宽域高线性度阵列组合式磁负刚度机构分析与设计

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宽域近零超稳减振是保证高端制造/测量装备、航空航天航海重大装备中尖端光电设备等正常运行的关键。近零刚度和大承载力难以兼顾的矛盾,是有限空间内高性能减振装置设计面临的共性技术挑战。引入负刚度机构与正刚度机构并联是保证承载力的前提下降低减振频率、提升减振性能的好方法。然而,常规磁负刚度机构的刚度存在宽域线性度差的问题,由此导致减振频率难以达到近零、减振稳定性不足,严重滞后于高端装备的发展需求。本文依托国家科技重大专项和国家自然科学基金,针对精密减振系统大承载、高稳定性的需求,提出了一种具有宽域高线性度特性的阵列组合型磁负刚度机构,有效地解决了磁负刚度技术在减振领域面临的问题。基于对传统磁负刚度机构的分析,提出了由吸力型和斥力型磁负刚度机构并联组成的组合型磁负刚度机构,推导了其磁力解析表达式。通过数值计算对比发现,相比于单纯的吸力型磁负刚度机构,组合型磁负刚度机构线性度小于10%的线性域提高了228.6%,相比于斥力型磁负刚度机构提高了253.8%,实现了宽域高线性度的磁负刚度特性。基于对阵列式磁负刚度机构的建模和分析,提出了阵列组合型磁负刚度机构,推导了其磁力解析表达式。通过数值计算对比发现,阵列组合型磁负刚度机构的负刚度值相比于阵列吸力型磁负刚度机构提高了127.7%,相比于阵列斥力型磁负刚度机构提高了181.3%,实现了宽域高线性度前提下的较大负刚度。根据减振系统实际需求,设计了磁负刚度机构。开展了磁负刚度机构静刚度测量实验和减振性能测试实验,实验证明阵列组合型磁负刚度机构使线性度小于5%的线性域从2.5mm提高到了10mm以上,阵列式磁负刚度机构的负刚度值比传统的负刚度机构提高了47%。在53.74Kg负载的情况下,安装负刚度机构使减振系统的固有频率从6.00Hz降低到了1.25Hz,抵消了系统正刚度95.66%,证明了宽域高线性度磁负刚度机构能有效降低减振系统固有频率,并具有较高的稳定性。本文研究成果是2018年湖北省技术发明一等奖“纳米精度制造与测量中的近零刚度减振技术与装置”的一部分,该技术现已被浸没式光刻机减振系统和量子通信天线减振系统所采纳。
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