CN102392866A - 用于振动感应装置的安装平台 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种支承振动感应的有效载荷的平台组件，所述组件包括：具有第一表面、第二表面、以及位于所述第一和第二表面之间的内芯的工作台，其中第一表面与所述振动感应的有效载荷相连，所述内芯具有蜂窝芯板；一个或多个位于所述内芯内的振动传感器，该振动传感器构造成便于感测该工作台的表面的振动；位于所述内芯内并且构造成便于向所述工作台的表面施加一作用力的阻尼器；以及与所述一个或多个振动传感器和所述阻尼器相连的监控器，该监控器构造成便于接受来自所述一个或多个振动传感器的振动信息并且向所述阻尼器提供一激励信号。

Description

用于振动感应装置的安装平台
本发明是申请号为200480031241.7、国际申请日为2004年10月25日的同名的专利申请的分案申请。
技术领域
所公开的主题大体上涉及隔振器和工业工作台。
背景技术
现已有了多种用于工业使用的工作台例如光具座工作台或振动工作台。授予Terry的美国专利No.5,154,963中披露了一种工业工作台，其具有顶板、底板以及分隔这两个板的蜂窝构件。上述蜂窝构件使得在顶板上设置有螺纹孔。外部振动感应的有效载荷装置例如光学系统的光学部件或振动系统处于试验中的装置可连接在工作台的螺纹孔上。
在许多试验研究和工业应用中，将工作台与外部振动例如建筑结构的固有颤动相隔离是所期望的。授予Houghton等人的美国专利No.6,209,841中披露了一种放置在建筑物地板和工作台之间使工作台振动减弱的主动隔离组件。所述隔离件包括与控制器相连的振动传感器和致动器。传感器感应振动并向控制器提供输出信号。随后控制器对输出信号进行处理并提供驱动信号以激励致动器并补偿所述振动。
振动隔离件减小了从底板传递到工作台上的振动。但是，工作台顶部本身有其自身的固有频率和相应的弯曲振动模式，所述弯曲振动模式很容易由穿过隔离件或通过其它源头例如由安装在工作台上的有效载荷装置产生的听觉激励、空气扰动和动态作用力形成的残余振动激励。主要的弯曲振动模式通常具有球形特征，这意味着在工作台任意点的激励都产生围绕整个工作台表面的振动模式。除非将特殊的阻尼装置引入工作台构件，否则那些固有振动衰减的非常小并因此会达到较高的振幅。
各种设计的从动阻尼器广泛地用于构造光学工作台。C.M.harris编著的1996年第四版和2001年第五版“冲击和振动手册”的第37章提供了本领域的测量技术和阻尼器(阻尼处理)的分类。根据其内容，已知的阻尼处理的种类包括：
自由层阻尼处理，其中通过由基体构件的弯曲振动产生的阻尼层(由粘弹性材料制成)的扩张变形来耗散能量。
强制层阻尼处理，其中强制层有助于响应基体构件的弯曲振动在粘弹性层引起相对较大的剪切变形，由此提供更有效的能量耗散机构。
积分阻尼处理，包括在构造组件中采用阻尼层压板和/或阻尼接头。
调谐阻尼器，其基本上是具有与基体构件的共振频率相匹配(调谐)的共振的质量-弹簧系统。调谐阻尼器的应用通常通过两个更小的振幅峰值取代了基体构件的共振峰值。
阻尼连接，即连接所述构件牵引部分的粘弹性元件，所述牵引部分在振动过程中经受较大的相对运动。
一些引用的阻尼技术已经在光学工作台上得到了应用。特别是，Newport公司(参见2003年Newport公司的“Newport物资”商品目录)在其光学工作台设计中采用调谐阻尼器、工作表面强制层处理以及积分阻尼。
尽管如此，对光电和半导体产业中的高精密和高产量日益增长的要求以及对现代科学试验仪器的需求需要光学工作台的阻尼性能比由现有技术中已知的方法和装置所能达到的更高。与被动控制相比，主动振动控制方法能够达到较高的性能是公知的。
有时在工作台上监控振动级别是所期望的。例如，在精密测量系统中实时振动数据可使某一测量合格或不合格。在精密制造系统中实时振动数据可表示特别制造的零件例如半导体晶片存在缺陷的可能性增加。如果所述的工作台是振动测试装置的一部分，则振动监控也是必须的。
振动信号可以仅被用于表示某一时限内平台上增加的振动级。在这种情况下由于主要的振动模式的球形特征，振动传感器可被放置在工作台的几乎任意点上；工作台拐角附近的区域代表安装振动传感器的适当位置，因为这些区域响应工作台顶部所有典型的振动模式。在其它情况下，所关注的是在振动感应装置临界位置处的振动输入的精确值。在这种情况下传感器应该直接靠近振动感应装置的连接点放置。
在工作台的工作表面上布置包括传感器和电缆的振动测量系统将减小重要的有效载荷空间。由于空间限制，将传感器放置在装置最大振动感应部件附近是不可能的。在生产环境下，由于需要准备时间因此上述做法是不切合实际的。于是，非常需要一种监控工作台的振动同时使其表面空出并可由使用者触及的系统。
在授予Terry等人的名为“蜂窝工作台制造和兼有空白空间的蜂窝工作台”的美国专利No.4,621,006以及授予Terry的名为“蜂窝工作台制造和兼有空白空间的蜂窝工作台”的美国专利No.5,500,269中披露了光学工作台设计的要素。在授予Heide的名为“蜂窝工作台台面”的美国专利No.4,645,171、授予Gertel的名为“蜂窝工作台”的美国专利No.5,061,541、授予Galpin等人的名为“光学工作台”的美国专利No.5,626,157、以及授予Gertel等人的名为“光学工作台”的美国专利No.5,962,104中披露了其它细节和变形。对于光学蜂窝工作台广泛的总体描述可参照2000年振动控制(Vibration Control)商品目录以及Newport公司的2002-2003年的“Newport物质”商品目录。TMC、动态系统以及其它制造商的商品目录也包含了对光学工作台设计的描述。
振动隔离件在预定位置被组装在工作台上以使阻尼最优化。有时工作台具有不同于分析模式的振动特性。另外，一个有效载荷构造可在工作台上形成与另一有效载荷构造不同的波节和波腹。所期望的是，即使在工作台被组装后也可以使操作者在工作台的有效载荷表面附近移动振动阻尼器(多个振动阻尼器)以优化振动阻尼。
发明内容
本发明提供了一种支承振动感应的有效载荷的平台组件，所述组件包括：具有第一表面、第二表面、以及位于所述第一和第二表面之间的内芯的工作台，其中第一表面与所述振动感应的有效载荷相连，所述内芯具有蜂窝芯板；一个或多个位于所述内芯内的振动传感器，该振动传感器构造成便于感测该工作台的表面的振动；位于所述内芯内并且构造成便于向所述工作台的表面施加一作用力的阻尼器；以及与所述一个或多个振动传感器和所述阻尼器相连的监控器，该监控器构造成便于接受来自所述一个或多个振动传感器的振动信息并且向所述阻尼器提供一激励信号。
附图说明
图1是平台的透视图；
图2是所述平台的侧向剖视图；
图3是与监控器相连的所述平台的透视图；
图4是在工作台中心具有阻尼器的一种平台实施方式的横截面图；
图5是在工作台中心的可控阻尼器的示意图；
图6是所述平台的一种实施方式的透视图；
图7是表示与工作台有效载荷面相连的振动阻尼组件的透视图；
图8是振动阻尼组件的一种实施方式的横截面图；
图9是具有位于工作台和振动隔离件之间的振动阻尼组件的工作台组件的侧视图。
具体实施方式
公开的是一种可连接并在工作台表面附近或其它工作表面移动的振动阻尼组件。所述振动阻尼组件包括位于壳体内的至少一个传感器和至少一个阻尼器。所述壳体可连接在工作台的任意表面或工作表面上。例如，在一种实施方式中，振动阻尼组件被构造成连接在光学工作台或平台上，所述光学工作台或平台被构造成支承任意数量的光学部件。典型的光学工作表面非限制性地包括光学工作台、光具座、光学试验板、激光平台、光学平台等等。例如，在一种实施方式中，所述壳体可与光学工作台的一个靠近一个或多个工作台支承件或立柱的表面相连。在备选的实施方式中，所述壳体可连接在与一个或多个工作台支承构件或立柱相对的光学工作台表面上。
所述壳体可被构造成采用一个或多个紧固件连接在工作台或平台表面上。例如，在一种实施方式中，振动阻尼器可拆分地连接到工作台或平台表面上。同样地，操作者可将振动阻尼组件移动到工作台或平台的不同位置，从而允许使用者优化所述组件的阻尼功能。
参照附图尤其是参照附图标记，图1和2表示平台10。平台10可包括具有第一表面14、第二表面16以及多个侧面18的工作台12。第一表面14可沿第一板20延伸，第二表面16可沿第二板22延伸并且侧面18可沿一个或多个侧板24延伸。
第一板20通过内芯26与第二板22分开。平台10的第一板20和第二板22由一个或多个非限制性地包括不锈钢、铝、碳纤维、花岗石、钢、碳钢、层状金属、复合金属、木材、层压板、复合木材、胶木、覆盖胶木的基底、玻璃纤维、复合材料、凯夫拉尔(Kevlar)、铸铁等的材料构成。第一板20和第二板22可由类似材料制成。在备选的实施方式中，第一板20和第二板22可由不同的材料制成。
和第一和第二板20，22一样，平台10的内芯26可由多种材料制成。典型的芯材料非限制性地包括各种金属和包括钢、钛、铝、铁、花岗石的金属复合材料，各种木材和包括中等密度的纤维板、刨花板等的木质复合材料，纸板、多重层压板、包括碳纤维、凯夫拉尔等的复合材料，以及类似材料。在一种实施方式中，内芯26可容纳蜂窝构件28以对板20和22提供支承。可选择地，内芯26可被构造成不具有蜂窝构件。
可选择地，第一板20和/或第二板22可被构造成具有任意数量的与其相连的安装装置。例如，第一板20和/或第二板22可包括多个螺纹孔30，螺纹孔30被构造成其中容纳在其上形成的安装装置的至少一部分。可选择地，孔30不必带有螺纹。典型的安装装置非限制性地包括光学支架、支柱、透镜支承件、隔离支承件或平台等等。在备选实施方式中，平台10可被构造成在其上支承多种测量装置或振动感应装置。例如，平台10可被构造成在其上支承质谱装置、核磁共振(NMR)测量装置、或类似的振动感应装置。在备选的实施方式中，第一板20和/或第二板22可被构造成具有与其磁耦合的一个或多个架或类似装置。同样地，第一板20、第二板22或二者可以被制造成在其中不具有孔30。可选择地，平台10可被构造成具有采用多种连接方法中任意一种与其相连的一个或多个支架或装置。典型的备选连接方法非限制性地包括可拆分地连接、不可拆分地连接、焊接、粘合连接、摩擦连接、电磁连接等等。
再次参照图1和2，外部振动感应有效载荷32可连接在工作台12的一个或多个螺纹孔30上。有效载荷32可以是任意类型的装置例如光学系统的光学部件、在振动器上处于试验中的装置，等等。另外，工作台是用于制造半导体晶片、集成电路等的设备的平台。通常工作台可以是被用于支承在制造或试验环境使用的部件、系统或设备的任意平台。为了解释权利要求，术语“平台”或“工作台”不包括飞机或建筑物的任何构件，其中上述构件包括飞机机翼、机身、建筑物墙壁或地基。
一个或多个振动传感器34可位于内芯26内并与第一板20的下垫面36相连。振动传感器(多个振动传感器)34可以是任意类型的装置，例如可以感应振动的加速计、地音探测器或位移传感器。尽管示出了三个振动传感器34，但是可以理解，任意数量传感器34可设置在工作台的任意位置。传感器(多个传感器)34可与电连接器38相连，其中连接器38连接在工作台12的侧板24之一上。传感器34可通过穿过内芯26的电缆40与电连接器38相连。传感器(多个传感器)34可提供输出信号，所述输出信号通过电缆40传送到电连接器38。
如图3所示，通过将电缆44插入电连接器38而使监控器和/或控制装置42与传感器(多个传感器)34相连。监控器和/或控制装置42可记录和/或显示由传感器(多个传感器)34提供的振动信息。可选择地，监控器和/或控制装置42可被构造成向结合在工作台10内的可控阻尼器(未示出)提供控制信号。再次参照图3，通过将振动传感器34定位在内芯26内，传感器34可直接测量外部装置32下面的振动，由此提供更准确的数据。电连接器38使监控器42可以很容易与传感器(多个传感器)34相连，由此减少对工作台12内的振动进行监控的准备时间。尽管示出并描述了电缆40和电连接器38，但可以理解，传感器(多个传感器)34可具有通过无线方式传送输出信号(多个输出信号)的无线发送器(未示出)。
图4表示具有设置在内芯26内的阻尼器50的工作台组件10’的一种实施方式。阻尼器50可包括被激励以产生振动的致动器52例如音圈，上述振动补偿和消除了工作台12内的振动。致动器52可包括与磁铁块56电磁连接的电磁线圈54。
磁铁块56可被构造成通过一对柔性膜片58与致动器壳体57相连。壳体57连接在板20和22上。膜片58起到结合块56的弹簧的作用以形成弹簧/块组件。向线圈54提供电流以产生移动块56的磁力。线圈54可以一种方式被激励以与弹簧/块组件一起产生动态作用力，从而补偿工作台12上的振动。
可采用本领域通常已知的任意技术使振动传感器34与工作台12相连。例如，可采用延伸穿过顶板20并连接在传感器壳体62上的螺钉60使振动传感器34与工作台相连。传感器34可与致动器52同轴并与致动器52紧固连接。传感器34向控制电路64提供输出信号。控制电路64对所述信号进行处理并向线圈54提供激励信号以产生消除工作台振动的补偿振动。控制电路64可位于内芯26内并通过电缆66与传感器34和线圈54相连。
图5是结合到工作台10’内的可控阻尼器的示意图。来自振动传感器34的信号被传送到控制器64。控制器64可包含放大器75、补偿器76以及过滤器77。可采用数字控制或模拟控制。已变换的信号进入容纳在工作台构件内的致动器的主动元件54例如线圈内。振动致动器还包括可带有磁铁的反作用块56以及在所述块和工作台面之间提供弹性连接的柔性元件58。控制器模块的放大增益和其它参数被设定并与传感器、致动器以及机械组件的特性相协调，使得在工作台顶面板上感应的力Fa使该点的振动减小。
当控制电流流过线圈54时，电磁力作用在反作用块56上，并且等效的反作用力作用在与工作台构件固定在一起的固定线圈上。控制回路被设计成使得被传送到工作台构件的总的力的相位和振幅抵消工作台的振动。设计用于减少振动的控制器和致动器的方法在本领域内是已知的。
在一种实施方式中，由图5中点A、B和C所代表的位置处在同一垂直轴线上同轴并相互紧固连接。可选择地，控制回路可被设计成使得作用在工作台上的主动力在包含工作台面弯曲振动的主要固有频率的频域内模拟粘性阻尼器的效果。这种方法相对于有效载荷的变化形成了固有稳定性和强度。为了实现这一策略，控制器的传递函数应该被设计成：
K ( ω ) = - iωk A ( ω ) S ( ω ) - - - ( 1 )
其中：
ω＝2πf＝圆周频率。
A(ω)＝致动器(振动器)传递函数，或者由致动器施加在所述构件上的总的力N与输入电压的比值，N/V。
S(ω)＝传感器传递函数，或者传感器输入电压与动态位移的比值，V/m。
K(ω)＝控制器传递函数，V/V。
k＝可调增益。
因此，由主动系统施加在工作台构件上的力等于iωku，其中u是工作台的动态位移振幅，其相当于粘性阻尼器的作用。当然，也可以采用其它单元。传感器可以是加速计、速度计(例如地音探测器)或位移传感器。可采用附加的校正滤波器改进稳定边际或其它参数。
图6表示工作台12的备选实施方式，其中狭条80位于顶板20和孔密封瓦片82之间。孔密封瓦片82可具有多个靠近螺纹孔30设置的套84以收集穿过孔30落下的碎屑。狭条80可以是起传感器和/或致动器作用的压电装置。备选地，可在板20和瓦片82之间设置光缆或其它装置以提供感应和/或致动功能。瓦片82可在构造工作台12的制造过程中保护狭条80。
图7表示一对与工作台12的第一有效载荷表面14相连的振动阻尼组件100。有效载荷表面14可支承载荷例如一对光学装置102。可采用多种装置和/或方法使每个阻尼组件100连接在有效载荷表面14的不同位置上。例如，在一种实施方式中，每个阻尼组件100通过以攻丝方式拧紧在工作台12的螺纹孔30内的紧固件104固定在工作台12上。可选择地，可采用任意类型的连接技术使每个阻尼器连接在工作台12上。典型备选的连接技术非限制性地包括焊接、粘合连接、磁耦合、夹紧等等。再次参照图7。同样地，阻尼器100可拆分或不可拆分地连接在工作台上。当可拆分地连接在工作台12上时，工作台12的操作者可拆开并将每个阻尼组件100移动到有效载荷表面14的不同位置以优化组件100的阻尼功能。
组件100与控制器106相连。控制器106可与图5所示并在附加内容中描述的控制器64相同或相似。尽管所示和描述的是外部控制器106，但可以理解，组件100中至少一个可被改装成包含一个或多个控制器106电路。
图8表示振动阻尼组件100的一种实施方式。组件100包括壳体110。壳体110可包括容纳振动传感器114的第一室112和容纳阻尼器118的第二室116。传感器114和阻尼器118可与图4所示并在所附加内容中描述的传感器和阻尼器相同。例如，阻尼器118可包括一个或多个主动致动器。第一室112可由O形环120或其它类型的密封件密封。
壳体110可由金属材料构成以将传感器114与电磁噪声尤其是由阻尼器118产生的噪声隔离。壳体110实际上可由外壳122、内壳124以及底座126构成。壳体部件122、124以及126可通过多个紧固件128连接在一起。阻尼器118可通过螺纹接头130连接在内壳124上并由紧固件132固定在适当位置。
底座126可具有凸缘134，凸缘134具有向将组件100连接在工作台上的紧固件(参见图7)提供通孔的多个孔136。尽管示出和描述了通孔，但可以理解，可采用其它装置将组件连接在工作台上。例如，底座126可具有多个从凸缘134延伸并压入工作台的孔30内的螺栓。
组件100可包括通过电缆(多个电缆)140与传感器114相连的第一电连接器138以及通过电缆(多个电缆)144与阻尼器118相连的第二电连接器142。电连接器138和142与图7所示的控制器106相连。
在操作中，振动阻尼组件(多个振动阻尼组件)100通过穿过凸缘孔136插入紧固件104并将壳体110固定在工作台12上而与有效载荷14相连。电连接器138和142与控制器106相连，尽管如此可以理解，在壳体110连接到工作台12上之前连接电连接器138和142。振动传感器114感应振动并向控制器106提供信号(多个信号)。控制器106对所述信号(多个信号)进行处理并向阻尼器118提供驱动信号(多个驱动信号)以使振动衰减。
操作者可将监控器(参见图3)连接在组件100上以利用传感器感应工作台位置处的振动。操作者可来回移动组件100以感应有效载荷表面14的不同位置的振动并优化对工作台12的阻尼。
图9表示具有位于工作台12和振动隔离件150之间的振动阻尼组件100’的工作台组件的一种实施方式。振动隔离件150的作用主要是使工作台12与地板上的振动隔离。振动阻尼组件100’和隔离件150处于各自的壳体内，从而使得使用者可以从工作台组件上增加或拆除阻尼组件100’。振动隔离件150可以是本领域内已知的任意类型。作为举例，隔离件150可以是由受让人加利福尼亚Irvine的Newport公司销售的产品。单个阻尼组件在工作台的阻尼振动方面给操作者提供了适应性。尽管在图1、3和7中未示出，但可以理解，在这些图中示出的工作台12可由隔离件150或任何其它构件例如工作台立柱支承。
尽管在附图中已经描述和示出了某些典型的实施方式，但可以理解，这些实施方式仅仅是示意性的而不是对宽泛的发明进行限制，同时本发明并不限于所示和描述的特定的构造和结构，因为本领域的那些普通技术人员可以做出各种其它变形。
特别地，所提及的作为工作台的构件可以是任何类型的支承构件，包括多级平台或支座平台。这种支承构件的工作表面可以是水平、垂直或者甚至是倾斜的。由此，传感器和主动阻尼器的作用线可以是垂直、水平或倾斜的；多向传感器或主动阻尼器也可以作为本发明的变形。尽管图4表示致动器由具有移动磁铁和固定线圈的电磁振动器实现，但也可以采用其它类型的致动器设计，特别是具有固定磁铁和移动线圈的电磁设计、具有一个固定和一个移动线圈的电磁线圈，等等。备选地，可采用刚性(例如压电)致动器形成反作用块和工作台的相对运动。
主动致动器通常位于固定位置，通常在工作台的拐角。这一布置可以有效地减小工作台在其共振频率下的固有振动。它不能有效地减小由机械或声学激励所引起的工作台在固定频率下的强制振动。即使通过编程在这一频率下形成增加的机械阻抗，它们也只是减小安装点局部的振动。根据本发明的附加的受控阻尼器被安装在最大振动感应部件的附近或强制振动源的附近并被编程以减小在某些固定频率下的振动，由此免受强制振动的影响。

Claims (3)

1.一种支承振动感应的有效载荷的平台组件，所述组件包括：
具有第一表面、第二表面、以及位于所述第一和第二表面之间的内芯的工作台，其中第一表面与所述振动感应的有效载荷相连，所述内芯具有蜂窝芯板；以及
一个或多个位于所述内芯内的振动传感器，该振动传感器构造成便于感测该工作台的表面的振动；
位于所述内芯内并且构造成便于向所述工作台的表面施加一作用力的阻尼器；以及
与所述一个或多个振动传感器和所述阻尼器相连的监控器，该监控器构造成便于接受来自所述一个或多个振动传感器的振动信息并且向所述阻尼器提供一激励信号。
2.如权利要求1所述的平台组件，其特征在于，所述阻尼器包括与所述振动传感器相连的主动致动器，该平台组件还包括与所述振动传感器和主动致动器相连的控制电路。
3.如权利要求2所述的平台组件，其特征在于，该阻尼器构造成便于施加这样一主动力，即，响应于来自与监控器相连的控制电路的所述激励信号，所述主动力模拟粘性阻尼器在包含所述第一表面弯曲振动的多个固有频率的频域内的效果。
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