[发明专利]基于差动电磁作动器的空气弹簧超低频隔振方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于超低频隔振领域，特别是一种空气弹簧超低频隔振方法与该方法使用的装置。

背景技术

空气弹簧隔振基础由于其低频隔振效果好、承载能力强、使用寿命长等优点而被广泛应用于振动隔离领域。随着超精密加工与测量、微纳米技术和超大规模集成电路制造精度水平的不断提高，对隔振基础的超低频隔振性能和承载能力都提出了更高的要求。然而目前的空气弹簧隔振基础因其超低频隔振性能不理想而在很大程度上限制了其在超低频隔振领域的进一步应用。

专利US 6,402,118，B1“Magnetic Support System”提出了一种磁支撑系统。该系统利用具有正负刚度的两种永磁铁布置在平台的两侧，使正负刚度相互抵消而实现超低频隔振。但是它的缺点在于承载能力低，无法用于超大型隔振基础，另外它要求两个永磁铁正负刚度抵消，这对制造精度提出了苛刻的要求，难以实现，而且整个系统很难适应不同工作条件和负载变化的影响。专利US2003/0222383A1“Magnetic Spring Device with Negative Stiffness”也提出了一种具有负刚度的磁弹簧。该系统利用三个永磁铁按照异极相对的方式依次排列，可使中间的永磁铁具有近似恒定负刚度以抵消系统固有刚度，达到降低系统固有频率，实现超低频隔振的目的。它的缺点同样存在不易加工，难以控制，承载能力低的缺点，不适用于承载超大型隔振基础。专利US5779010“Suspendedlow-frequency horizontal pendulum isolator for vibration isolation systems”提出将空气弹簧与单摆机构串联以支撑台体。由于单摆机构的横向刚度远小于空气弹簧横向刚度而纵向刚度远大于空气弹簧的纵向刚度，两者串联可大幅降低系统横向隔振频率，实现横向超低频隔振。但是此方法对纵向隔振性能没有明显提高，此外单摆机构的横向隔振能力很大程度上取决于单摆的臂长，臂长越长隔振效果越好，欲获得超低的隔振频率就会导致系统隔振系统会有庞大的尺寸，同时它的承载能力也会因此下降。

韩国学者K.G.AHN等人提出一种由电磁铁和空气弹簧并联支撑的混合隔振系统(K.G.AHN，et al.A Hybrid-type Active Vibration Isolation System UsingNeural Networks.Journal of Sound and Vibration.1996，192(4)，793-805)。利用空气弹簧实现高的承载能力，利用神经网络控制算法控制电磁铁，以实现隔振系统隔振性能的最优化。该方案中采用单电磁铁，因而只能采用近似处理，无法实现真正意义上的线性化，这直接影响其控制精度。另外其控制方法原理复杂、实现困难，故而很难在工程实际中使用。

发明内容：

为了克服上述已有技术中的不足，本发明首先提供一种超低频隔振方法，利用安装在衔铁上的力传感器反馈信号自动调节基体高度使基体工作原点与作动器输出力零点相重合，同时利用基电流线性化技术和差动布置方案，将电磁作动器输出力变为相对位移和偏置电流的线性组合，进而通过控制相对位移分量为系统提供负刚度以降低系统固有频率，拓宽超低频隔振范围，控制偏置电流分量使其正比于基体速度为系统提供主动阻尼力以降低谐振峰值，最终达到超低频隔振的目的。

本发明还在上述隔振方法的基础上提供了一种基于差动电磁作动器的空气弹簧超低频隔振装置，它利用分别固定与基体和地面上的差动布置电磁铁与衔铁之间的相互作用，为系统提供负刚度和可控主动阻尼力。

本发明的技术解决方案是：

基于差动电磁作动器的空气弹簧超低频隔振方法，该方法包括以下步骤：

(1)根据空气弹簧隔振系统固有刚度K_s和欲达到的系统固有频率ω确定所需的负刚度K_N，然后由K_N计算电磁作动器中的基电流I₀。

(2)调整空气弹簧隔振系统至工作高度附近并在差动电磁作动器中通入基电流I₀，每隔一个时间段V_t对安装在差动电磁作动器衔铁上力传感器的反馈信号作平均，高度控制系统依据此平均值对空气弹簧的工作高度作一次微调，直至平均值为零，完成高度调整工作。