。
57.如图12所示，当出现y轴旋转方向的振动作用在隔振平台时，根据振动干扰的方向调整垂直隔振器s2、s3组的顶板的移动，并在垂直隔振器和水平隔振器产生的压力气膜作用下隔振平台合力δf
x
，δfy，δfz为0，合力矩δm＝f2l2+f3l3使得隔振平台往抑制隔振平台运动的方向运动，从而达到隔振效果。
58.如图12所示，当出现z轴方向的振动作用在隔振平台时，根据振动干扰的方向调整垂直隔振器s1、s2和s3组的顶板的移动，并在垂直隔振器和水平隔振器产生的压力气膜作用下隔振平台合力矩为0，x轴和y轴上合力δf
x
，δfy＝0，z轴合力δfz＝f1+f1’+f2+f3指向抑制隔振平台运动的方向，从而达到隔振效果。
59.本发明采用的垂直隔振器和水平隔振器可以克服单一空气弹簧单自由度调整的缺陷，使得隔振器具有多个自由度调节的特点。进一步提出的一种六自由度的空气弹簧隔振平台具有六自由度隔振、负载能力大、结构简单、灵活性高的特点，可为超精密加工和测量的高精度仪器提供一个可靠的环境；采用空气弹簧和空气轴承组合形成的隔振器结构，利用隔振器中空气轴承产生的压力气膜和空气弹簧隔振能力，进而实现六自由度的台体姿态调整和隔振处理，同时可根据所需的负载大小灵活选择隔振器的个数和承载能力以便适用于不同情况下的隔振平台的搭建，且可通过调整空气弹簧气压大小来实现隔振平台的可调，为实现更低频率隔振的主被动复合隔振提供了条件。
60.显然，本领域技术人员在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出对本发明的实施例的各种修改和改变。以该方式，如果这些修改和改变处于本发明的权利要求及其等同形式的范围内，则本发明还旨在涵盖这些修改和改变。词语“包括”不排除未在权利要求中列出的其它元件或步骤的存在。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于获利。权利要求中的任何附图标记不应当被认为限制范围。