CN101818777A - 一种自适应变阻尼超精密减振器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应变阻尼超精密减振器，其结构为：金属壳体外部呈上端开口的圆柱形，金属壳体内部中空，且由隔板隔离为上下两个中空部分，其剖面呈H形；下部的中空部分形成下腔室，上部的中空部分与活塞机构通过膜结构密封连接形成上腔室；在下腔室底部开有进气口，下腔室与上腔室之间安装有带节流阀的连通管路；负载连接板与活塞机构上端面固定连接；负载连接板上装有绝对速度传感器，在金属壳体上端部装有非接触式的电涡流接近传感器，在金属壳体与负载连接板之间安装有主动作动器，负载连接板用于与负载固定连接。本发明能够实现对垂向振动的良好衰减，能够进行在线自适应，而无须离线调试。本发明可以为光刻机及其他的精密设备提供超静的环境。

Description

一种自适应变阻尼超精密减振器
技术领域
本发明属于精密减振技术领域，具体涉及一种具有自适应变阻尼特性的超精密减振器。本发明所涉及的超精密减振器具有超低的共振点振动传递率、良好的高频衰减率，可用作超精密加工装备、测量仪器、生物基因操作装备等超精密设备的基础支撑。
背景技术
随着科技的发展，以光刻机、高分辨率扫描隧道显微镜、表面粗糙度测量仪等为代表的超精密制造和测量设备得到了越来越广泛的应用，其制造和测量的精度也越来越接近物理极限。作为实现极限精度的重要保障之一，超精密减振系统能隔离地基和环境微振动对超精密设备的影响，为设备中的关键运动机构提供平稳的工作环境。空气弹簧由于具有大负载能力、低刚度的特点，在超精密减振系统中得到了广泛的应用。传统的空气弹簧减振器由于固有阻尼的存在，使得低频的共振点传递率和高频的衰减率无法兼顾，使得其减振性能受到了限制。为了降低这种固有特性对减振性能的影响，超精密设备中广泛采用了由空气弹簧和电机并联方式组合而成的主动减振器。在此类减振器中，电机采用天棚阻尼的方式为减振器提供绝对阻尼，以此来降低相对阻尼对减振器高频衰减率的影响。但是由于空气弹簧固有的相对阻尼依然存在，无法完全实现天棚阻尼，而使得高频衰减率依然受到影响；同时，完全依靠电机来提供阻尼力，对电机的输出范围、频响特性也提出了较高的要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种自适应变阻尼超精密减振器，该超精密减振器具有根据减振对象刚度、质量等特征参数自动调整减振器阻尼的频率特性的功能，以达到降低减振器固有频率处振动传递率、提高高频振动衰减率的目的。
本发明提供的一种自适应变阻尼超精密减振器，其特征在于，该超精密减振器的结构为：
金属壳体外部呈上端开口的圆柱形，金属壳体内部中空，且由隔板隔离为上下两个中空部分，其剖面呈H形；下部的中空部分形成下腔室，上部的中空部分与活塞机构通过膜结构密封连接形成上腔室；在下腔室底部开有进气口，下腔室与上腔室之间安装有带节流阀的连通管路；
负载连接板与活塞机构上端面固定连接；负载连接板上装有绝对速度传感器，在金属壳体上端部装有非接触式的电涡流接近传感器，在金属壳体与负载连接板之间安装有主动作动器，负载连接板用于与负载固定连接。
本发明提供的超精密减振器由参数自动调整的被动减振部件和主动执行器并联组合而成，能够实现对垂向振动的良好衰减。其减振特性克服了传统减振器低频和高频减振性能无法兼顾的缺陷；同时通过自适应变阻尼控制的引入，使得当减振对象的特征改变时，该超精密减振器能够进行在线自适应，而无须离线调试。本发明可以为光刻机及其他的精密设备提供超静的环境。具体而言，本发明具有如下的技术效果：
(1)采用主动减振和被动减振组合的方式，可实现减振器具有超低的固有频率，能对固有频率以上的振动有效的隔离。
(2)主动执行器与被动减振部件并联的方式，可实现垂向精微定位功能。
(3)采用双腔室、可调节流孔型空气弹簧作为被动减振部件，实现低刚度、阻尼主动可调。
(4)采用音圈电机作为主动执行器，可实现宽频带的垂向激振，通过控制系统内部的传递分析模块，实现关键参数的辨识。
(5)采用阻尼主动控制方法，使系统的固有频率与最大阻尼频率点自动重合，实现固有频率处大阻尼、高频段小阻尼的特性。
附图说明
图1为本发明提供的超精密减振器的结构示意图；
图2为本发明中超精密减振器理论模型示意图；
图3为双腔室空气弹簧阻尼特性示意图；
图4为本发明中自适应阻尼控制框图；
图5为本发明中自适应控制算法流程图。
具体实施方式
以下结合设计实例和附图进一步说明本发明的结构和工作原理。
如图1所示，本发明提供的精密减振器在结构上包括被动减振部件和主动执行器二部分。
本发明中的被动减振部件为双腔室空气弹簧，它包括金属壳体1、上腔室2、下腔室3、活塞机构6、负载连接板7、膜结构、节流阀8和进气口9。金属壳体1外部呈开口圆柱形，内部中空，由隔板10隔离为上下两个中空部分，其剖面呈H形。下部中空空间形成下腔室3，上部中空空间与活塞机构6通过膜结构密封连接形成上腔室2。
活塞机构6上端面与负载连接板7固定连接。在下腔室3底部开有进气口9，下腔室3与上腔室之间安装有带节流阀8的连通管路。负载连接板7上装有绝对速度传感器15，在金属壳体1上端部装有非接触式的电涡流接近传感器16，两个传感器分别测量负载的绝对速度和位置。负载连接板7与负载20固定连接。
本实例中，膜结构包括密封薄膜11、压紧环12和压紧螺钉13。密封薄膜11边沿通过压紧环12紧压在金属壳体1端部。通过在压紧环12端部均布的压紧螺钉13使压紧环12与金属壳体1固连。
本实例中，所述带节流阀8的连通管路的结构为：上腔室侧壁开有小孔21，与连接导管4相连；下腔室侧壁开有小孔31，与连接导管5相连。连接导管4和连接导管5通过节流阀8连通。节流阀8为电磁阀，可以通过电气控制改变其开口大小。
当减振器开始工作后，进气口9与外界供气口相通，压力气体进入下腔室3，同时通过连接导管5、节流阀8和连接导管4进入上腔室2。当上下腔室压力达到额定值后，气体通过活塞机构6将负载20浮起。由于空气具有可压缩性能，整个空气弹簧具有较低的刚度，能够对高于空气弹簧固有频率的振动进行隔离。
主动执行器为由音圈电机动子17、音圈电机定子18组成的音圈电机。音圈电机动子17与金属壳体1上端部固定连接，音圈电机定子18与负载连接板7固定连接。其中，音圈电机动子17与定子18的安装位置可以互换。音圈电机根据绝对速度传感器15和接近传感器16测量得到的负载20的振动状态和位置信息，通过反馈控制算法对负载20施加作用力，带动负载20运动到指定的垂向位置和对其振动进行控制。同时，音圈电机也可对负载20施加宽频带激励。同时，主动执行器也可以采用压电陶瓷、超磁致伸缩等主动作动器替换，实施时，将压电陶瓷或超磁致伸缩等器件的两端分别与负载连接板7及金属壳体1固定连接。
本发明中的超精密减振器理论模型如图2所示。从振动传递的数学模型上看，负载20等效于通过被动减振部分的弹簧41、阻尼器42以及主动执行器部分的等效力源43并联在地基44。而阻尼器42的阻尼值可以通过控制算法进行主动调控。
由于节流阀8的存在和上下腔室的构型，使得双腔室空气弹簧的刚度和阻尼与单腔室空气弹簧的刚度和阻尼相比发生了改变。由于气体通过节流阀8时的流量特性与流过小孔的流量特性相同，因此可以将节流阀的开口等效为具有一定截面积的节流孔。通过实验与分析，得到双腔室空气弹簧的刚度和阻尼特性具有以下特点：
(1)当受到低频干扰时，节流孔两端的气体流动速度较慢，气体交换畅通。双腔室空气弹簧等效于一个体积为两腔室之和的单腔室空气弹簧，具有较低的刚度和阻尼；
(2)当受到高频振动干扰时，上下腔室的气体由于节流孔的气阻特性，无法响应高频流动，等效于节流孔阻塞。此时双腔室空气弹簧等效于体积为上腔室体积的单腔室空气弹簧，由于体积减小，刚度增加，但阻尼仍然较小；
(3)当振动干扰处于中频段时，节流孔中的气体流动稳定，气流与振动的频率具有较大的相关性，形成明显的阻尼特性。在一定的频率处，阻尼到达最大值，该频率值与空气弹簧的节流孔等效面积、两个腔室体积之比等物理参数相关。
双腔室空气弹簧的阻尼频率特性与节流阀开口度相关性如图3所示。在频域内，其阻尼特性呈钟形，在特定的频率点上，阻尼到达最大，高于该频率，阻尼则快速衰减，且该频率可以通过改变节流孔等效面积进行调整。另一方面，从振动传递的角度出发，减振器能够衰减高于其固有频率的振动，而固有频率处的振动传递率则受阻尼特性的影响较大。因此，在减振器的优化设计中需要使得阻尼最大点的频率值与固有频率重合，实现固有频率处的大阻尼，高频的近零阻尼。但系统的固有频率由双腔室空气弹簧刚度和负载质量共同决定，当负载改变时，固有频率即会发生偏移，固定的阻尼特性值无法满足频率重合的要求。在本发明中，阻尼自适应控制是实现低频与高频减振性能兼顾的关键所在，该控制方法通过主动调节节流孔等效面积来实现阻尼频率特性自适应固有频率的变化，控制框图如图4所示。
在减振器开始工作前，预先执行阻尼自适应模块。控制器向音圈电机输出测量白噪声对减振器进行激振，负载的振动状态由绝对速度传感器检测得到。阻尼自适应调节模块同时采集激振力信号和绝对速度信号，并进行分析得到减振器当前的固有频率，经过实时计算后对电磁节流阀的阀芯位置施加控制，等效改变减振器的阻尼特性，实现减振器固有频率与阻尼最大值频率的最优重合。
阻尼自适应控制算法流程如图5所示。开机后，控制器输出激振信号，并同时记录电机输出的力信号和绝对速度传感器的信号，当采样时间到达设定值后，将采集到的力信号和速度信号在频域内进行传递率分析，并识别出减振器目前的固有频率。将该频率与控制器内部存储的上次固有频率进行比较，如果两次固有频率不一致，则存储当前固有频率并进行阻尼特性的主动调整。首先，控制器从阻尼先验知识表中查找与该固有频率对应的最优节流阀开口度。阻尼先验知识表中定义了双腔室空气弹簧阻尼最大值频率与节流阀开口度对应关系，该表通过预先对空气弹簧阻尼特性进行测量和分析而得出。然后，控制器向电磁节流阀输出控制信号，调节电磁节流阀阀芯的位置实现最优开口度，以此实现阻尼特性与固有频率之间的自适应。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种自适应变阻尼超精密减振器，其特征在于，该超精密减振器的结构为：
金属壳体(1)外部呈上端开口的圆柱形，金属壳体(1)内部中空，且由隔板(10)隔离为上下两个中空部分，其剖面呈H形；下部的中空部分形成下腔室(3)，上部的中空部分与活塞机构(6)通过膜结构密封连接形成上腔室(2)；在下腔室(3)底部开有进气口(9)，下腔室(3)与上腔室(2)之间安装有带节流阀(8)的连通管路；
负载连接板(7)与活塞机构(6)上端面固定连接；负载连接板(7)上装有绝对速度传感器(15)，在金属壳体(1)上端部装有非接触式的电涡流接近传感器(16)，在金属壳体(1)与负载连接板(7)之间安装有主动作动器，负载连接板(7)用于与负载(20)固定连接。
2.根据权利要求1所述的自适应变阻尼超精密减振器，其特征在于，膜结构包括密封薄膜(11)、压紧环(12)和压紧螺钉(13)；密封薄膜(11)边沿通过压紧环(12)紧压在金属壳体(1)端部；通过在压紧环(12)端部均布的压紧螺钉(13)使压紧环(12)与金属壳体(1)固连。
3.根据权利要求1或2所述的自适应变阻尼超精密减振器，其特征在于，所述带节流阀(8)的连通管路的结构为：上腔室侧壁开有小孔(21)，与连接导管(4)相连；下腔室侧壁开有小孔(31)，与连接导管(5)相连，连接导管(4)和连接导管(5)通过节流阀(8)连通，且节流阀(8)为电磁节流阀。
4.根据权利要求1或2所述的自适应变阻尼超精密减振器，其特征在于，主动执行器为音圈电机，金属壳体(1)和负载连接板(7)中的一个与音圈电机的定子固定连接，金属壳体(1)和负载连接板(7)中的另一个与音圈电机的动子固定连接。
5.根据权利要求1或2所述的自适应变阻尼超精密减振器，其特征在于，主动执行器为压电陶瓷或超磁致伸缩，压电陶瓷或超磁致伸缩的一端与金属壳体(1)固定连接，另一端与负载连接板(7)固定连接。
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