MinusK负刚度技术在微振动中的应用研究.pdf

MinusK 负刚度技术在微振动中的应用 前言 MinusK 负刚度隔振台提供一个简单，可靠，高效隔振解决方案，可提供6 自由度的隔 离，低至0.5 Hz 或更低的谐振频率。对于一个0.5 赫兹系统，可隔离1Hz 以上的振动，优 于气动平台5-10Hz 的范围可让多个隔振台一起使用。负载从几十公斤到几吨。易于使用和 调整。比气动平台经济，占用更少的空间，且不需要进行维护。 微振动问题的提出 随着高新技术的快速发展，尤其是光学工业、感光化学、航空航天、半导体工业的 发展，导致人们使用的机器设备功率日益增大，转速加快，而重量却不断减轻，刚度相 对减小，精度要求越来越高，振动问题随之曰益突现。大量工程实践表明，振敏型精密 机械在生物科学、电子光学、精密机械加工、理化实验及其与研究相关的工厂中，振动 控制不仅影响到机器设备的使用寿命、仪表器械的使用性能，操作人员的正常工作，还 影响到舰船、航天器的生命力。 2015 年1 月航天科技集团五院微振动实验室正式投入使用。随着高分辨率对地观测系 统专项的立项，微振动成为研制高分卫星过程中一个关键技术问题。为此航天科技五院提 出了微振动实验室概念，以解决微振动对成像质量影响的仿真分析和微振动系统级试验测 试问题。 负刚度技术 （1） 负刚度原理 在对负刚度隔振器进行分析之前，首先要了解正、负刚度的概念。 刚度K 的定义是弹性元件所承受的载荷增量dF 与变形量dx，即产生单位变形所需要的外 力， 定义式为：K=dF/dx 当弹性元件所受载荷增量与对应的变形增量符号相同时，刚度为正值，记为K ，将具有正刚 P 度的弹性元件称为正刚度弹簧；反之，当弹性元件所受载荷增量与对应的变形增量符号相反 时，刚度为负值，记为K ，同样，将具有负刚度的弹性元件称为负刚度弹簧。 n 结构在受到冲击时的稳定性，多数情况下取决于结构的负刚度阶段下的变形能力和残 余承载能力！ （2 ） Minusk 负刚度技术 垂直隔振 Minus K 隔振器采用了革命性的概念。由硬的弹簧承担垂直方向运动的隔离，再加上 负刚度机构（NSM），通过束柱串联垂直方向运动的隔离器提供水平方向运动的隔离，这样 就可以获得非常低的纵向和横向的固有频率和非常高的内部结构的频率。Minus K 通常使用 三个串联的隔离器堆叠。如图，隔离器的刚度为K = K S -K Ñ 其中K S 是弹簧的刚度，K N 是 负刚度，通过这个设计，当弹簧支持的重量W 时，隔离器的刚度可以趋近于零。 （3 ） Minusk 负刚度技术 水平隔振 MinusK 负刚度技术在微振动中的应用 （1） 显微镜（SPM ），扫描电镜（SEM ），原子力显微镜（AFM 等）的最佳选择 Minus K 光电隔振台的负刚度具有被动、主动隔振技术使显微镜的性能达到最 高水平，可依据客户需求，灵活定制垂直、水平方向谐振频率的优越性。 大型气动平台：可提供较好的垂直隔振效果，但在水平方向隔振却很有限； 弹跳系统：隔振效果好，但是相对繁琐且使用过程存在一定的风险。 （2 ） 微观硬度测试中的应用 较低的振动能提供更可靠的环节且重现性好。 （3 ） 航天器测试中的应用 真空条件实验中的最佳选择！可用于空间干涉测量任务/喷气推进研究。 理化公司为北京航天航空大学某课题组提供的无源隔振方案不需要电源和气源，采 用负刚度组件实现隔振，不仅可以实现高频隔振，而且能解决低频隔振的难题，实 现0.5-1 Hz 或更低的谐振频率，同时负载也可以高达几吨。在真空、旋转的环境下 实现低频减振。 （4 ） 激光/光学系统中的应用 典型应用：激光干涉仪、光学轮廓仪。 Minus K 隔振系统可提供优于气动平台10-100 倍的性能，无需空气或电力，结构紧 凑，易于移动。 光学元件系统往往拥有很复杂、很长的光学路径可以导致振动角度放大。通常使用的 光学空气平台由于与地面振动具有相同的共振频率，可能使问题变得更糟。 （5 ） 生物/神经科学中的应用 在生物学和神经科学