CN102230508A

CN102230508A - 载荷重心自适应主动减振器及由其构成的减振系统

Info

Publication number: CN102230508A
Application number: CN2011100768597A
Authority: CN
Inventors: 陈学东; 周振华; 蒲华燕; 李子龙; 徐振高
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2011-11-02

Abstract

本发明公开了一种载荷重心自适应主动减振器及由其构成的减振系统。减振器它包括载荷传感器，用来实现对水平方向的减振的被动减振部件，以及用来实现对垂直方向的减振的主动减振单元，主动减振单元和被动减振单元为串联关系，载荷传感器安装在减振器的任意轴向力位置。减振系统由三个减振器和一个等边三角形的减振平台所组成；以减振平台的几何中心为圆心，三个减振器呈120度角均布在同一圆周上。本发明能在载荷重心偏离减振平台几何中心的情况下，保持良好的减振性能。该减振系统除可用于光刻机外，还可用作精密加工设备、精密仪器、光学实验设备、精密医疗设备等的隔振平台。

Description

载荷重心自适应主动减振器及由其构成的减振系统

技术领域

本发明属于精密减振领域，具体涉及一种载荷重心自适应超精密主动减振系统。该减振系统除可用于光刻机外，还可用作精密加工设备、精密仪器、光学实验设备、精密医疗设备等的隔振平台。

背景技术

随着科技的发展，以光刻机、SEM、基因操作设备等为代表的超精密制造和测量设备的应用越来越广泛，其制造和测量的精度也越来越接近物理极限。在微/纳加工(测量)过程中，环境振动已成为制约加工(测量)精度的瓶颈。为了给超精密设备提供平稳(超静)的工作环境，超精密减振系统是不可或缺的基础装置。

为了实现多个自由度上的减振，需要由三个(或三个以上)的减振器来组成减振系统。由于振动在多个自由度上的耦合，在减振系统的控制环节需要用到模态解耦矩阵，来实现解耦控制。现有精密减振系统中的解耦矩阵是根据已知载荷分布和减振器的位置确定的，将减振系统的重心位置视为恒定值，因此其模态解耦矩阵亦为固定式。然而在许多实验中，减振系统所承受的载荷重心位置是随机分布的，实验前无法精确计算。例如，在光学实验中，光学器件的分布应满足光路的几何尺寸要求，其重心不能事先确定，更无法与精密减振平台的几何中心重合。在此情况下，减振系统的实际模态解耦矩阵与设计过程中的模态矩阵不同，因此导致减振系统的减振效果降低。

其次，在某些加工(测量)过程中，减振系统所承受的载荷重心位置是随时变化的。例如，在光刻机的工作过程中，掩模台和硅片沿Y方向以一定的速比反向运动。完成一场曝光后，硅片台沿X方向步进到下一场并继续曝光。由此可见，掩模台和硅片台在工作过程中一直在水平面内往复运动，这将造成掩模台和硅片台在水平面内的偏转，减振系统的负载重心位置随时发生变化。在此情况下，同样会导致减振系统实际模态解耦矩阵的变化，从而影响减振效果。特别是当运动件的质量较大时，对减振控制的影响尤为明显。

发明内容

本发明的目的是提供一种载荷重心自适应主动减振器，它具有低的固有频率，能对固有频率以上的振动有效地衰减，本发明还提供了由该减振器构成的减振系统，该系统能够自动适应载荷重心的变化，使减振系统始终保持好的减振效果。

本发明提供的一种载荷重心自适应主动减振器，其特征在于，它包括载荷传感器，用来实现对水平方向的减振的被动减振部件，以及用来实现对垂直方向的减振的主动减振单元，主动减振单元和被动减振单元为串联关系，载荷传感器安装在减振器的任意轴向力位置。

由上述的载荷重心自适应主动减振器构成的减振系统，其特征在于，所述减振系统由三个减振器和一个等边三角形的减振平台所组成；以减振平台的几何中心为圆心，三个减振器呈120度角均布在同一圆周上。

本发明提供的载荷重心自适应超精密减振系统由3个减振器组合而成，能进行X、Y、Z三个平动方向以及RX、RY、RZ三个转动方向的减振控制，实现对低频和超低频扰动的有效抑制和高频振动的衰减，并能实现在z方向的精确定位和调平功能。本发明所提供的减振系统具有载荷自动测量、重心自动计算、模态解耦矩阵自动生成、控制解耦矩阵自动更新的功能，克服了传统减振系统无法适应载荷重心变化的缺点，能使减振系统始终保持好的减振效果。

本发明可以为光刻机、精密加工设备、精密仪器、光学实验设备、精密医疗设备等提供平稳(超静)的工作环境。具体而言，本发明具有如下的技术效果：

(1)单个减振器采用主动减振和被动减振并联的方式，用空气弹簧实现被动减振，用洛仑兹(Lorentz)电机实现主动减振。减振器具有低的固有频率，能对固有频率以上的振动有效地衰减。

(2)被动减振单元通过空气弹簧与压力控制阀组合的方式，根据减振平台的状态反馈，通过压力控制阀自动改变气体压力，提供被动阻尼。被动减振装置可实现在低频时的大阻尼和高频时的小阻尼，改善固有频率处的隔振效果，并提供高频处的较高衰减率。

(3)由于采用了较大容积的压力腔，有效地降低了减振器的垂向刚度，可以缓解被控对象运动或振动时对空气弹簧的冲击，使被控对象的运动更平稳。

(4)采用摆结构实现被动装置水平方向的低刚度，降低水平方向的固有频率，有效地实现对低频振动的衰减。

(5)采用3个减振器的组合，实现六自由度的振动衰减控制。通过精密载荷传感器(或压力传感器)，可以测量单个减振器承受的载荷。通过3个减振器的位置分布关系，实时计算载荷的重心位置，自动生成模态解耦矩阵，更新控制算法。减振系统能自动适应载荷重心的变化，保持好的减振性能。

附图说明

图1为本发明提供的精密减振器的结构示意图；

图2为减振系统布置方式；

图3为减振系统非理想情况下中心分布；

图4为本发明中载荷重心自适应控制算法流程图。

具体实施方式

本发明提供的精密减振器包括被动减振部件、主动减振单元以及载荷传感器。所述被动减振部件包括摆机构。主动减振单元包括空气弹簧，压力控制阀和速度传感器，位置传感器，洛仑兹电机。主动单元和被动单元为串联关系。其中被动部件用来实现对水平方向的减振，主动减振单元用来实现对垂直方向的减振。

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。

本发明所提供的摆机构由摆杆19和摆盘20所组成。摆杆19是三根直径和长度均一致的细长杆，下端与摆盘20固连，呈120度角均布。上端与活塞罩15固连，呈120度角均布。摆机构具有很小的水平刚度，能有效地降低固有频率，实现水平方向的被动减振。

本实例提供的主动减振单元具体包括空气弹簧、压力控制阀、水平向洛仑兹电机、垂向洛仑兹电机、水平向速度传感器11、垂向速度传感器10、水平向位置传感器6、靶板7以及垂向位置传感器14。

如图1所示，本发明所提供的空气弹簧由气室1、活塞罩15、活塞17、密封膜3以及压环16所组成。活塞罩15、活塞17位于气室1内。密封膜3以凸起的部分A为分界线，中间部分称之为内圈，边缘部分称之为外圈。密封膜3的内圈位于活塞罩15与活塞17之间，活塞罩15与活塞17用螺钉固连，压紧密封膜3的内圈，形成无泄漏的活塞整体。密封膜3的外圈位于压环16与气室1的上法兰盘之间，压环16与气室1的上法兰盘用螺钉固连，压紧密封膜3的外圈，形成无泄漏的气室。气室的侧壁上开有装气嘴的进气孔2。活塞板8位于气室1的顶部，并与活塞杆18固定连接。

当压缩气体通过进气孔2上安装的气嘴进入气室1时，由于密封膜3凸起部分A的冗余以及膜的弹性，活塞罩15与活塞17整体向上移动，从而带动活塞杆18和活塞板8(与减振平台连接)向上移动，形成单腔室空气弹簧。

通过进气孔2外部的压力控制阀，根据被减振对象的状态，可调节气室1内部的空气压力，实时改变空气弹簧的刚度和阻尼。本发明能设计成较大的气室，有效地降低空气弹簧的垂向刚度，减小其固有频率，对振动信号进行有效的隔离。

水平向洛仑兹电机的定子12与活塞板8固连，水平向洛仑兹电机的动子13与压环16固连，动子与定子间无机械接触。垂向洛仑兹电机的定子5与活塞板8固连，垂向洛仑兹电机动子4与压环16固连，动子与定子间无机械接触。水平向速度传感器11和垂向速度传感器10分别安装在活塞板8上。水平向位置传感器6和垂向位置传感器14分别安装在压环16上，靶板7安装在活塞板8上。

当水平方向上出现微小振动时，水平向洛仑兹电机根据水平向速度传感器11和水平向位置传感器6的测量信号，对与减振平台相连的活塞板8施加作用力，实时提供主动阻尼，实现水平方向上的主动控制。

当垂直方向上出现微小振动时，垂向洛仑兹电机根据垂向速度传感器10和垂向位置传感器14的测量信号，对与减振平台相连的活塞板8施加作用力，实时提供主动阻尼，实现垂直方向上的主动控制。

本发明提供的主动减振单元具有体积小、重量轻、无机械摩擦以及响应速度快等特点，使主动减振机构更为紧凑和简单。

本发明所提供的载荷传感器9安装在活塞杆18和活塞板8之间，用于测量单个减振器的轴向载荷。载荷传感器9也可以安装在减振器的任意轴向力位置。

如图2所示，在本发明的具体实施中，减振系统由三个减振器21、22、23和一个等边三角形的减振平台24所组成。以减振平台24的几何中心为圆心，三个减振器呈120度角均布在同一圆周上。当减振平台的质量均匀，且平台上被减振设备的重心与减振平台的几何中心重合时，则每个减振器上的载荷传感器测得的载荷量相同，减振系统的重心即为减振平台的几何中心。

如图3所示，当减振平台的质量不均匀，或平台上被减振设备的重心与减振平台的几何中心不重合时，则每个减振器上的载荷传感器测得的载荷量不同，减振系统的实际重心对减振平台几何中心的偏移量可由三个减振器的载荷量、尺寸L以及R计算获得，即根据对x轴和y轴力矩的平衡，可以列出如下方程：

F₂R+(F₁+F₂+F₃)Δx+(F₁+F₃)R/2＝0

F₁L/2+(F₁+F₂+F₃)Δy-F₃L/2＝0

其中：F₁、F₂、F₃为单个减振器承受的载荷；L为减振平台的边长；R为减振器几何中心至减振平台几何中心的距离。

本发明所提供的载荷重心自适应技术在减振系统中的实现过程为：当减振系统上电时，首先进行减振平台的调平，当调整精度达到设定值时，调平结束；随后，系统开始读取三个载荷传感器的测量值，根据所获得的轴向载荷以及减振器的位置参数(L与R)计算减振系统的重心位置；然后，根据获取的重心位置列出动力学方程，建立减振系统的模态解耦矩阵；最后，在获取模态解耦矩阵的基础上，对控制算法中的解耦矩阵进行更新，从而自动适应载荷重心的变化，保证控制性能的有效性。载荷重心自适应控制算法流程如图4所示。

上述减振系统的减振平台亦可为圆形、矩形等，其载荷重心自适应原理适用于绕减振平台几何中心呈等边三角形分布的三点支撑式结构。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

1.一种载荷重心自适应主动减振器，其特征在于，它包括载荷传感器，用来实现对水平方向的减振的被动减振部件，以及用来实现对垂直方向的减振的主动减振单元，主动减振单元和被动减振单元为串联关系，载荷传感器（9）安装在减振器的任意轴向力位置。

2.根据权利要求1所述的所述的载荷重心自适应主动减振器，其特征在于，所述被动减振部件为摆机构，摆机构包括摆杆（19）和摆盘（20）；摆杆（19）是三根直径和长度均一致的长杆，下端与摆盘（20）固连，呈120度角均布；上端与活塞罩（15）固连，呈120度角均布。

3.根据权利要求1或2所述的所述的载荷重心自适应主动减振器，其特征在于，所述主动减振单元包括空气弹簧、压力控制阀、水平向洛仑兹电机、垂向洛仑兹电机、水平向速度传感器（11）、垂向速度传感器（10）、水平向位置传感器（6）、靶板（7）以及垂向位置传感器（14）；

所述空气弹簧由气室（1）、活塞罩（15）、活塞（17）、密封膜（3）以及压环（16）所组成，活塞罩（15）和活塞（17）位于气室（1）内，密封膜（3）以凸起的部分（A）为分界线，中间部分称之为内圈，边缘部分称之为外圈；密封膜（3）的内圈位于活塞罩（15）与活塞（17）之间，活塞罩（15）与活塞（17）固连，压紧密封膜（3）的内圈，形成无泄漏的活塞整体；密封膜（3）的外圈位于压环（16）与气室（1）的上法兰盘之间，压环（16）与气室（1）固连，压紧密封膜（3）的外圈，形成无泄漏的气室；气室的侧壁上开有装气嘴的进气孔（2），进气孔（2）上设置有压力控制阀；活塞板（8）位于气室（1）的顶部，并与活塞杆（18）固定连接；

水平向洛仑兹电机的定子（12）与活塞板（8）固连，水平向洛仑兹电机的动子（13）与压环（16）固连，动子与定子间无机械接触，垂向洛仑兹电机的定子（5）与活塞板（8）固连，垂向洛仑兹电机动子（4）与压环（16）固连，动子与定子间无机械接触；水平向速度传感器（11）和垂向速度传感器（10）分别安装在活塞板（8）上；水平向位置传感器（6）和垂向位置传感器（14）分别安装在压环（16）上，靶板（7）安装在活塞板（8）上。

4.一种由权利要求1所述的载荷重心自适应主动减振器构成的减振系统，其特征在于，所述减振系统由三个减振器（21、22、23）和一个等边三角形的减振平台（24）所组成；以减振平台（24）的几何中心为圆心，三个减振器呈120度角均布在同一圆周上。